重水堆核电站ECC系统爆破盘液位测量回路分析与优化

张振超，刘 铮，丁林朴，祁陆凯，林 熙

（中核核电运行管理有限公司 维修五处，浙江 海盐 314300）

0 引言

重水堆核电站应急堆芯冷却系统（以下简称ECC系统）是四大专设安全系统之一，当主热传输系统出现破口导致堆芯冷却剂减少时，通过及时并持续地向主系统中注入大量的常温轻水的方式保证堆芯内热量的有效导出以防止堆芯及主系统管道的损坏。

系统参数可分为工艺参数、触发参数、条件参数。工艺参数主要是指用于监视系统运行状态的参数，由于没有逻辑控制功能，用于区别触发和条件参数。触发参数和条件参数参与逻辑控制，用于触发LOCA、启停泵等，触发参数是逻辑控制功能实现的充分条件，条件参数是逻辑功能实现的必要条件。当以下条件满足时，注射和快速冷却启动：主热传输系统压力≤5.9MPa和下列3个条件之一满足时：R/B压力≥3.45 kPa或慢化剂液位≥10.12 m或主热传输系统压力持续5min≤5.9 Mpa，逻辑触发自动动作。

图1 工艺流程图Fig.1 Process flow diagram

图2 液位测量回路原理图Fig.2 Schematic diagram of liquid level measurement loop

ECC系统爆破盘RD1/RD2是重水和轻水之间的隔离膜，在机组正常运行时，使系统的轻水部分和重水部分分开，防止轻重水之间的相互扩散，减少降级重水；在ECC安注时，爆破盘破裂，ECC水注入主系统。爆破盘的正向破裂压差为345kPa，反向破裂压差为172kPa。如果在运行时在爆破盘两侧压力发生波动，可能造成爆破盘的意外破裂。ECC系统爆破盘液位测量回路就是用于监测爆破盘重水侧液位的重要工艺参数，通过监视爆破盘液位保证正常运行期间爆破盘重水侧的满水情况以及相应的充水操作，并且可以判断出爆破盘是否破裂。

正常运行情况下，爆破盘液位在0.6m～1.81m之间波动，可以通过正常的补水和疏水操作保证爆破盘液位在合理范围之内。

1 爆破盘液位测量回路介绍

ECC系统安注功能通过两个回路实现，即奇回路和偶回路。每个回路各有一个爆破盘，设备编码分别为RD1和RD2，每个爆破盘通过两个液位测量回路测量爆破盘液位，回路编码为L-219K/L-219M和L-218K/L-218M。每个液位测量回路由液位变送器、隔离模块、报警模块和指示表组成，液位变送器根据测得的压差转换成4mA～20mA的电流信号，对应-0.5m～10.5m的液位。报警模块分别提供两个报警点，低液位报警0.6m，高液位报警1.81m。

隔离模块用于隔离指示表、AI等于一回路的连接，防止显示设备功能异常导致测量回路出现异常。隔离模块后连接有指针式指示表和AI。

2 爆破盘RD1液位测量回路偏差大描述

在某机组大修期间，对爆破盘RD1液位L-219M回路进行标定工作后，AI值显示L-219M液位值为1.401m，L-219K液位值为1.557m，两回路液位偏差0.156m，整个测量回路中液位变送器允许误差为0.25%，隔离模块允许误差为0.1%，AI值允许误差为0.5%，总允许误差值为0.85%，测量回路总量程为11m。因此，允许最大误差为11m×0.85%=0.0935m，在极端情况下，两个液位测量回路的偏差最大为0.187m。目前爆破盘RD1的两个液位测量回路的偏差为0.15m，已经接近极端情况的上限值，由此判断爆破盘RD1液位偏差过大，需要进行缺陷分析。

3 爆破盘RD1液位回路偏差大原因分析

3.1 隔离模块输出回路分析

隔离模块输出信号连接有一块电流型指针指示表、一个输出到PI系统的AI信号通过225Ω的电阻与指示表并联。隔离模块和指示表在大修期间都经过严格校验，校验结果正常。因此，可首先排除隔离模块和指示表故障。

