液位測(cè)量作為工業(yè)生產(chǎn)中重要的參數(shù)之一, 為自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程提供了重要、、可靠的基本信息。在核工程領(lǐng)域, 液位測(cè)量?jī)x表作為重要的測(cè)量?jī)x表, 對(duì)其選型提出了較高要求。本文以某工程試驗(yàn)堆為背景, 對(duì)乏燃料水池的液位檢測(cè)儀表選型進(jìn)行研究, 與核電站乏燃料水池的液位檢測(cè)儀表進(jìn)行對(duì)比和分析, 通過(guò)對(duì)儀表的性能參數(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)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(cè), 需要針對(duì)乏燃料水池特點(diǎn)設(shè)置液位檢測(cè)儀表。目前在役的M310堆型的核電廠原有設(shè)計(jì)中對(duì)液位的檢測(cè)儀表均為非安全級(jí)、無(wú)抗震要求設(shè)備, 作為改進(jìn)項(xiàng)而新補(bǔ)充的液位檢測(cè)儀表與新建ACP1000核電站所采用的檢測(cè)方法也不盡相同。因此根據(jù)堆運(yùn)行特點(diǎn), 從儀表的性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)型等方面找到合適于本工程試驗(yàn)堆乏燃料水池液位檢測(cè)的液位儀表, 是本工程液位儀表選型的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

  在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中, 用于液位測(cè)量的方法很多, 下面介紹幾種常用的液位測(cè)量?jī)x表。差壓式測(cè)量原理是通過(guò)計(jì)算液位頂部與底部差壓。主要包括壓力式液位計(jì)、差壓式液位 (或界面) 計(jì)、吹氣法壓力式液位計(jì)等。浮力平衡式測(cè)量原理是通過(guò)檢測(cè)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(jì)、伺服型浮子液位計(jì)、浮筒液位計(jì)、磁翻板液位計(jì)等。

  電氣式測(cè)量原理是利用被測(cè)介質(zhì)不同的電氣性能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的測(cè)量。此類儀表主要包括以下幾種:超聲波式測(cè)量原理利用超聲波碰到液面 (界面) 產(chǎn)生反射機(jī)械波的原理, 測(cè)出發(fā)射和反射的時(shí)間差, 從而計(jì)算出液面高度。該類儀表發(fā)出的是機(jī)械波, 因此在真空環(huán)境下, 無(wú)法使用該類儀表。同時(shí)在選型及安裝時(shí)需要注意超聲波液位計(jì)的測(cè)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(zhǔn)確性。

  雷達(dá)式測(cè)量原理是通過(guò)向被測(cè)一面發(fā)射電磁波, 計(jì)算電磁波與發(fā)射的時(shí)間差, 從而計(jì)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(cè)量, 由于雷達(dá)式液位計(jì)產(chǎn)生電磁波, 因此可以用在真空環(huán)境下的液位測(cè)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(yùn)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(shí)間約為250h, 從低水位蒸發(fā)至低低水位所需時(shí)間約為125h, 當(dāng)達(dá)到低低水位時(shí), 運(yùn)行人員應(yīng)盡快手動(dòng)向水池補(bǔ)水。乏燃料水池液位檢測(cè)示意圖見(jiàn)圖1所示。

  日本福島核事故發(fā)生后, 加強(qiáng)對(duì)乏燃料水池的各種狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 以提示操縱員進(jìn)行相關(guān)操作。對(duì)于其液位測(cè)量?jī)x表有以下要求:, 設(shè)備安全分級(jí):NC+ (滿足抗震以及運(yùn)行期間環(huán)境的要求) 。第二, 運(yùn)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(cè)量中, 測(cè)量范圍為 (-1.0m~4.65m) , 輻照按照燃料組件不裸露進(jìn)行考慮, 儀表要求具有抗震功能。

  目前, 可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量液位計(jì)比如超聲波、吹氣法或浮球式等都無(wú)法滿足乏燃料水池水位檢測(cè)功能的要求, 只能選擇安全級(jí)液位儀表, 如核級(jí)靜壓式液位變送器、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)、熱擴(kuò)散式液位變送器、核級(jí)壓力變送器/核級(jí)差壓變送器。

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

  (2) 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)。采用分體式安裝的桿式導(dǎo)波雷達(dá)如VEGA FX61, 對(duì)水池液位進(jìn)行連續(xù)量測(cè)量。該儀表安全等級(jí)為NC級(jí), 結(jié)構(gòu)抗震。該儀表基于電磁波的時(shí)域反射原理, 能夠用于對(duì)乏池等水池液位連續(xù)測(cè)量, 受環(huán)境影響小, 測(cè)量精度高, 不需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn), 也不需要通過(guò)遷移來(lái)改變儀表量程;安裝在水池側(cè)壁, 便于現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)。目前導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)無(wú)法做到功能抗震, 在地震條件下, 該儀表的輸出信號(hào)不可靠。該設(shè)備已通過(guò)抗震鑒定 (結(jié)構(gòu)抗震) , 其測(cè)量范圍為660mm, 無(wú)法覆蓋本工程要求的測(cè)量范圍 (測(cè)量范圍5.65m) 。

  (3) 熱擴(kuò)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(jìn)行液位測(cè)量。為了補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)于測(cè)量的影響, 需設(shè)置補(bǔ)償電阻。

  FCI-86連續(xù)液位監(jiān)測(cè)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(jí)為1E級(jí), 傳感器為K1類, 變送器為K3類, 精度為±100mm。該儀表可以實(shí)現(xiàn)乏燃料水池水位的連續(xù)檢測(cè)。

  (4) 核級(jí)壓力變送器。對(duì)于核級(jí)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(yuǎn)傳裝置一側(cè)帶T型或C型接頭, 或者兩側(cè)均帶遠(yuǎn)傳裝置。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)的壓力通過(guò)引壓管或遠(yuǎn)傳毛細(xì)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(cè)量電路轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。該儀表可以在某工程實(shí)驗(yàn)堆工程抗震要求的條件下工作;測(cè)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(diǎn):液位變送器具有核級(jí)鑒定報(bào)告, 并且具有國(guó)內(nèi)核電站的運(yùn)用業(yè)績(jī);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(zhǎng)周期內(nèi)免校驗(yàn)。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(jìn)行固定。變送器的遠(yuǎn)傳法蘭通過(guò)螺母連接至套管的底部。

  結(jié)合本工程的特殊性, 經(jīng)過(guò)各個(gè)方面的綜合比較, 本工程乏燃料水池的液位測(cè)量采用遠(yuǎn)傳式毛細(xì)管壓力變送器。上述原理液位選型對(duì)比見(jiàn)表1所示。

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