瞬態條件下穩壓器水位測量特性試驗研究

 

引 言 至整個裝置的安全與運行控制具有重要的意義。

在壓水堆核動力裝置中，壓力安全系統負 目前，針對穩壓器水位測量與控制問題，國內外責反應堆一回路系統運行壓力的穩定與控制保 均開展了大量的研究工作。國外主要研究利用狀護[1]，電加熱穩壓器是壓力安全系統的主要設備。 態反饋[2]、模糊控制[3]、神經網絡[4]等手段實現更在一回路系統和設備發生泄漏的瞬態條件下，準 為精準的水位控制。國內方面，袁明春等提出對確測量穩壓器水位的變化，對于核動力一回路乃 穩壓器內介質密度進行補償實現高精度測量[5]；王曉龍等根據穩壓器水位參數與反應堆進出口平均溫度、穩壓器壓力與溫度、主回路系統的冷卻劑裝量、充排水流量等熱工水力參數的禍合關系，提出一種基于支持向量回歸的穩壓器水位信號重構方法U;馬進等通過對壓水堆核電廠穩壓器實際運行特性的分析研究，在合理簡化與假設的墓礎上分別對穩壓器蒸汽區以及液體區建立質量和能量守恒方程，建立兩區不平衡的穩壓器模型，通過仿真對穩壓器主要參數進行了動態特性分析川。目前的研究主要集中在穩壓器穩態水位測量和水位控制方面，對于壓力瞬變情況下，水位測量特性方面的研究關注較少。

 

   鑒于工程實際需求，本文針對壓力瞬變條件下的水位測量特性進行了試驗研究，提出了利用壓差進行液相區的密度修正的測量方法，并搭建了熱態試驗回路，測量獲得了不同蒸汽泄漏瞬態工況下的穩壓器內壓力、溫度以及水位測量變化信號，構建了分析模型，研究了壓力瞬變條件下，穩壓器液相區的密度變化特征以及對水位測量特性的影響規律。

 

1、穩壓器水位測量原理

    在額定功率下，穩壓器內60%是飽和水，40%為飽和蒸汽181，穩壓器水位通過測量穩壓器內已知高度間的壓差，再利用密度修正計算得出。壓差測點分別布置在蒸汽空間與液體空間，核電廠穩壓器水位(h)測量原理如下:

 

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式中，P0、Pr Ps分別為引壓管內液體密度、穩壓器內飽和水和飽和蒸汽密度，k留M3., h，是高低引壓點高度差，m;明為測量壓差，Pa; g為重力加速度，m·S-2.

    由式(1)可以看出，密度對于水位測量的結果影響很大。當壓力瞬態變化時，對應的飽和水和飽和蒸汽密度會同時發生變化，同時，引壓管內液體密度也發生相應變化，尤其是在壓力瞬間下降時，液相飽和水部分發生汽化，如果一直采用飽和水密度代替，容易出現水位測量偏差。

 

2、試驗裝置與試驗步驟

    正常運行過程中，回路管道、穩壓器泄壓閥以及人孔密封發生泄漏都會導致穩壓器內非降溫影響的壓力下降，壓力下降將導致液相區蒸發以及區內密度變化，從而使得水位發生變化，可能存在測量水位值與真實水裝量變化不符的情況，容易導致水位控制的誤操作進而影響運行安全。

    為了模擬穩壓器的蒸汽泄漏工況，研究水位測量隨泄漏率的變化情況，試驗以電加熱穩壓器為試驗體，配置了相應的補水、排放裝置。考慮泄漏發生的較惡劣工況，本次試驗模擬了2.6-7.8kPa/、的降壓速率，降壓期間不進行噴淋，且穩壓器與一回路系統進行了隔離，避免了一回路容積波動對穩壓器壓力的影響。

 

2.1試驗回路系統

    試驗回路系統流程如圖I所示。上充泵將水箱的水送入穩壓器內，穩壓器內的電加熱裝置將穩壓器壓力升至相應工作壓力并穩定，通過調節穩壓器蒸汽排放閥的開度，模擬不同的蒸汽泄漏率。當穩壓器內水位低于設定值時，啟動上充泵向穩壓器內補水。

 

2.2試驗體設計

    電加熱穩壓器是本次試驗的試驗體，為了對比不同水位測量方式的測量特性，試驗體上設計了3套水位測量裝置，其中一套為模擬核電廠穩壓器水位測量裝置，利用穩壓器壓力修正密度:一套利用壓差修正密度測量水位，在液體區域設置了已知高度的壓差測量裝置，用于補償穩壓器內密度:一套就地水位計，該水位計采用連通器原理實時反應穩壓器水容積狀態，并且將該狀態轉換為模擬信號輸出。

 

2.3試驗測量裝置

    采用iluke2645采集器進行試驗數據采集，頻率為I liz。試驗設備和儀表主要參數見表1.

