在役核电厂乏燃料水池液位测量改进方案研究

付皓；刘路

（深圳中广核工程设计有限公司，深圳518172）

0 引言

根据福岛事故反馈，在超设计基准事故引发核电厂丧失电源和冷却水源的情况下，乏燃料水池内贮存的乏燃料所产生的衰变热仅能依靠池水的蒸发、沸腾带走，从而导致水池液位的下降，水池衬里以及与水池相连的管线也可能发生破口而导致水池液位的快速下降。为防止燃料组件裸露，判断水池内的事故状态，需为操作人员提供事故后长期冷却期间准确可靠的乏燃料水池液位信号，进而判断水池补水操作启停的时机，同时为制定事故处理策略提供依据。

目前，在建电站国内外已有较多仪表选型及配置方案，但在役电站受到机组投运后客观条件的制约，在施工条件、时间窗口和控制边界等问题上对改进方案的可行性提出了更高的要求，带来了一定的难度。本文通过对比在建和在役电站乏池液位改进中存在的客观差异，给出一种适用于在役电站切实可行的改进方案。

1 现状分析

现有CPR1000 机组反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统（PTR）具有一定的液位及温度监测能力，通过设置的浮球式液位开关对乏池正常补水操作进行监视，并提供乏池水位低、乏池水位高报警功能，其报警在主控室进行显示，但以上所用液位测量仪表均为非安全级，未经过抗震和环境鉴定，其安装方式在严重事故下不具备抗震能力，同时设备由普通电源供电，无法在事故后提供有效的监测信息。乏池现有液位仪表配置如表1 所示。

2 法规或规范要求

在国家核安全局发布的《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求（试行）》中明确提出：通过增设能在严重事故后可用的乏燃料水池监测设备和手段，如液位、温度监测以获取事故后乏燃料水池的必要信息；并明确了监测参数要求：液位测量区间应包括乏燃料开始裸露的水位到满水位，可采用连续测量或间断式测量设备和手段，间断式测量的测点布置应满足必要的关键水位报警和指导操纵员相关补水操作的需要。

表1 乏池现有仪表配置

3 在建电站改进方案概述

在建电站目前主要通过对安装于发池内的液位测量设备配置改进，实现严重事故后乏池应急补水操作的监测需求，该方案下仪表的抗震性、鉴定等级需要符合相应要求，同时需要为仪表配置满足事故后长期工作的供电电源。

方案一：热电阻组件测量方案。

安全级一体式热电阻测量组件，可以实现液位连续、温度连续测量和关键液位断续测量。

方案二：热电偶组件测量方案。

安全级一体式热电偶组件由热电偶和带加热器的热电偶组成，由于气相、液相传热系数不同，加热的热电偶与不加热的热电偶测得的温度不同，比较加热的热电偶与不加热的热电偶的温度，当温差超过阈值，则认为液面在两热电偶之间，从而确定水位。同时组件底部设置专用的测温探头，实现对乏池水温的连续监测。

方案三：超声波液位计测量方案。

超声波液位计具有测量范围广、安装检修简便等优点，也是一种进行液位连续测量的有效方法，但严重事故后乏池现场环境复杂，所用超声波液位计难以在高温环境下测量乏池在沸腾状态下的水位。

方案四：差压式液位计测量方案。

利用差压式液位计进行液位测量，结合热电阻测水温的方式也是一种可以考虑的解决方案。但乏池池水沸腾后，大量蒸发导致燃料大厅环境温度、水蒸汽含量升高，市场现有设备可用性需要继续调研分析。

4 在役电站改进方案

4.1 在建与在役电站差异

在役电站与在建电站相比，为确保反应堆的稳定运行和乏燃料棒位于屏蔽液位以下，机组投运后乏燃料水池中的池水不允许排空，保证持续带走乏燃料释放的衰变热，避免其重返临界，所以在役电站无法提供时间窗口和施工条件进行乏池内仪表的安装工作。另外，需要避免改造过程中对在运设备和生产环境造成较大影响，导致因施工范围过大而产生区域不可控。根据上述情况进行评估，在建电站方案均难以应用于在役电站。

4.2 在役电站改进方案

该方案以岭澳核电站二期4 号机组（以下简称PK4）为参考电站，通过增设非能动应急高位冷却水系统，使核电站发生内外部电源丧失和冷却水丧失的严重事故后，可通过补水管线上的手动隔离阀实现高位水源向乏燃料水池的有效补水，补水速率和水池蒸发损失相匹配，以保证燃料组件的淹没水平。所以需要在满足全厂断电事故（SBO）工况下，乏池完全丧失正常冷却能力时仍具备乏池15.5m 以上液位监测能力，为操作员进行乏池补水操作提供相关参数依据。

