反應堆廠房事故工況下乏燃料水池液位計國產化研究

董保錄

（江蘇核電有限公司 儀控處，江蘇 連云港 222042）

0 引言

根據日本福島核事故經驗反饋，事故后乏燃料水池喪失正常冷卻，乏燃料水池內的衰變熱依靠池水的蒸發、沸騰帶走，從而導致水池液位下降。為保證事故后操縱員可以實時監測乏燃料水池液位，了解事故進展并制定緩解策略，事故后乏燃料水池液位計必須滿足寬量程設計，測量區間至少應包括乏燃料開始裸露的水位到滿水位，并且要保證在事故后相應環境條件下仍然可用[1]。田灣核電站一期工程每臺機組設計了2臺互為冗余的乏燃料水池液位計，負責在運行期間和事故后工況下，實現乏燃料水池液位的連續測量。經過分析論證，田灣核電站的乏燃料水池液位計安全等級和抗震等級均滿足國家核安全局頒發的《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求》。然而，最近廠家通知該型號液位計已經停產且沒有升級替代產品，隨著運行時間的增長，液位計出現了示值漂移和波動缺陷，嚴重影響了乏燃料水池液位的可靠測量，因此需要開展液位計換型研究。

1 乏燃料水池液位計概述

VVER核電堆型乏燃料水池布置在反應堆廠房，用于儲存和冷卻乏燃料。為有效監測乏燃料水池液位，設計有3臺正常運行工況液位計和2臺事故工況液位計。其中，事故工況液位計需要保證在電站正常運行期間和事故后均可用。事故工況下，乏燃料水池液位計（以下簡稱乏池液位計）采用的是E+H公司生產的分體式電容液位計，液位計結構分為一次探頭、前置放大器和二次模件。一次探頭型號為FSK88，安裝在反應堆廠房34m乏燃料水池內，負責將液位信號轉換為電容信號；液位計前置放大器型號為EC11，安裝在一次探頭保護蓋中，負責將儀表電容信號轉換成小電流信號輸送到二次模件；二次模件型號為FMC280，安裝在安全殼環廊廠房保護箱中，負責將小電流信號轉換成4mA～20mA標準信號，由電站TXP系統采集后送OM690系統、主控室和備控室后備盤進行顯示。乏池液位計依據KTA3505標準進行了功能試驗、熱老化試驗、輻照試驗、抗震試驗、LOCA試驗和噴淋試驗，能夠在設計基準地震和事故環境條件下，保證設備可用。

2 乏燃料水池液位計國產化的提出

2.1 乏燃料水池液位計國產化研究必要性

針對乏池液位計換型問題，解決思路主要有兩種方式：一是參考國內其它核電站乏燃料水池液位計型號選擇合適產品進行替代；二是針對田灣核電站實際情況對液位計進行國產化研究。根據調研國內M310堆型、CPR1000堆型和AP1000堆型，乏燃料水池均布置在反應堆廠房外[2]，M310堆型乏燃料水池原設計只有兩個液位開關，信號送至主控室進行高低液位報警。日本福島事故發生后，根據國家安全局改進要求，增設了乏燃料水池液位和溫度連續測量裝置。儀表選型為美國FCI公司生產的FCI-CL86液位計（基于熱擴散原理）[3]，國內CPR1000堆型和AP1000堆型乏池液位計選型主要有FCI-CL86液位計、核級差壓變送器和同軸導波雷達液位計等幾種類型[4]。由于田灣核電站乏池液位計有抗震試驗、LOCA試驗和噴淋試驗等一系列鑒定要求，因而FCI-CL86液位計不能滿足要求，且田灣核電站乏池沒有預留引壓口、反應堆廠房也沒有安裝低壓同軸貫穿件，故核級差壓變送器和同軸導波雷達液位計也均無法適用于田灣一期工程，開展乏池液位計國產化研究是必要的。

2.2 乏燃料水池液位計國產化難點與優勢

乏池液位計國產化研究思路為液位計仍采用電容測量原理，借助原有液位計保護套管實現一次探頭的安裝固定并構成電容的兩極，研發新型前置放大器和二次模件實現電容信號放大和轉換。液位計研發主要需克服以下困難：原前置放大器為滿足抗LOCA試驗和噴淋試驗要求，采用的是一體化整體封裝結構，內部測量原理和硬件組成不得而知，需要自主研發并且需滿足輻照老化、熱老化、LOCA試驗、噴淋試驗等一系列要求。乏池液位計國產化研究優勢主要在于現場改造范圍小，不需要改變乏池整體結構和反應堆廠房貫穿件等工藝設施，并且新研發的分體液位計與原產品各子部件實現完全兼容，可以單獨在線更換，換型成本低。

