密度补偿在稳压器液位测量中的应用

罗 番，康 凯，陈华兵

(海南核电有限公司，海南 昌江 572700)

国内某核电站稳压器水位测量系统由四个独立的罗斯蒙特差压变送器组成，其中三个热态仪表(RCP007/008/011 MN)用于测量热停堆及功率运行期间的稳压器液位，一个冷态仪表(RCP012 MN)用于一回路冲排水过程中指示常温常压状态下的稳压器的液位。在稳压器建立汽腔后的升温升压过程中，稳压器压力与液位变送器的整定压力相差较大，按照设计压力参数整定的稳压器水位与实际水位误差很大，甚至失去监视意义。本文通过对稳压器水位的测量方法进行理论分析，提出了基于I/A平台逻辑组态的水位密度补偿法，实现了正常中间停堆状态下稳压器水位的测量，在单室平衡容器液位测量系统中具有推广意义。

1 测量原理

以RCP007 MN为例，其测量安装如表1所示下，变送器一侧与稳压器下部管嘴相连，另一侧与参考液毛细管相连，通过隔膜把参考液毛细管与冷凝罐隔开，防止稳压器水分中分离出的氢气形成气泡进入毛细管。假设稳压器液位为h(以下部取压接头处为量程下限-5 m)，则变送器差压为：

ΔP=P+-P-=ρLg(h-5)+ρvg(Dr-h+5)-Drρrg

(1)

(2)

上式中，Dp为上部取压接头到下部取压接头的距离，Dr为平衡罐水平面到下部取压接头的距离ρL为水密度，ρv为蒸汽密度，ρr为导压管内水密度。

图1 稳压器液位测量图

根据计算公式(1)，将相关数据代入计算得到稳压器液位变送器的测量范围见表1：

表1 测量范围计算表

将差压转换为稳压器液位H时，是按设计工况进行的,存在以下转换计算式：

(3)

2 密度补偿的引入

根据式(2)可知，稳压器水位，不仅与测量差压有关，还随稳压器内介质密度变化而变化。迁移计算书给出的是特定工况下的数据，当出现工况偏离时，密度变化引起的测量误差为：

(4)

高温高压的稳压器内，水和水蒸汽一般处于或近似处于饱和状态，而密度ρL、ρv、ρr都与稳压器内压力p有关，此时水密度和蒸汽密度都是稳压器压力的单值函数[1]，不同工况下测量误差计算见表2：

由表2可知，当介质工作温度偏离设计工况时，差压仪表测得液位会产生偏差。压力变化引起的测量误差因液位工作区间的变化而变化。在测量区域内，液位越高，测量误差越大；液位越低，测量误差越小。如果指定ρr-ρv=f1(p)、ρL-ρv=f2(p)，则有：

(5)

表2 测量误差计算表

根据公式(5)，设计稳压器液位密度补偿运算逻辑图2如下：

图2 密度补偿逻辑图

在冷停堆状态时，稳压器内充满水或者空气，不存在汽水分离界面，在一回路2.5 MPa压力下建立汽腔以后，稳压器内出现汽水分离界面，考虑稳压器正常运行压力小于16 MPa，进行密度补偿时，稳压器压力区间为[2.5,16 MPa]。

平衡罐及仪表导压管内水在机组状态变化时，水温基本保持不变，虽然导压管内存在温度分层现象[2]，水密度的数值变化并不大，近似认为其为常数998.3 kg/m3。将压力区间分为七段，根据《水和水蒸气热力性质表》中的数据，在excel软件中对介质密度进行分段线性拟合[4]，得到介质密度与压力的线性回归方程如下表3所示。

3 软件实现

以施耐德公司的非安全级控制系统I/A平台为例，在此软件平台下存在非线性函数模块(CHARC)及数学运算模块(MATH)，可有效实现密度补偿的运算逻辑。计算得密度压力折线在CHARC模块内坐标点见表4所示，并以CHARC模块输出作为数学运算模块的输入：

表3 密度拟合折线表

表4 坐标统计表

差压信号ΔP与稳压器液位线性相关，但现有的稳压器液位测量系统中，并无差压信号ΔP可直接用于计算，而以换算后的电流输入IE隔离卡件，得到稳压器液位，并参与紧急停堆、RPR和DAS保护逻辑。若想得到差压测量数值，根据公式(3)同样使用CHARC模块进行液位差压信号的线性变换，差压换算模块对应坐标点为(-5 m，-76730 Pa)、(3.5 m，-35560 Pa)，取函数输入为稳压器热态液位平均值RCP601 KM；取三个非线性函数模块的运算输出，作为数学运算模块的输入参数，并将高度差Dr及重力加速度作为常数输入，密度补偿的运算逻辑如图3所示。

图3 运算逻辑图

稳压器压力测量变送器测量范围为11-18 MPa，当稳压器压力小于11 MPa时，考虑以一回路平均压力RCP710 KM替代稳压器平均压力RCP602 KM参与密度补偿计算，根据历史数据及变送器安装高度差，取一回路压力减去0.1 MPa为稳压器压力。稳压器压力计算采用CALC模块，实现稳压器压力信号的选择，压力计算模块命名为1RCP_M1:PRES1，取值RI01=1RCP_M1：602 KM_M.PNT，RI02=1RCP_M1：710 KM_M.PNT ，RI03=11,RI04=0.1，I/A平台下逻辑运算实现步骤见图4：

图4 运算步骤

在模拟机平台上新增CHARC模块：1RCP_M1：CH1(MEAS=1RCP_M1:PRES1.RO01)、1RCP_M1：CH2(MEAS=1RCP_M1: PRES1.RO01)、1RCP_M1：CH3(MEAS=1RCP_N1:601 KM_M.PNT)，新增MATH模块1RCP_M1：MA1；根据公式(5)，运算模块主要参数组态及逻辑运算步骤逻辑如图5所示：