本方案以压力式液位测量仪表为手段，提出在乏池冷却泵入口处取压来实现压力信号向液位信号的转换。在SBO 工况下，乏池冷却泵PTR001PO、PTR002PO 出现停运，乏池冷却泵PTR001PO、PTR002PO 取源管口位于乏池15.5m 标高处，此处压力经过迁移计算后与乏池液位成线性关系，通过在 PTR001PO、PTR002PO 入口压力表PTR029LP、PTR030LP 引压管线上引出两路抗震取压管线，接入新增核级压力变送器PTR929MN、PTR930MN，测得冷却泵前入口管线处压力，并进行迁移计算，实现乏池15.5m 以上的液位测量。操作员对乏池补水时需能监测乏池液位，故在补水阀附近安装乏池液位就地显示箱盒，内置两台多功能数字显示表，用于事故后显示乏池液位。整套液位监测装置需满足抗震要求，并由蓄电池实现SBO工况下的电源供应。改进方案流程简图如图1 所示。

图1 乏燃料水池应急补水改进方案流程简图

4.3 可行性分析

该方案通过测量乏池冷却水泵入口管线静压换算得到乏池水位，但严重事故情况下乏燃料厂房的环境压力、蒸发及补水过程中乏池水位水温的变化，连接乏池和冷却水泵的管道内介质参数均会对测量的准确性和精度产生影响。因此需要对乏池冷却系统完全丧失以及执行补水操作过程中的上述参数变化进行分析。压力变送器液位测量示意图如图2 所示。

图2 压力变送器液位测量示意图

乏池热井丧失后，因为乏燃料厂房本身并非完全密闭，而且根据事故规程要求，需在事故后乏池沸腾前，打开乏池房间对外通道（门）来排放蒸汽进行泄压，保证房间内压力和外界压力接近，由此判定事故工况下乏池房间的压力近乎为大气压。

事故后乏池水温逐渐升高，但在达到沸腾前，水位将不会出现明显下降，反而在升温至大量蒸发前会因池水密度变小出现暂时的水位升高。水温升至100℃时，乏燃料释放的热量将依靠池水蒸发带走，乏池水位开始明显下降，操作员需要通过就地显示仪表监测水位变化，当水位降至16.5m 时，开启补水阀对乏池补水，当水位升至19.5m 时，关闭补水阀防止池水溢出乏池。超设计基准事故发生时的机组状态按照对乏燃料水池最不利的情况考虑，即异常工况的完全卸料模式，此时，乏燃料水池的最大热负荷为11.98MW（此为峰值热负荷，随时间推移逐渐衰减）。根据安全分析结论要求，总的补水能力应不低于45m3/h，按此当前补水能力计算，此过程中池水将一直处于沸腾状态。

表2 压力变送器液位测量迁移计算表

表3 乏池仪表改进配置方案

在SBO 工况下，冷却泵PTR001PO、PTR002PO 停运，泵前入口管道至乏池取水口间无隔离阀关断，管道中水流静止，无法与乏池池水对流传热，仅靠热传导对管道中的水加热能力有限，故此垂直下降段的水可取常温（40℃）水进行计算。

依据上述条件，可由迁移公式得出变送器4～20mA 输出信号对应的乏池液位。液位测量迁移计算详见表2。

4.4 仪表技术及安装要求

4.4.1 液位测量仪表技术要求

罗斯蒙特1152GP 压力变送器可以实现乏池液位测量的功能需求，改进后的液位测量仪表配置方案如表3所示。

4.4.2 液位测量仪表安装要求

利用现有PTR001PO、PTR002PO 入口压力测点，可有效降低施工过程中对在役设备造成的改动和影响，通过在压力PTR029LP、PTR030LP 引压管线上各增加一个三通，引出两路满足抗震设计的取压管线，接入核级压力变送器PTR929MN、PTR930MN。

4.4.3 数字显示仪表技术要求

通过数字显示表 （001ID、002ID） 将 PTR929MN、PTR930MN 测得的乏池液位信号在就地予以显示，并设置乏池液位高、低报警，为现场操作人员提供乏池的液位信息，以判断事故状态并执行相关应急操作。

数字显示表技术要求如下：

①输入电源：24VDC，1A；

②信号输入：无源变送器4～20mA；

③显示范围：15.5～19.6m；

④报警值：16.5m，19.5m 声光报警。

设备满足抗震I 类要求，根据安装区域和环境条件确定安全等级和防护等级。

4.4.4 数字显示仪表安装要求

就地显示仪表的安装位置需满足如下条件：

①现场人员操作补水管线手动隔离阀进行应急补水时，应可方便使用该显示仪表监测乏池液位；

②设备安装位置需便于运行人员操作和正常的维护保养；

③需确保数字显示表与压力变送器之间的测量电缆路径畅通。

5 结论

本改进方案主要针对在役电站设计，为超设计基准事故下乏池监视提供了手段，为事故后应急处理提供了重要的参考信息，同时也能有效降低现场施工对在役机组产生的不利影响。通过该改进的实施，可有效解决严重事故下现有配置对乏池液位监测能力不足的问题，采用压力向液位转换的改进方案为乏池严重事故监测提供了一种可行的解决方案。