用万用表测量取样电阻为225Ω，排除取样电阻故障，测量隔离模块输出电流为6.772mA，根据公式计算对应的液位为：

PI系统AI值显示液位值为1.401m，计算结果与AI值基本一致。因此，排除隔离模块输出回路故障的可能性。

3.2 隔离模块输入回路分析

隔离模块输入回路中连接有液位变送器、液位报警模块和隔离模块，液位报警模块通过50Ω的电阻与回路并联。因此，液位报警模块对回路的测量结果不产生影响，50Ω的取样电阻对回路电流也不产生影响，可以排除液位报警模块故障的可能性。应首先检查回路电流是否与对应的液位显示值一致。用万用表检查隔离模块一次侧回路电流为6.770mA，根据公式计算对应的液位为：

与隔离模块输出回路和PI系统AI显示的液位值基本一致。因此，可以排除报警模块和隔离模块故障的可能性。

3.3 变送器分析

隔离模块输入侧的电流值是由液位变送器输出提供，测量L-219K的电流输出为6.983mA，根据公式计算对应的液位为：

测量L-219M的电流输出为6.770mA，对应液位为1.404m。因此，两液位变送器输出电流不一致，导致两个测量回路的液位偏差较大。由于在大修期间已经对L-219K回路和L-219M回路的液位变送器都进行过标定，且标定合格。若两个变送器的取压管线内有气泡，也会导致偏差过大（气泡总长度约0.15m），但是并不清楚是哪个变送器的取压管线内有气泡。因此，决定对两个变送器的高压侧取压管线（低压侧对空）各反充5L新重水，以排除管线内的气泡对测量结果的影响。

反充完成后，重新测量两个液位变送器输出的电流值，测量L-219K的电流输出为7.189mA，测量L-219m的电流输出为6.983mA，从电流值可以得出两个液位变送器测得的液位差为：

比反充之前的0.156m相比有所减小，但偏差仍然很大，可以判断取压管线内有一定的小气泡影响到了测量结果，但并不是主要原因。

目前分析进展已经锁定到液位变送器，但是液位变送器标定合格，且对两个变送器的高压侧取压管线都反充了足够的重水，已经排除了液位变送器故障和取压管线内有气泡的可能性。下一步分析只有定位到液位变送器的工艺参数上。

3.4 液位变送器工艺参数分析

爆破盘液位的有效液位值主要取决于重水储存箱的液位高度，重水储存箱与地坑相连，液位变送器低压侧对空，高压侧测得的压力值即液位值，通过正迁移使液位变送器的输出值与重水储存箱对应的液位高度值一致。其测量原理如图3所示。

液位变送器的输入信号受仪表管线内的重水密度和取压点标高影响。仪表管线内的水是静止的，重水密度受周围环境影响。根据仪表管线所在位置测量出了不同环境下取压管线的环境温度如表1所示。

根据3.3节中的分析，对取压管线反充重水后，确定了管线内存在小气泡并不是造成偏差存在的主要原因，但还需要考虑水温对测量结果的影响。

刚刚反充到取压管线的重水在整条管线内温度可以认为是相同的，即重水反充前的温度。为考察重水水温对测量结果的影响，等待24h后，重新测量两个液位变送器输出的电流值，测量L-219K的电流输出为7.187mA，测量L-219m的电流输出为6.984mA，从电流值可以得出两个液位变送器测得的液位差为：

图3 液位变送器测量原理图Fig.3 Measurement schematic diagram of liquid level transmitter

从测量结果可以看出，液位变送器测量偏差由0.142m变为了0.140m。偏差仍然很大，因仪表管线所在环境温度变化并不是很大，其密度变化也很小。因此，水温变化对测量结果影响较小，实际测量结果与理论分析结果一致，水温变化不是导致测量偏差大的主要原因。

