液位測量作為工業(yè)生產(chǎn)中重要的參數(shù)之一, 為自動調(diào)節(jié)和控制整個生產(chǎn)過程提供了重要、、可靠的基本信息。在核工程領(lǐng)域, 液位測量儀表作為重要的測量儀表, 對其選型提出了較高要求。本文以某工程試驗堆為背景, 對乏燃料水池的液位檢測儀表選型進行研究, 與核電站乏燃料水池的液位檢測儀表進行對比和分析, 通過對儀表的性能參數(shù)、經(jīng)濟等方面進行比較, 選擇出更適合本工程的液位儀表。

  當(dāng)反應(yīng)堆卸料后, 將乏燃料組件貯存在乏燃料水池中。為了滿足在地震條件下能夠?qū)Ψθ剂纤匾何坏谋O(jiān)測, 需要針對乏燃料水池特點設(shè)置液位檢測儀表。目前在役的M310堆型的核電廠原有設(shè)計中對液位的檢測儀表均為非安全級、無抗震要求設(shè)備, 作為改進項而新補充的液位檢測儀表與新建ACP1000核電站所采用的檢測方法也不盡相同。因此根據(jù)堆運行特點, 從儀表的性能、可靠性、經(jīng)濟型等方面找到合適于本工程試驗堆乏燃料水池液位檢測的液位儀表, 是本工程液位儀表選型的重點和難點。

  在工業(yè)生產(chǎn)過程中, 用于液位測量的方法很多, 下面介紹幾種常用的液位測量儀表。差壓式測量原理是通過計算液位頂部與底部差壓。主要包括壓力式液位計、差壓式液位 (或界面) 計、吹氣法壓力式液位計等。浮力平衡式測量原理是通過檢測漂浮在液面的浮子或沉浸在液體中的浮筒的位移。主要包括:浮子式液位計、伺服型浮子液位計、浮筒液位計、磁翻板液位計等。

  電氣式測量原理是利用被測介質(zhì)不同的電氣性能來實現(xiàn)對液位的測量。此類儀表主要包括以下幾種:超聲波式測量原理利用超聲波碰到液面 (界面) 產(chǎn)生反射機械波的原理, 測出發(fā)射和反射的時間差, 從而計算出液面高度。該類儀表發(fā)出的是機械波, 因此在真空環(huán)境下, 無法使用該類儀表。同時在選型及安裝時需要注意超聲波液位計的測量盲區(qū), 不能與容器壁及其他能反射聲波的構(gòu)建接觸, 降低準確性。

  雷達式測量原理是通過向被測一面發(fā)射電磁波, 計算電磁波與發(fā)射的時間差, 從而計算出液面高度。該類儀表可用于具有放射性、腐蝕性、易燃、易爆等介質(zhì)的液位測量, 由于雷達式液位計產(chǎn)生電磁波, 因此可以用在真空環(huán)境下的液位測量[1]。

  在反應(yīng)堆換料期間, 乏燃料組件暫存在乏燃料水池, 并且冷卻回路持續(xù)運行, 將衰變熱排出。乏燃料水池內(nèi)溫度不高于40℃。正常工況下, 水池溫度≤40℃, 池水蒸發(fā)速率約為1.6kg/ (h.m2) , 不考慮水池泄漏和其他水量損失, 池水從高水位蒸發(fā)至低水位所用時間約為250h, 從低水位蒸發(fā)至低低水位所需時間約為125h, 當(dāng)達到低低水位時, 運行人員應(yīng)盡快手動向水池補水。乏燃料水池液位檢測示意圖見圖1所示。

  日本福島核事故發(fā)生后, 加強對乏燃料水池的各種狀態(tài)的實時監(jiān)測, 以提示操縱員進行相關(guān)操作。對于其液位測量儀表有以下要求:, 設(shè)備安全分級:NC+ (滿足抗震以及運行期間環(huán)境的要求) 。第二, 運行期間環(huán)境:池水中, 溫度:0~133.5℃;大氣壓力:0.1~100KPa;輻照劑量率:≤2.3k Gy/h (-1.0m) 。第三, 在乏燃料水池液位測量中, 測量范圍為 (-1.0m~4.65m) , 輻照按照燃料組件不裸露進行考慮, 儀表要求具有抗震功能。

