基于熱擴散原理的壓力容器水位測量系統設計

徐思捷 王雪梅 吳茜 呂鑫 朱毖微

【摘 要】為實現核動力裝置事故后壓力容器水位監測，設計了基于熱擴散式水位探測器的壓力容器水位測量系統。該系統由熱擴散式水位探測器和信號處理機柜構成。熱擴散式水位探測器測量關鍵點水位，信號處理機柜采集探測器信號，并為探測器提供加熱電流，對數據進行處理，判斷水位測點情況，顯示液位情況并發出報警信號。系統具有測量直觀，信號處理簡單等特點，能提高核動力裝置的安全性和可靠性。

【關鍵詞】熱擴散；水位測量；系統設計

中圖分類號： TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 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 detectors 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

反應堆壓力容器水位測量在反應堆中對嚴重事故緩解后果有著重要影響。傳統的反應堆測量系統中，操縱員在事故發生時無法得到反應堆壓力容器直接的、真實的水位，在缺乏堆芯水位測量時，操縱員只能穩壓器水位測量進行判斷。但在三哩島事故發生時，當操縱員看到穩壓器有水位顯示，就認為堆芯處于完全淹沒狀態，而沒有意識到反應堆壓力容器里蒸汽的存在。在三哩島事故過后，美國NRC要求所有的反應堆必須設置反應堆壓力容器水位測量系統。

傳統的壓力容器水位測量系統基于差壓法，其需要在反應堆底部開孔取壓，并且信號處理復雜，需要外部信號較多，測量不夠直觀。

基于熱擴散原理設計壓力容器水位測量，對事故后關鍵點水位進行監測，測量準確直觀，信號處理較為簡單。

1 系統需求

水位測量系統作為事故后監測系統的一部分，主要功能需求是判斷事故后壓力容器內4個關鍵點水位，并對操縱員進行報警。根據系統需求，水位測量系統的設計應重點考慮以下幾點：

（1）由于系統主要用于事故后監測，必須在事故后的工況和環境條件下工作；

（2）快速準確地判斷關鍵點水位；

（3）系統應便于調試和維修；

（4）系統元件的可靠性；

（5）滿足其他設計準則的要求。

2 系統設計

系統的結構圖如1所示。

水位測量系統由熱擴散式水位探測器、電氣連接件、信號處理機柜和上位機組成。為了滿足安全性和可用性要求，水位測量系統采用冗余設計，設置A、B兩個測量系列，每個系列獨立對4個關鍵點水位進行監測，任何一個系列故障不影響另一個系列的正常運行。

2.1 熱擴散式水位探測器

熱擴散式水位探測器基于熱擴散原理，利用水、水蒸氣熱導率較大的差異來判斷水位測點是否被水淹沒從而測量壓力容器內指定高度點的水位[1]。水位探測器組件從壓力容器頂蓋垂直插入至壓力容器內指定高度點，水位探測器組件通過密封裝置與壓力容器頂蓋實現密封。水位探測器組件輸出信號和電加熱器供電信號通過電連接器，經電纜傳輸至信號處理機柜，信號處理機柜為電加熱器提供加熱電流，并計算主動端熱電偶和參考端熱電偶之間的溫差從而判斷水位測點是否被水淹沒。

每個水位探測器含有兩個測點，根據測點的位置不同分為Ⅰ型和Ⅱ型，每個測量系列包含2支不同類型的探測器組件。為減少水位測量系統二次儀表部分的干擾，探測器采用絕緣型，熱電偶與探測器外殼之間采用MgO進行填充。

水位探測器通過堆芯測量密封機構固定在壓力容器上部，插入壓力容器內有導向機構，并在探測器底部進行徑向限位。

探測器組件需監測事故后水位，為保證探測器能在壓力容器事故后工況下工作，探測器包括其電氣連接器和連接電纜，都需要按照環境條件要求進行正常工況下和事故后工況下的鑒定試驗，電氣連接器和連接電纜應滿足K1類鑒定要求。

2.2 信號處理機柜

信號處理機柜也分為A列和B列，A列機柜包括1臺顯示和輸出機箱，1臺信號采集處理機箱和1臺電源機箱。B列機柜包括1臺信號采集處理機箱和1臺電源機箱。A列機柜的顯示和輸出機箱同時顯示A、B列數據。

信號采集處理機箱包含溫度采集單元、CAN通訊單元、控制器單元、開關量輸出單元、模擬量輸出單元和電源單元。溫度采集單元用于采集水位探測器的熱電偶信號和Pt100鉑電阻信號，每個探測器共4路熱電偶信號以及1路Pt100溫度信號?？刂破鲉卧鶕杉降臏囟刃盘?，判斷關鍵點是否被淹沒，并向開關量輸出單元輸出；同時，控制器單元還需要根據預定的程序計算出加熱電流，并向電源機柜輸出控制信號。信號采集處理機箱的數據通過CAN通訊單元傳輸到顯示和輸出單元。

電源機箱需要為本列機柜提供220V供電電源，同時需要為2個探測器提供加熱電源。電源機箱上設置斷路器，實現整個機柜電源的保護。機箱內部設置EMC濾波器用于輸入電源濾波。加熱電源需要具備的特性如下：

-輸出電壓：0V-48V

-輸出電流：0A-2.1A；

-調節方式：4mA-20mA對應0A-2.1A輸出電流。

3 數據處理

3.1 加熱電流計算

系統對加熱電流的計算主要依據水位探測器供應商提供的各個溫度平臺與加熱電流的對應關系，插值計算得到當前溫度平臺下所需的加熱電流。

3.2 水位判斷

系統是通過水位測點主動端熱電偶與參考端熱電偶的差值是否達到閾值來判斷水位測點是否浸沒在水中。閾值的確定包括兩個方面的因素：一是各個溫度平臺下，主被動端熱電偶都在水中時的實際溫差，主要是通過供應商提供的各個溫度平臺和每個測點的實際溫差的對應關系，插值計算得到；二是當水位下降，主動端熱電偶暴露在空氣中，主動端熱電偶和參考端熱電偶的溫差的變化值，由于在水位下降時，溫度需要很長時間才能達到穩定，為提高響應時間，通過對探測器的標定，選取溫差變化超過某一閾值即判定水位測點露出水面。二者相加得到當前溫度平臺下的閾值。

3.3 數據可用性檢查

系統在開始運行時對所有模擬量信號進行電氣量程檢查，如果信號超出量程范圍，則認為該路信號不可用。在運行過程中，對所有熱電偶進行在線監測，如熱點偶出現斷線，則溫度會超出量程范圍，此時發出報警信號，并且該路信號再后續處理中將被剔除。

4 結束語

本文根據壓力容器事故后水位監測需求，完成了基于熱擴散式的壓力容器水位測量系統的設計，相對于以前的水位測量系統，信號處理簡單，不需其他外部信號，提高了核動力裝置的安全性和可靠性。

【參考文獻】

[1]喬弘，田亮，電熱式液位計設計[J].儀表技術與傳感器，2003，11：12-15.

[2]孫炯，查美生，鎧裝旁熱式熱電偶水位傳感器的實驗研究[J].工業儀表與自動化裝置，2012，2：8-16.