華龍一號核電廠內置換料水箱鋼襯里焊縫泄漏監測裝置研究
日期:2019-04-07 來源:中國核電工程有限公司 作者:
摘 要: 提出一種“華龍一號”核電廠內置換料水箱( IRWST) 鋼襯里焊縫泄漏監測裝置,鑒于該裝置安裝環境的特殊性,通過對核電廠常用頂裝液位監測儀表包括機械纜式液位開關、頂裝磁浮子液位開關、頂裝磁翻板液位計、導波雷達液位變送器、浮筒液位變送器以及壓力法測液位等各類儀表進行適用性分析,對比其優缺點,zui終選擇電浮筒液位變送器作為高性價比、高可靠性的設計方案,它能準確監測安注系統內置換料水箱鋼襯里焊縫泄漏,及時報警,保證系統穩定運行; 同時可大大節省安裝空間,不用定期調校,便于維護。
引言
華龍一號核電廠安注系統在換料冷停堆期間,有向反應堆換料水池充水的功能,該功能由內置換料水箱( IRWST) 完成。IRWST 能提供足夠的含硼水: 在換料操作之前充滿反應堆換料水池; 在 LOCA 或蒸汽管線破裂事故工況下,為安全注入( RSI) 泵和安全殼噴淋( CSP) 泵供水; 同時也作為堆腔注水冷卻系統 CIS能動部分的水源。
內置換料水箱位于安全殼內的zui低的位置,兼做安全殼地坑,收集 LOCA 事故工況下通過破口進入安全殼的反應堆冷卻劑,并收集安噴系統投入后的噴淋水。內置換料水箱的水量要求保證換料期間使換料水池建立足夠高的液位,并保證事故工況下內置換料水箱的液位滿足安注泵和安噴泵有效運行所需的汽蝕余量要求。由此可見,準確及時的對內置換料水箱的鋼襯里焊縫泄漏進行監測報警具有重要意義。本文在分析泄漏監測要求及安裝環境后提出一種可準確監測內置換料水箱鋼襯里泄漏的監測裝置,證明其合理可行及非常好的性。
1 內置換料水箱鋼襯里焊縫泄漏監測要求
內置換料水箱為混凝土結構并覆有不銹鋼襯里,是安全殼結構的一部分,位于安全殼內的zui底層,底標高為-6. 7 m。如果 IRWST 出現泄漏,則泄漏水由位于鋼敷面外側的收集管道收集并通過核島疏水排氣系統( RVD) 監測和排放。
一般情況下,水箱鋼襯里的泄漏測量裝置是在水箱外設置一小型儲水箱。換熱水箱鋼襯里焊縫處下面的混凝土中埋有泄漏收集管道,通過管道與泄漏儲水箱連接,再經儲水箱定期將泄漏的水排放到地坑收集。通過側底裝外浮筒液位開關[1-2]檢測儲水箱的液位,當液位達到一定高度時,發出報警,表明水箱鋼襯里產生了泄漏,提醒電廠運行人員檢查并處理系統泄漏。
但是這種常規的設計在內置換料水箱鋼襯里泄漏監測中并不適用。因為內置換料水箱已經位于安全殼內的zui低的位置,泄漏收集裝置只能埋在混凝土中,為了能實現泄漏監測,考慮采用頂裝液位測量方式,在鋼敷面引漏管下方預埋一個泄漏收集水箱,水箱上部除接收引漏管外還需要開孔用于安裝液位探測裝置。根據鋼敷面焊縫位置的設計在內置換料水箱zui低點( 伐基) 底部設置預埋水箱,伐基底部標高為-9. 2 m,水箱上部液位探測裝置安裝孔與一根不銹鋼管連接,不銹鋼管一直向上引到-3. 3 m 層樓板上方,因內置換料水箱正常運行時儲水,沒有儀表安裝位置和維修空間。布置設計示意圖如圖 1 所示。
2 內置換料水箱鋼襯里焊縫泄漏監測儀表選型研究
鑒于上述設計,液位傳感器需要從-3. 3 m 標高下探到-9. 2 m 以下的收集水箱中,長度約 6 m,要求收集水箱中在收集到泄漏液體后盡早報警,即報警液位盡量低,同時不銹鋼管上部不要求密封,環境條件為常溫常壓,但預埋的收集水箱只有泄漏收集沒有排出口,所以就要求選擇的儀表不僅精度高,而且易安裝、易調校、易維護,可見儀表選型工作既重要又有難度。
