基于热扩散原理的压力容器水位测量系统设计

【摘 要】为实现核动力装置事故后压力容器水位监测，设计了基于热扩散式水位探测器的压力容器水位测量系统。该系统由热扩散式水位探测器和信号处理机柜构成。热扩散式水位探测器测量关键点水位，信号处理机柜采集探测器信号，并为探测器提供加热电流，对数据进行处理，判断水位测点情况，显示液位情况并发出报警信号。系统具有测量直观，信号处理简单等特点，能提高核动力装置的安全性和可靠性。

【关键词】热扩散；水位测量；系统设计

中图分类号： TP212 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）27-0025-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.011

【Abstract】For monitoring the water-level of pressure vessel of nuclear-power device after accident， this paper designs a pressure vessel water-level measurement system based on heat diffusion theory. The system includes the heat diffusion water-level detector and the signal management cabinet. The heat diffusion water-level detector measures the key-point water level. The signal management cabinet collects and manages the detector’s signal， provides current for the heater of detector， judges the water-level measurement points situation by analyzing data， displays water-level situation and alarms for the operators. The system characters direct measurement and easy signal management， improves the safety and reliability of the nuclear-power device.

【Key words】Heat Diffusion； Water-Level Measurement； System Design

0 前言

反应堆压力容器水位测量在反应堆中对严重事故缓解后果有着重要影响。传统的反应堆测量系统中，操纵员在事故发生时无法得到反应堆压力容器直接的、真实的水位，在缺乏堆芯水位测量时，操纵员只能稳压器水位测量进行判断。但在三哩岛事故发生时，当操纵员看到稳压器有水位显示，就认为堆芯处于完全淹没状态，而没有意识到反应堆压力容器里蒸汽的存在。在三哩岛事故过后，美国NRC要求所有的反应堆必须设置反应堆压力容器水位测量系统。

传统的压力容器水位测量系统基于差压法，其需要在反应堆底部开孔取压，并且信号处理复杂，需要外部信号较多，测量不够直观。

基于热扩散原理设计压力容器水位测量，对事故后关键点水位进行监测，测量准确直观，信号处理较为简单。

1 系统需求

水位测量系统作为事故后监测系统的一部分，主要功能需求是判断事故后压力容器内4个关键点水位，并对操纵员进行报警。根据系统需求，水位测量系统的设计应重点考虑以下几点：

（1）由于系统主要用于事故后监测，必须在事故后的工况和环境条件下工作；

（2）快速准确地判断关键点水位；

（3）系统应便于调试和维修；

（4）系统元件的可靠性；

（5）满足其他设计准则的要求。

2 系统设计

系统的结构图如1所示。

水位测量系统由热扩散式水位探测器、电气连接件、信号处理机柜和上位机组成。为了满足安全性和可用性要求，水位测量系统采用冗余设计，设置A、B两个测量系列，每个系列独立对4个关键点水位进行监测，任何一个系列故障不影响另一个系列的正常运行。

2.1 热扩散式水位探测器

热扩散式水位探测器基于热扩散原理，利用水、水蒸气热导率较大的差异来判断水位测点是否被水淹没从而测量压力容器内指定高度点的水位[1]。水位探测器组件从压力容器顶盖垂直插入至压力容器内指定高度点，水位探测器组件通过密封装置与压力容器顶盖实现密封。水位探测器组件输出信号和电加热器供电信号通过电连接器，经电缆传输至信号处理机柜，信号处理机柜为电加热器提供加热电流，并计算主动端热电偶和参考端热电偶之间的温差从而判断水位测点是否被水淹没。

每个水位探测器含有两个测点，根据测点的位置不同分为Ⅰ型和Ⅱ型，每個测量系列包含2支不同类型的探测器组件。为减少水位测量系统二次仪表部分的干扰，探测器采用绝缘型，热电偶与探测器外壳之间采用MgO进行填充。

水位探测器通过堆芯测量密封机构固定在压力容器上部，插入压力容器内有导向机构，并在探测器底部进行径向限位。

探测器组件需监测事故后水位，为保证探测器能在压力容器事故后工况下工作，探测器包括其电气连接器和连接电缆，都需要按照环境条件要求进行正常工况下和事故后工况下的鉴定试验，电气连接器和连接电缆应满足K1类鉴定要求。

2.2 信号处理机柜

信号处理机柜也分为A列和B列，A列机柜包括1台显示和输出机箱，1台信号采集处理机箱和1台电源机箱。B列机柜包括1台信号采集处理机箱和1台电源机箱。A列机柜的显示和输出机箱同时显示A、B列数据。

信号采集处理机箱包含温度采集单元、CAN通讯单元、控制器单元、开关量输出单元、模拟量输出单元和电源单元。温度采集单元用于采集水位探測器的热电偶信号和Pt100铂电阻信号，每个探测器共4路热电偶信号以及1路Pt100温度信号。控制器单元根据采集到的温度信号，判断关键点是否被淹没，并向开关量输出单元输出；同时，控制器单元还需要根据预定的程序计算出加热电流，并向电源机柜输出控制信号。信号采集处理机箱的数据通过CAN通讯单元传输到显示和输出单元。

电源机箱需要为本列机柜提供220V供电电源，同时需要为2个探测器提供加热电源。电源机箱上设置断路器，实现整个机柜电源的保护。机箱内部设置EMC滤波器用于输入电源滤波。加热电源需要具备的特性如下：

-输出电压：0V-48V

-输出电流：0A-2.1A；

-调节方式：4mA-20mA对应0A-2.1A输出电流。

3 数据处理

3.1 加热电流计算

系统对加热电流的计算主要依据水位探测器供应商提供的各个温度平台与加热电流的对应关系，插值计算得到当前温度平台下所需的加热电流。

3.2 水位判断

系统是通过水位测点主动端热电偶与参考端热电偶的差值是否达到阈值来判断水位测点是否浸没在水中。阈值的确定包括两个方面的因素：一是各个温度平台下，主被动端热电偶都在水中时的实际温差，主要是通过供应商提供的各个温度平台和每个测点的实际温差的对应关系，插值计算得到；二是当水位下降，主动端热电偶暴露在空气中，主动端热电偶和参考端热电偶的温差的变化值，由于在水位下降时，温度需要很长时间才能达到稳定，为提高响应时间，通过对探测器的标定，选取温差变化超过某一阈值即判定水位测点露出水面。二者相加得到当前温度平台下的阈值。

3.3 数据可用性检查

系统在开始运行时对所有模拟量信号进行电气量程检查，如果信号超出量程范围，则认为该路信号不可用。在运行过程中，对所有热电偶进行在线监测，如热点偶出现断线，则温度会超出量程范围，此时发出报警信号，并且该路信号再后续处理中将被剔除。

4 结束语

本文根据压力容器事故后水位监测需求，完成了基于热扩散式的压力容器水位测量系统的设计，相对于以前的水位测量系统，信号处理简单，不需其他外部信号，提高了核动力装置的安全性和可靠性。

【参考文献】

[1]乔弘，田亮，电热式液位计设计[J].仪表技术与传感器，2003，11：12-15.

[2]孙炯，查美生，铠装旁热式热电偶水位传感器的实验研究[J].工业仪表与自动化装置，2012，2：8-16.

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