6000型水位测量仪表测量偏差分析与处理

刘建光，徐建飞，李 剑

(中广核工程有限公司，广东 深圳 518124)

0 引言

CPR1000核电机组中，反应堆冷却剂系统(reactor coolant system，RCP)的RCP 090MN～RCP095MN液位仪表应用于堆芯水位测量，尤其是在发生冷却剂丧失事故(loss of coolant accident,LOCA)情况下,为操作员提供准确的堆芯液位监测信号，保证机组安全稳定[1]。其中:RCP090MN、RCP091MN为窄量程液位测量仪表；RCP092MN、RCP093MN为宽量程液位测量仪表；RCP094MN、RCP095MN为参考液位测量仪表。6块仪表在不同工况下提供液位测量信号。CPR1000核电机组中，RCP094MN、RCPO95MN正负压侧隔离膜盒高度差比理论值高150 mm，RCP090MN～RCP093MN负压侧隔离膜盒的安装高度超出设计高度32 mm。上述安装偏差都会影响堆芯液位测量的准确性，对操作员产生误导，不利于反应堆的安全、可靠运行[2]。

本文对6000型水位测量仪表偏差进行分析和处理，保证了反应堆冷却剂系统堆芯水位测量的准确性，同时为变密度条件下的仪表迁移提供详细的理论计算方法。

1 测量原理

压力容器液位测量仪表为差压式6000型变送器，属于电站1E级K1类级设备，带2个隔离器，主要分类如下。

①窄量程：RCP090MN、RCP091MN(-110～+40 kPa)。

②宽量程：RCP092MN、RCP093MN(-140～+270 kPa)。

③参考：RCP094MN、RCP095MN(-140.0～-26.5 kPa)。

堆芯水位测量仪表安装如图1所示。

图1 堆芯水位测量仪表安装示意图

当安全壳内发生LOCA时，反应堆堆芯内液位可能下降。此时利用RCP090MN～RCP093MN监测堆芯淹没情况。RCP090MN～RCP093MN的变送器正压侧通过毛细管与压力容器底部相连，负压侧通过毛细管与压力容器顶部相连。变送器变送的压差ΔP1为：

ΔP1=(H-h)γV+hγL-HγL1

(1)

式中：H为压力容器水位测量高度;h为压力容器水位;γL为压力容器内水的重度;γV为压力容器内蒸汽的重度;γL1为毛细管内水的重度。

毛细管安置在安全壳内。其中，水是密封不流通的。故γL1只随环境温度的变化而变化。安全壳内的温度在失水事故时升高，致使毛细管内水的重度减少，造成测量误差。为了消除这个误差，本文增加了RCP094MN和RCP095MN，并将其置于同一环境。这将修正堆芯冷却监测系统(core cooling monitoring system,CCMS)堆芯水位测量计算中反应堆厂房环境温度对堆芯水位测量的影响。

RCP094MN和RCP095MN的压差ΔP2为：

ΔP2=0-HγL1

(2)

式(1)与式(2)相减，得：

ΔP1=(H-h)γV+hγL+ΔP2

(3)

按照式(3)计算ΔP2的理论值，要求式(3)中H等于压力容器高度，即RCP094MN和RCP095MN的正负侧隔离膜盒安装高度差要等于H，否则式(3)就会引入新的误差。

堆芯水位测量原理如图2所示。

图2 堆芯水位测量原理图

2 测量误差分析

RCP094MN和RCP095MN实际安装高度如图3所示。图3中：正压侧隔离膜盒安装设计高度要求为827 mm，现场实际高度为677 mm；负压侧隔离膜盒安装设计高度要求为13 350 mm，现场实际高度为13 350 mm。RCP094MN、RCP095MN仪表正压侧隔离膜盒实际安装高度与设计高度理论值偏差150 mm，导致正负压侧隔离膜盒高度差比理论值高150 mm，RCP094MN、RCP095MN测量出的压力值比理论值偏低，从而影响CCMS中堆芯水位测量的准确性。

图3 RCP094MN和RCP095MN实际安装高度

RCP094MN和RCP095MN仪表量程为-140.0～-26.5 kPa。当前状态下正负压侧隔离膜盒高度差将导致压力偏差-1.467 kPa，引起误差1.3%。

RCP090MN～RCP093MN负压侧高度增加32 mm，相比于式(1)设计压差，RCP090MN～RCP093MN测量的压差ΔP实际为:

ΔP实际=(H+ΔH-h)γV+hγL-(H+ΔH)γL1

(4)

ΔP实际与理论压差值相差ΔH(γV-γL1),导致测量的实际液位比真实液位偏低。由于安全壳内温度不是1个恒定值，尤其是在LOCA情况下，安全壳内的温度一直在变化，因此γL1也一直是1个变化量。