下面分析取压点标高对测量结果的影响：

根据重水存储箱上的标注，重新测量了L-219K和L-219M各取压点的标高，如表1所示。

根据工程要求及液位变送器测量标准，统一将重水的液位高度换算成20℃下的轻水液柱。当环境温度T=20℃时，轻水的密度为ρw=998.2kg/m3。不同高度的液位温度需与周围环境温度一致，且在不同温度下，重水的密度也是不同的[3]，已在表1中体现。

首先计算L-219M的输入信号量程：

重水柱h3对应的轻水柱高度为：

重水柱h2对应的轻水柱高度为：

最大量程重水柱H对应的轻水柱高度为：

由此计算，得出变送器零点压力值为279.766kPa：

变送器满点压力值为398.791kPa：

表1 取压点测量数据Table 1 Pressure point measurement data

即L-219M的输入信号量程为279.766～398.791kPa。

根据同样的方法可以计算出L-219K的输入信号量程为：282.239～401.264kPa。

通过将计算得到的数据与标定单对比发现L-219M的标定单中的输入信号量程为281.079～400.105kPa。

当液位变送器输出为6.770mA时，根据标定单中的信号量程计算对应的压力值，即实际压力值为：

当实际压力值为301.865kPa时，根据重新计算得出的输入信号量程计算对应的输出电流应为：

对应的液位值为：

与L-219K测得的液位值为1.551m，两者偏差值为0.008m，远小于最大允许误差值0.187m。

L-219M液位变送器的输入信号量程偏高导致液位测量结果偏低，将L-219M的液位变送器的输入信号量程修正为279.766～398.791kPa后，可有效消除偏差，液位曲线见图4和图5。

通过图4和图5对比可以看出，L-219M液位变送器的输入信号量程修正后，有效地消除了两个测量数据之间的偏差，显示液位最大偏差值只有0.004m。

4 优化建议

图4 信号量程修正前液位曲线Fig.4 Signal range correction before liquid level curve

根据实地测量数据计算，L-219M液位变送器的输入信号量程与实际信号量程存在偏差是导致L-219K和L-219M测量液位偏差较大的根本原因。将L-219M的液位变送器的输入信号量程由281.079～400.105kPa修正为279.766～398.791kPa（输入信号零点由281.079kPa修正为279.766kPa，输入信号满点由400.105kPa修正为398.791kPa）,可有效消除L-219K和L-219M回路的偏差。根据PI系统的AI显示，其测量偏差减小到了0.005m以内，偏差值小于0.045%,使爆破盘液位的测量结果更加精确有效。

5 结束语

作为ECC系统监测轻水和重水隔离爆破盘的重要参数，爆破盘液位测量回路的精确性对ECC系统的正常运行、事故后运行及运行决策有着非常重要的影响。通过对爆破盘RD1液位测量回路偏差大问题的分析和解决，爆破盘液位测量结果更加精确有效，使ECC系统轻水和重水隔离边界的稳定性、可靠性得到提高，对液位测量回路的工作特性和测量偏差的判断有了更深入地了解，并由此得出3点经验：

1）对于系统中偏差值接近偏差允许上限的测量参数不能抱有侥幸心理，按照缺陷维修的分析逻辑一步步分析，会找到测量参数偏差值偏大的根本原因。

2）整个分析过程中的每个设备或者参数都有可能对测量结果产生影响，主要影响因素总结如下：

图5 信号量程修正后液位曲线Fig.5 Liquid level curve after signal range correction

◆ 隔离模块输出电流与输入电流偏差大，即隔离模块漂移。

◆ 取样电阻性能下降。

◆ 液位变送器输出电流偏差大，即液位变送器漂移。

◆ 取压管线内有气泡。

◆ 取压管线温度变化。

◆ 液位变送器输入量程偏差大。

3）整个分析过程中的多个参数都有可能对测量结果产生影响，维修人员应按照仪控回路的工作流程，依次对设备参数及允许情况进行检查，不放过任何一个细节。比如通过本次分析工作，也分析出了仪表管线存在气泡也会导致测量结果产生了一定的偏差，这种情况可以通过向取压管线内反冲重水的方式得到有效消除。