  目前, 可以實現(xiàn)連續(xù)測量液位計比如超聲波、吹氣法或浮球式等都無法滿足乏燃料水池水位檢測功能的要求, 只能選擇安全級液位儀表, 如核級靜壓式液位變送器、導(dǎo)波雷達液位計、熱擴散式液位變送器、核級壓力變送器/核級差壓變送器。

  (1) 靜壓式液位變送器。例如Baumer ED752核級靜壓式液位變送器, 該儀表安全等級為1E級, 質(zhì)量鑒定為K3類, 由于該液位變送器無法滿足耐輻照要求, 因此在乏燃料水池的液位檢測中, 該儀表不適用。

  (2) 導(dǎo)波雷達液位計。采用分體式安裝的桿式導(dǎo)波雷達如VEGA FX61, 對水池液位進行連續(xù)量測量。該儀表安全等級為NC級, 結(jié)構(gòu)抗震。該儀表基于電磁波的時域反射原理, 能夠用于對乏池等水池液位連續(xù)測量, 受環(huán)境影響小, 測量精度高, 不需要進行現(xiàn)場校驗, 也不需要通過遷移來改變儀表量程;安裝在水池側(cè)壁, 便于現(xiàn)場檢修維護。目前導(dǎo)波雷達液位計無法做到功能抗震, 在地震條件下, 該儀表的輸出信號不可靠。該設(shè)備已通過抗震鑒定 (結(jié)構(gòu)抗震) , 其測量范圍為660mm, 無法覆蓋本工程要求的測量范圍 (測量范圍5.65m) 。

  (3) 熱擴散式液位傳感器。由一組加熱的熱電阻和一組常溫的熱電阻組成, 利用液體與空氣的導(dǎo)熱系數(shù)差的原理進行液位測量。為了補償環(huán)境溫度對于測量的影響, 需設(shè)置補償電阻。

  FCI-86連續(xù)液位監(jiān)測儀表, 該儀表包括傳感器和變送器兩部分, 分體安裝。該儀表安全等級為1E級, 傳感器為K1類, 變送器為K3類, 精度為±100mm。該儀表可以實現(xiàn)乏燃料水池水位的連續(xù)檢測。

  (4) 核級壓力變送器。對于核級壓力/差壓變送器主要采用電容式變送器例如Rosemount 1154DP系列, 一側(cè)帶遠傳裝置一側(cè)帶T型或C型接頭, 或者兩側(cè)均帶遠傳裝置。當(dāng)被測介質(zhì)的壓力通過引壓管或遠傳毛細管將傳導(dǎo)至感壓膜片上, 利用膜片之間的位移, 感壓膜片和兩電容極板之間的電容差經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標準信號輸出。該儀表可以在某工程實驗堆工程抗震要求的條件下工作;測量范圍也能夠覆蓋工藝專業(yè)提出要求。該儀表具備以下特點:液位變送器具有核級鑒定報告, 并且具有國內(nèi)核電站的運用業(yè)績;液位儀表壽命至少10年以上, 液位儀表穩(wěn)定性較好, 可在較長周期內(nèi)免校驗。由于考慮到設(shè)備的抗震性能, 因此在安裝支架的做法上, 在乏燃料水池鋼敷面預(yù)埋鋼板, 將套管焊接在預(yù)埋板上進行固定。變送器的遠傳法蘭通過螺母連接至套管的底部。

  結(jié)合本工程的特殊性, 經(jīng)過各個方面的綜合比較, 本工程乏燃料水池的液位測量采用遠傳式毛細管壓力變送器。上述原理液位選型對比見表1所示。

  針對本工程乏燃料水池的液位檢測要求, 對幾種具有代表型非核級和核級液位儀表的選型研究和設(shè)計。通過對各種液位檢測儀表的各個方面的比較, 優(yōu)化了乏燃料水池的液位檢測儀表選型設(shè)計為后續(xù)相關(guān)工程的乏燃料水池液位檢測儀表選型方案提供了借鑒經(jīng)驗。