內置換料水箱鋼襯里泄漏監測的目的是在測量過程中,當液位探測裝置探測到液位高于某一定值時發出報警,提示操作員水箱有泄漏,操作員再結合電站運行狀態采取相應的處理措施。因此在選擇監測儀表時開關量儀表和模擬量儀表都能滿足要求。但是鑒于安裝環境的特殊性,對核電廠常用頂裝液位監測儀表包括機械纜式液位開關、頂裝磁浮子液位開關、頂裝磁翻板液位計、導波雷達液位變送器、浮筒液位變送器以及壓力法測液位等各類儀表進行適用性分析[3-10],對比其優缺點,選擇滿足要求的儀表。
2. 1 機械纜式液位開關
這是控制液位zui簡單的方法[11]。其原理是一個由自身電纜所需高度自由懸垂的塑料殼體內放置一個機械開關,當液位到達該控制器時,塑料殼體會傾斜,機械開關將閉合或斷開,從而啟動或關閉一臺泵,或發出一個報警信號。這種纜繩長度zui長可以做到幾十米,長度上完全可以滿足要求,但其塑料外殼不能耐受高溫,影響儀表壽命,有一定的測量死區。
2. 2 頂裝沉筒式液位開關
頂裝沉筒式液位開關是根據阿基米德定律和磁藕合原理設計而成的液位測量儀表,如圖 3。彈簧被重于液體的浮子加載,浮子浸沒在液體時,浮力產生變化,致使彈簧向上移動。一塊永久磁鐵裝在帶支點的開關執行機構上,當浮子隨液位升高時,它將鐵芯提升到磁鐵的磁場中。此時,鐵芯與永久磁鐵相吸并靠在非磁性的密封管上,使開關機構動作液位下降時,復位彈簧將永久磁鐵拉回,開關機構復位。這種開關結構簡單、價格低廉、需要現場調校,該類儀表存在一定的死區,死區與浮子直徑有關。
2. 3 頂裝磁翻板液位計
頂裝磁翻板液位計[12]是根據浮力原理,利用測量筒內磁性浮子隨被測液面的升高或降低,通過磁場的作用,使測量筒外部顯示器上的雙色翻板隨之翻轉,實現顯示被測液面位置的目的。頂裝磁翻板液位計由測量管、指示器以及信號輸出部分組成,它通過法蘭或承插焊的連接方式與液位儲罐連接,隨著儲罐內液位的上下變化,帶動含有永久磁鋼的浮子上下移動。該類儀表可以就地顯示液位,但是因浮子需在安裝接口上部上下移動,移動空間由測量范圍決定,所以安裝接口頂端對空間要求較高,底部液位測量死區大。
2. 4 導波雷達液位變送器
導波雷達液位變送器的工作原理[13]是基于電磁波的時域反射原理,電磁波發生器產生一個沿探測桿向下傳送的電磁脈沖波。當電磁脈沖遇到比先前傳導介質( 比如空氣) 介電常數大的液體表面時,脈沖波會被反射。通過超高速計時電路計算脈沖從發射到反射的時間差△T,設導波雷達液位計頂部到液面的距離 S = V×△T /2,如果導波雷達液位計到容器底部的距離為 H,則液位 L =H-S。導波雷達液位計測量原理和同軸探頭如圖 4 所示。
導波雷達液位變送器的特點如下:
( 1) 發射的電磁波是恒定的,不需要進行現場校驗、也不需要通過遷移來改變儀表量程;
( 2) 安裝方式多樣,可以使用螺紋和法蘭連接;
( 3) 沒有會被磨損和破壞的機械運動部件。
一般對于介電常數小或者液面有擾動的情況下需要考慮安裝導波管,導波管應由金屬或金屬加襯塑制成,導波管內徑需光滑,無毛刺,導波管內徑應始終保持不變,長度應大于或等于導波桿長度。但是本文內置換料水箱鋼襯里泄漏監測環境下,底部預埋的不銹鋼管起到了導波的作用,而從不銹鋼管末端到水箱底部這段距離因失去導波管會造成失波,無法滿足液位從水箱底部開始測量的要求。