RI01=RCP_M1：CH1.OUT

RI02=RCP_M1：CH2.OUT

RI03=RCP_M1：CH3.OUT

RI04=9.8

RI05=8.692

RI06=5.00

图5 组态参数

选取1号机组功率运行状态下数据点如下，并在模拟机上进行密度补偿逻辑运算，得到相关运算数据见表5：

可知功率运行情况下，采用密度补偿后计算得到的液位与现有测量方法及真实液位的偏差均小于0.9%，参照过程仪表定期试验完整性说明，进行一致性检查验证，显然偏差小于验证标准2.53%。考虑到进行密度补偿的计算数据中，稳压器压力信号及差压信号均需经过隔离模块、保护通道，此精度误差已处于可接受范围内。

功率运行期间，稳压器压力及液位处于自动控制，液位及压力的波动较小，压力密度曲线的拟合偏差不大，应扩大验证范围。选取机组103大修期间稳压器正常中间停堆状态下充排水过程如图6所示，进行分析。

图6 中间停堆液位

此时稳压器液位变化趋势明显，分别代入数据，得到密度补偿后液位如表7所示：

根据稳压器汽相及液相温度查询介质密度后代入公式(2)计算真实液位数据如表6所示：

根据稳压器汽相及液相温度查询介质密度后代入公式(2)计算数据点真实液位如表8所示。

表5 功率运行补偿液位表

表6 功率运行真实液位表

表7 中间停堆补偿液位表

表8 中间停堆真实液位表

比较可知，在正常中间停堆状态下，密度补偿法所得液位与真实液位偏差小于0.05 m，基本实现了稳压器液位测量的较高精度。

4 误差分析

密度补偿运算中介质密度误差由拟合公式的误差和变送器的测量误差构成[4]。其中测量变送器为罗斯蒙特1154系列，其测量精度为0.25%。I/A平台内的CHARC模块最多可实现20段折线来模拟一条曲线，即拟合压力区间可缩小至0.7 MPa，拟合精度将得到提高，补偿计算的误差也会随之减小。当压力小于11 MPa时，本文采用了一回路压力替代稳压器压力的方法，但当一回路温度压力变化时，一回路冷却剂密度变化，取压点高度差产生的压力偏差会发生变化，此项误差对密度补偿的影响，同样不可忽视。

在单室平衡容器水位测量系统中，导压管水柱密度一般设定为固定值，但实际竖直管段的热分层现象会产生密度偏差，影响测量精度。文献[5]对17 MPa下的火电厂锅炉汽包差压液位的导压管中的水柱密度进行了测量，在导压管500 mm的长度内，水柱温度由最高的300°迅速下降为35°，且温度分布为非线性，500 mm以下水柱温度基本不再变化。

由于缺乏相关稳压器液位测量导压管温度分布数据，仅以粗略类比进行分析。正压侧由于取样管线近似水平，温度变化引起的竖向压力测量偏差可忽略不计。假设稳压器平衡罐竖直管段在500 mm内，温度由250°降至50°(考虑稳压器房间温度较高)，以此段温度平均为150°(压力15.4 MPa，密度为925.243 kg/m3)进行替代计算，压力测量偏差计算如下：

ΔP降=(998.3-925.243)×9.8×0.5

=357.98Pa

转换为液位测量偏约为

但在进行密度补偿时，不同工况下的竖直管段温度分布并不一样，其测量误差是不恒定的[3]，但不大于功率运行状态下的测量偏差。在稳压器的液位测量过程中，可在获取相关温度数据后，查询水柱的密度分布后，在仪表零点校验过程中，消除此项误差。

变送器维修时，冷凝器充水使用的是除盐水，稳压器满水状态下，一回路冷却剂会进入冷凝罐，冷凝管中会变为含硼水。从历次检修经验看，冷凝管线接头出现硼结晶也验证了这一点。但由于稳压器热态液位计存在隔离膜片，隔离膜片上侧为含硼水，高度仅约为0.7 m，隔离膜片下为内部充纯水的毛细管(高度约8 m)。冷凝罐中含硼后，密度变化对测量误差的影响可忽略不计。

在补偿液位计算中，一般把实际工况近似作为饱和水汽平衡状态进行处理，但如果工况变化较大，如存在稳压器喷淋，有冷热水注入容器时，实际工况则有可能偏离饱和工况，会导致计算模型与实际工况的偏差。

5 研究意义及应用拓展

本文通过对稳压器液位测量原理的分析，提出了基于I/A系统逻辑组态的密度补偿方法，实现了正常中间停堆工况下稳压器液位的精确测量，为机组上下行期间提供了一种准确测量稳压器液位的手段。将密度补偿法应用于机组功率运行期间，将有助于提高稳压器水位的测量精度，避免机组瞬态情况下，大范围压力波动引起的虚假水位。

密度补偿法对其他单室平衡容器的水位测量精度提高也具有一定的推广意义。高压加热器液位测量结构与稳压器类似，大修结束后的机组启动期间，抽汽压力由零逐渐增加至2.5 MPa(对应电功率约550 MW)，在机组电功率提升期间，抽汽压力又升至2.9 MPa(对应电功率约650 MW)。不同电功率平台下，内部疏水密度与蒸汽密度的变化，引起液位测量偏差最大达20 mm，接近仪表测量精度的十倍。考虑将高加抽汽压力作为变量引入，在不改变测量方式的情况下，通过基于控制系统组态密度补偿法，将有助于提升高加液位测量的精度。