3 乏燃料水池液位計國產化研究

3.1 新研發的乏燃料水池液位計工作原理

3.1.1 新研發的乏池液位計測量原理

新研發的乏池液位計測量原理為：將液位計探頭中間的不銹鋼線纜作為電容器的一個電極，原液位計保護套管作為電容器的另一個電極，而分布在不銹鋼線纜周圍的絕緣材料則作為兩極間的絕緣介質。這樣，當有導電液體時，將會形成一個圓柱形電容器。液位計探頭的電容變化量與液位高度變化量之間有很好的線性關系，因此可以通過測量液位計探頭電容量來完成對被測液體的液位測量。根據液位的變化，探頭產生相應的電容信號給前置放大器，前置放大器將電容信號轉換成小電流信號發送給二次模件，二次模件將此信號變送為4mA～20mA信號，輸送給DCS顯示系統。測量原理如圖1所示。

3.1.2 新研發的乏池液位計前置放大器

新研發的液位計前置放大器主要由信號發生模塊和電容-電流變換模塊組成，如圖2所示。

前置放大器信號發生器模塊正弦交流信號由變壓器和三極管組成單管自激振蕩電路，振蕩頻率由變壓器初級線圈電感值和并聯電容的容值決定，電感值約230uH，電容值為0.1uF，計算出振蕩頻率約33KHz。電容-電流變換模塊利用電容對交流電限流的特性，由I=2πfCU公式可知，在頻率和電壓保持不變的情況下，流過電容的電流與電容值成線性關系，然后將交流電整流濾波成直流電，因此可將電容信號線性的變換成電流信號。

圖1 測量原理圖Fig.1 Schematic diagram of measurement

圖2 前置放大器測量原理圖Fig.2 Schematic diagram of preamplifier measurement

圖3 二次模件測量原理圖Fig.3 Schematic diagram of secondary module measurement

圖4 前置放大器結構和實物圖Fig.4 Structure and physical diagram of preamplifier

3.1.3 新研發的乏池液位計二次模件

二次模件主要由接口防護電路、電源模塊、信號采樣和運算放大模塊以及4mA～20mA、1V～5V信號輸出模塊組成，如圖3所示。

二次模件接口防護電路有效濾除了模件接口浪涌、脈沖、靜電等干擾信號。電源模塊為二次儀表提供供電管理功能，通過高性能穩壓模塊為系統提供低紋波的供電，具備過流、過壓保護功能，同時為前置放大器提供20VDC的供電能力，同樣具備過流、過壓等保護功能。信號采樣和運算放大模塊將前置放大器輸入的0mA～4mA電流經過500Ω采樣電阻，得到0V～2V電壓進行信號轉換和放大處理。運算處理模塊輸出與液位相應的電壓信號，再經過電壓-電流變換電路轉換為4mA～20mA電流輸出信號。

3.2 新研發的乏燃料水池液位計工藝設計

3.2.1 前置放大器工藝設計

為了保證新研發的乏池液位計能夠在嚴酷環境下的正常工作，在設計選型階段設計了寬溫元器件，保證了設備在嚴酷環境下的穩定性。前置放大器主要分為3個部分，最內層為測量單元部分，中間層為隔熱部分，最外層為隔熱灌封部分。測量單元部分，使用加厚電路板設計，并對板載器件進行了合理的布局，降低了板卡自身造成的溫升；電路板在焊接完畢后，表面進行三防膠涂覆，保證了良好的絕緣性能，進行了軟質硅膠灌封，軟質硅膠的導熱系數較低，也可降低溫度傳導的速率。中間隔熱部分使用厚度為0.2mm的聚酰亞胺材料絲帶進行纏繞包裹，包裹厚度為3cm～3.5cm，降低了外界溫度向內部的傳導效率，從而使內部測量單元部分的溫升速度有了大幅度的降低，使內部元器件對溫度沖擊不敏感，保證了測量單元的正常工作。外層隔熱灌封部分，使用雙組份高溫硫化硅橡膠進行灌封，灌封后外部整體彈性較好，在高溫環境下，仍能保持一定的柔韌性、回彈性和表面硬度，且具有優異的絕緣性能，保證了設備的各項性能指標，前置放大器結構和實物圖如圖4所示。

圖5 二次模件Fig.5 Secondary module

圖6 溫度電阻補償電路Fig.6 Temperature resistance compensation circuit

3.2.2 二次模件工藝設計

二次模件主要分為兩部分：外部為鑄鋁箱，內部為測量單元。鑄鋁箱使用一次性澆筑成型技術，整體部分沒有其余附屬物，現場安裝時不會出現部件松動、脫落等現象，且具有完全的屏蔽功效，保證了內部測量單元的測量精度。內部測量單元使用多層結構設計，每層分別對應不同功能，保證了功能的獨立性，如圖5所示。