2. 5 電浮筒液位變送器
電浮筒液位變送器的測量元件是圓柱型沉筒,如圖 5,沉筒懸掛在杠桿上,杠桿另一端架在一個支點上,并與扭力管連接,當掛沉筒一端的杠桿上下移動時,架在支點上面一端的杠桿繞支點旋轉,帶動扭力管旋轉,扭力管輸出一個轉角給表頭,這個轉角帶動表頭中的霍爾磁鋼感應器的磁鋼運動,根據霍爾效應電壓相應作出變化,輸出電壓通過轉換電路轉變為4 mA~20 mA的電流信號。液位越高,淹沒沉筒越高,浮力越大。電浮筒液位變送器沉筒可以觸底安裝,4 mA只對應 0 m 液位,全量程精度一致,測量精度高,兼具有現場指示和遠程監測的功能,同時沉筒底部不需要固定安裝,只需將沉筒上部法蘭固定到不銹鋼管頂部的配對法蘭上即可,沉筒和法蘭之間采用剛性連接,因此可靠性高,維護量少。
2. 6 差壓法測液位
差壓、壓力方式測量液位[14-16],液位越高,容器底部壓力越大,通過測量容器底部壓力的方式測量液位。如果容器液位上部本身有壓力( 或真空) ,就選用差壓變送器來測量,以克服液位上面的壓力影響。內置換料水箱的泄漏監測如果選用此原理測量液位,因變送器安裝位置較高,需要選用遠傳毛細管的壓力變送器,而要盡量準確的測得液位需要將傳感膜片和遠傳法蘭固定在水箱底部,但是因內置換料水箱已經是zui低點,安裝人員無法進入水箱,無法實施安裝操作,所以該方案幾乎不可行。
綜合上述,對幾種核電廠常用頂裝液位儀表的原理、特點以及對內置換料水箱應用環境的適用性分析,可見采用電浮筒液位變送器是比較理想的選擇。
3 內置換料水箱鋼襯里泄漏監測裝置
在上述分析基礎上,對于華龍一號核電廠內置換料水箱鋼襯里焊縫泄漏監測提出預埋的泄漏收集水箱高 度 270 mm,電浮筒液位變送器選用 ROSEMOUNT 的 MLT 系列儀表,該儀表沉筒高度zui短可以做到 300 mm,沉筒觸底安裝,水箱底部即可發出 4 mA信號,對應液位 0 m,精度<+ /1%全量程,儀表過程接口采用法蘭安裝,配對法蘭安裝在從預埋水箱引出的不銹鋼管頂部,不銹鋼管長度 6. 54 m,該長度已經考慮了-3. 3 m 樓板以上的儀表安裝空間。同時儀表輸出 4 mA~20 mA 的電流信號可以在主控室顯示液位的實時變化,同時液位報警定值也可以在主控室進行設定和修改,方便可靠。內置換料水箱鋼襯里焊縫泄漏監測裝置安裝示意圖如圖 6。
4 結束語
綜上所述,華龍一號核電廠安注系統在換料冷停堆期間完成向反應堆換料水池充水功能必不可少的內置換料水箱位置特殊,功能重要,準確及時的對其鋼襯里焊縫泄漏進行監測報警意義重大。
本文在分析內置換料水箱土建結構特點及環境要求的基礎上,結合目前國內常用液位儀表的現狀、原理及應用特點[17-20],zui終選擇電浮筒液位變送器作為性價比相對較高的設計方案,進一步證明了選擇儀表要密切結合使用環境、安裝要求、測量要求,更要充分考慮儀表的可靠性、既可以節約成本,也有利于現場的安裝、調試和控制。隨著自動化儀表技術的發展,測量液位的方法及相應的儀表也在不斷的改進和更新。本文給出的監測裝置研究為今后項目的儀表選型、技術更新都有一定的指導意義。
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