RCP090MN～RCP095MN不可用，将影响堆芯水位测量的功能。在反应堆一回路封闭情况下,运行技术规范要求检修工作必须在3 d内完成，否则机组状态需要后撤[3]。

3 处理方案

3.1 RCP094MN和RCP05MN处理方案

通过查看仪表现场实际安装情况，可以确认如果采用调整膜盒实际高度的处理方法，需要将与膜盒相连的毛细管重新布置并调整弯曲度。处理过程中会出现毛细管弯曲过度或不满足最小弯曲半径要求的情况，影响毛细管使用寿命，因此只能采取仪表迁移方案。

3.1.1 常规迁移方式

目前，核电站中普遍采用的液位传感器主要是差压式液位传感器。差压式液位传感器通过测量变送器正负压侧之间压差的方法对液位进行测量[4]。应用差压变送器测量液面时，如果差压变送器的正、负压室与容器的取压点处在同一水平面上，就不需要迁移。而在实际应用中，出于对设备安装位置和便于维护等方面的考虑，测量仪表不一定都能与取压点在同一水平面上。如被测介质是强腐蚀性或重粘度的液体，则不能直接把介质引入测压仪表，而必须安装隔离液罐，用隔离液来传递压力信号，以防止测量仪表被腐蚀。这时就要考虑介质和隔离液的液柱对测压仪表读数的影响[5]。为了正确指示液位的高度，差压变送器必须作一些技术处理，即迁移。迁移分为无迁移、负迁移和正迁移。

①无迁移。

无迁移是将差压变送器的正、负压室与容器的取压点安装在同一水平面上。无迁移原理如图4所示。

变送器变送的压差ΔP无迁移如式(5)所示。

ΔP无迁移=PB-PA=ρgh+PA-PA=ρgh

(5)

式中：ΔP无迁移为无迁移变送器变送的压差值;PA为A点的压力;PB为B点的压力;ρ为被测介质的密度;g为重力加速度。

如果容器为敞口容器、PA为大气压力，则ΔP无迁移=PB=ρgh。由此可见，如果差压变送器正压室和取压点相连，负压室通大气，通过测B点的表压力就可知液面的高度。当液面由h=0变化为h=hmax时，差压变送器所测得的差压由ΔP无迁移=0变为ΔP无迁移=ρghmax，输出由4 mA变为20 mA[6]。

②负迁移。

负迁移原理如图5所示。

图5 负迁移原理图

为了防止密闭容器内的液体或气体进入差压变送器的取压室，造成引压管线的堵塞或腐蚀，在差压变送器的正、负压室与取压点之间分别装有隔离液罐，并充以隔离液，其密度为ρ1。则：

ΔP负迁移=PB-PA=ρ1gh高+ρgH高-ρ1g(h高+H高)

(6)

式中：ΔP负迁移为负迁移变送器变送的压差值;ρ1为隔离液罐中液体密度;H高为被测液体高度;h高为变送器到正压侧取压口高度。

当测量高度为0时，ΔP负迁移=-ρ1gH，在差压变送器的负压室存在静压力，使差压变送器的输出小于4 mA。当测量高度为H时，ΔP负迁移=(ρ-ρ1)gH，由于在实际工作中ρ1>ρ，所以在最高液位时，负压室的压力也远大于正压室的压力，使仪表输出仍小于实际液面所对应的仪表输出。这样就破坏了变送器输出与液位之间的正常关系。为了使仪表输出和实际液面相对应，就必须把负压室引压管线这段H液柱产生的静压力消除掉。要想消除这段静压差，就必须将变送器进行负向迁移。

③正迁移。

正迁移原理如图6所示。

图6 正迁移原理图

图6中容器为敞口容器。差压变送器的位置比最低液位低h的距离。变送器变送的压差为：

ΔP正迁移=ρgH+ρ环gh

(7)

式中:ΔP正迁移为正迁移变送器变送的压差值;ρ环为环境中液体密度[7]。

当H=0时，ΔP正迁移=ρ环gh，在差压变送器正压室存在静压力，使其输出大于4 mA。当H=Hmax时，ΔP正迁移=ρgH+ρ环gh，变送器输出也远大于20 mA。因此必须把这段静压力消除掉。这就是正迁移。

3.1.2 等比例迁移法

上述所采用的迁移方法都是恒定量的迁移方法，只要根据仪表的高度进行相应的正迁移或负迁移即可。RCP094MN和RCP095MN堆芯水位测量仪表为6000型变送器，与常规的仪表在测量原理和应用场景上都存在区别。为了能够在LOCA发生时监测堆芯淹没情况，6000型变送器设置分体结构，主要包括变送器本体、正负压侧隔离膜盒、传递压力信号的毛细管以及独立的信号处理单元[8]。由于机组正常运行期间以及发生LOCA情况下安全壳内不同楼层、不同房间环境温度都不相同，导致处在安全壳毛细管内水的密度也随温度的变化而变化。因此，当出现安装高度与设计高度存在偏差时，如果采用传统的恒定量的迁移方法，由于管线中各管段密度不同，必定会引入误差，不能真实表征堆芯水位的测量精度。此时，不能采用常规的仪表迁移方式对仪表进行迁移[9]。