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2.4試驗工況安排

    試驗主要是為了研究瞬態條件下水位測量特性的變化，通過調節排氣閥的開度模擬排放量，試驗工況參數如表2所示。

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2.5試驗不確定度分析

    依據計算公式，各因素靈敏系數為水位計算函數的偏導。高度的不確定度采用B類評定方法，考慮裝配誤差與讀數誤差，按經驗給定5 mm的偏差，按照均勻分布計算。考慮簡化計算，一般間接測量值采用相對不確定度來進行傳遞。水位壓差直接測量，其合成不確定度考慮儀表基本誤差引入的不確定度、配電器引入的不確定度以及采集器引入的不確定度，依據IAPWS-IF97工業公式未飽和與飽和水密度計算公式計算密度修正引入的不確定度。經計算，瞬態試驗在不考慮測量序列的不確定度外，水位測量的相對不確定度不超過1.48%。

 

4試驗結果與分析

4.1穩壓器內水位變化趨勢

    試驗體上布置有3套水位計。其中，就地水位計采用的是連通器原理，zui能夠直接反應穩壓器內水位變化，為精確測量，試驗過程中，在就地水位計內布置有溫度測點，用于修正就地水位計與穩壓器內的密度差，將其作為實測水位。將實測水位、利用壓力計算飽和水密度以及利用液體區壓差進行密度修正的結果進行比較，結果如圖3所示。

    如圖3所示，3者測量趨勢與理論分析結果一致，其中壓差修正密度方式與就地水位計測量結果zui為接近，測量偏差在2%以內。因此，采用壓差進行密度修正有利于提高水位測量的精度。采用飽和密度進行水位計算的結果與就地水位計結果有偏差，其原因在于穩壓器內液相區因壓力陡降，存在局部汽化現象，液相區密度低于飽和水密度，故僅采用壓力對應飽和密度進行修正存在較大測量偏差。

 

4.2穩壓器內液相區密度與降壓速率的關系

    從水位計算原理分析，壓力瞬變導致的穩壓器內液相區密度變化是導致水位測量出現偏差的主要貢獻因素，AP2為穩壓器窄量程水位壓差，是穩壓器內液相區密度與引壓管密度差的表征量，不同壓降幅度與降壓速率對」P2影響如圖4-圖6所示。

    如圖4所示，各種工況情況下」弓變化趨勢一致，即隨著穩壓器內壓力的降低呈現先增大后減小的趨勢。假設」弓隨穩壓器內壓力下降升至的zui高值與」P2初始值之間的差為」P2的變化幅值，其幅值與壓力變化幅值并非線性關系，當穩壓器內壓力變化幅值大于1 MPH時，姚變化幅值出現較大的增長，詳見圖5。

    AP2的變化幅值與穩壓器內降壓速率趨勢如圖6所示，AP,的變化幅值隨降壓速率增大而增長較快。

    定義」弓隨穩壓器內壓力下降升至zui高值的時間為過渡時間，各降壓速率下，AP2的變化幅值和過渡時間詳見表3。不同壓降速率條件下，P的過渡時間均小于40s，且與降壓速率單因素無強相關性。

 

5、結論

    核電廠穩壓器水位采用壓差測量的方式，利用壓力對應密度曲線修正穩壓器內液相區密度，針對本穩壓器試驗模擬體，與液相區壓差測量修正密度分析對比發現:

    (1)試驗參數范圍內，穩壓器內壓力下降過程中，穩壓器內水位因為液相區的密度變化，常用的飽和密度修正水位計算值與實際水位差值zui大可達200 mm.

    (2)采用壓差修正密度方法在壓力瞬變情況下有較好的跟隨性，能夠更好的反應水位特性，與實際水位差值小于50 mm.

    (3)試驗參數范圍內，表征穩壓器內液相區密度變化的」乃的變化幅值與穩壓器內壓力變化速率正強相關，隨著穩壓器內壓力變化速率的增大，AP2變化幅值逐漸增大。

    (4)試驗參數范圍內，AP,在壓力減小的過程中，過渡時間小于40、，且過渡時間與壓變速率單因素無強相關性。