3.3 新研發的乏燃料水池液位計技術難點及解決措施

3.3.1 高測量精度和一致性的技術難點

由于事故后乏燃料水池液位計對測量精度有不低于0.3%的技術要求，新研發的乏池液位計通過采用高性能低漂移的采樣電阻、低溫漂無感軸向電容、高精度運算放大器對表示液位電容值的電流信號進行采樣處理，保證轉換精度高于0.1%；輔助電子元器件精度普遍選用高于0.1%的產品；電路設計中充分考慮了漂移、補償等多種因素影響；在信號運算處理方法中進行了優化處理，保證設備的測量精度優于0.3%。

3.3.2 嚴重事故后寬溫設計技術難點

根據嚴重事故后的嚴酷工況要求，前置放大器要求-40℃～160℃的寬工作溫度范圍，在LOCA等嚴重事故后復雜、惡劣工況下的測量精度仍需要保證，主要解決措施如下：

1）電子元器件選型：前置放大器元器件全部選用寬工作溫度、超低溫漂的軍品級器件，受環境影響微弱。

2）變壓器耐熱磁芯選型：前置放大器變壓器選用PC40磁芯，相比其它材料的磁芯，本磁芯磁導率隨溫度線性變化，更容易通過補償實現在LOCA情況下的精度要求；另外，該磁芯居里溫度＞200℃，保證在LOCA情況下磁芯性能滿足要求。

3）前置放大器耐熱隔離處理：前置放大器電路板三防處理后，用導熱系數較低的軟質硅膠進行初步灌封，待硅膠完全固化后，使用0.2mm厚聚酰亞胺材料的耐熱膠帶緊密纏繞至直徑8.5cm～9cm的球體，將纏繞好的前置放大器用做好的灌封膠模具灌封雙組份高溫硫化硅橡膠至標準的形狀。經過上述處理，前置放大器具有良好的密封性和極好的隔熱性。

4）設計了前置放大器溫度電阻補償電路，通過調整溫度電阻及與其串聯的電阻使變壓器交流信號頻率與次級線圈電壓達到平衡，從而使電容電流變換電路輸出的電流基本保持不變，避免了事故后環境溫度增高對電容電流變換電路輸出電流的影響，補償電路如圖6所示。

3.4 前置放大器和二次模件鑒定試驗

前置放大器和二次模件基本性能試驗和環境試驗的方法和條件方面，參考IEEE 323-1974《核電站1E級設備的質量鑒定》和GB/T 12727-2017《核電廠安全系統電氣設備質量鑒定》。在鑒定試驗的具體執行和實施方面，優先考慮采用已被國內較普遍認可和接收的適用標準或規范，如《抗震鑒定試驗指南HAF-J0053》等。根據鑒定試驗大綱，主要完成元器件熱老化測試、基準功能試驗、環境試驗、熱老化試驗、輻照老化試驗、電磁兼容試驗、機械性能試驗、抗震試驗、LOCA試驗鑒定試驗后的測試等。前置放大器和二次模件與原產品鑒定等級一致，前置放大器設備安全等級為安全相關級，抗震等級為抗震1類，質量鑒定等級為K1級；二次模件設備安全等級為安全相關級，抗震等級為抗震1類，質量鑒定等級為K3級。

4 乏燃料水池液位計產品鑒定和應用效果

乏池液位計前置放大器和二次模件研發完成后，先后完成了環境、電磁兼容、熱老化、輻照老化、機械性能、抗震、LOCA等各項鑒定試驗，并且在鑒定試驗前后分別進行了基準功能試驗。2019年6月山東省院士工作站葉奇蓁站在山東濟南組織召開了“電容式乏燃料水池液位計”產品樣機鑒定會，專家一致認為新研發的乏燃料水池液位計滿足《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求》，試驗鑒定滿足原產品鑒定大綱《Summary of Data Siemens PG L52/LYG/2004/63B：Capacitive Level Probe FSK 88》，安全質保等級滿足電站設計要求。2019年8月已經完成田灣核電站1、2號機組共4臺乏燃料水池液位計前置放大器和二次模件的替代，替代完成后乏燃料水池液位顯示準確，性能穩定，沒有再次出現示值波動的問題，應用效果良好。

5 結束語

本文以田灣核電站1、2號機組事故工況下乏池液位計的實際問題為基礎，結合當前國內外液位計產品特點和乏燃料水池液位監測要求，對比分析了替代方案，確定了乏池液位計國產化研究的思路。通過對乏池液位計前置放大器和二次模件進行自主設計，并順利通過一系列的鑒定試驗，實現了乏池液位計的國產化，掌握了核心技術，打破了乏燃料水池液位測量的海外技術壟斷，為在役核電站反應堆廠房乏燃料水池液位監測儀表替代選型，提供了一種國產化的產品，具有一定借鑒意義和推廣價值。