RCP094MN和RCP095MN仪表中的参考液柱高度H是常量，参考液柱压差ΔP2=0-HγL1与毛细管中的密度成正比，对于同一密度下所测的压差仅与高度H成正比，现场仪表正、负压侧隔离膜盒高度差由(理论参考液柱高度H1)12 523 mm变为12 673 mm(实际参考液柱高度H2)。因此，通过H2和H1的比值对仪表量程进行迁移，可解决安装高度差引起的测量压力偏差。

按照设计理论值计算，RCP094MN和RCP095MN仪表压力应为：

P标准=ρgH1

(8)

式中:P标准为理论压差。

仪表迁移方案实施后，RCP094MN和RCP095MN仪表压力为：

(9)

式中:P迁移后为迁移后的压差。

仪表侧按照调整后量程(-141.677～-26.817 kPa)对应4～20 mA的关系进行仪表迁移。通过计算过程可知，仪表迁移的方式能够使RCP094MN和RCP095MN真实反映设计高度12 523 mm对应的真实压力，消除1.3%的误差，从而使CCMS堆芯水位测量准确。

3.2 RCP090MN～RCP093MN处理方案

RCP090NN～RCP093MN的负压侧隔离膜盒比设计高度13 350 mm高了32 mm。如果把负压侧隔离膜盒整体下移32 mm，就会在A、B之间产生1个32 mm的落差。

调整方案如图7所示。

图7 调整方案示意图

当反应堆排水至泄压模式时，A1、B1两点之间有水，会对负压侧隔离膜盒附加1个32 mm的水柱压力，导致RCP090MN～RCP093MN测量产生偏差(如果A1、B1两点之间呈水平，泄压模式下即使有水也不会对膜盒产生附加压力)。

因此，本文采取的修正方案为保持膜盒高度不变，保证取压管线和膜盒水平高度一致，通过迁移的方式消除高出的32 mm产生的压差。但是根据式(1)可知RCP090MN～RCP093MN仪表感受的压差，则偏高后实际的压差为:

ΔP=(H-h)γV+hγL-(H+ΔH)γL1

(10)

式中：ΔH为负压侧隔离膜盒实际安装高度与理论安装高度之差。

因此，负压侧隔离膜盒安装偏高后产生的偏差为ΔHγL1。由于变送器感受的压差与高度不是成正比例的关系，因此不能对RCP094MN、RCPO95MN采用等比例的迁移方式。

在计算迁移量的过程中毛细管中液体的密度为:

ρL1=ρ(TCON,PRCP+PCON)

(11)

式中：ρL1为毛细管中液体的密度;TCON为安全壳内环境温度;PRCP为反应堆一回路压力;PCON为安全壳内环境压力。

所以毛细管中水的密度是和TCON、PRCP+PCON这2个参数相关的。TCON的范围定义为10～156 ℃[10]。由于不同温度和压力下32 mm对应的压力基本恒定偏差很小，最大偏差小于0.03 kPa，因此经设计确认采用平均值0.27 kPa作为恒定迁移量的恒定数值进行迁移。压差计算如表1所示。

表1 压差计算表

迁移后仪表的量程如下，能够真实测量压力容器水位。

①RCP090MN和RCP091MN的量程为-109.73～+39.73 kPa。

②RCP092MN和RCP093MN的量程为-139.73～+269.73 kPa。

4 结论

6000型堆芯水位测量仪表用于反应堆正常充、排水期间为操作员提供反应堆水位信息，在反应堆LOCA发生时监测反应堆堆芯淹没情况，保证机组安全。由于LOCA情况下安全壳毛细管内水的重度随温度的变化而变化，因此当出现仪表或膜盒安装高度与设计高度存在偏差时，不能采用常规仪表恒定密度的迁移方式对仪表进行迁移。本文针对CPR1000核电机组反应堆堆芯参考液位计RCP094MN和RCP095MN正负压侧隔离膜盒高度偏差问题，采用等比例迁移的方式进行仪表迁移处理。针对RCP090MN～RCP093MN负压侧隔离膜盒安装高度偏差问题，由于测量原理同时与压力容器内蒸汽重度和毛细管内液体密度两个变量相关，因此不能采用等比例的迁移方式。通过对不同压力、不同环境下的重度偏差定量分析，对其采用恒定迁移量方式。仪表调整后通过反应堆水位仪表试验验证，确认仪表工作正常，满足设计准则要求。本研究保证了在正常冲排水以及LOCA事故工况下能够实现反应堆水池液位正常监测和满足机组的安全需求。同时，相关分析方法和迁移方法能够为其他变量密度的仪表迁移方式提供借鉴。