差壓變送器通過測量設備或者管道內介質產生的壓力差來推算液位的高度。差壓變送器在三代核電技術設計中被廣泛使用。蒸發器液位、穩壓器液位、內置換料水箱液位等安全有關測量通道皆采用該種測量原理。且 1E 級變送器產品較為成熟，供貨較為方便，有利于運行維護需要。因此差壓變送器測量被也選為堆芯補水箱正常工況下的寬量程液位測量方案。

 

3 差壓法測量問題和討論

如果將差壓法測量作為堆芯補水箱安全相關的窄量程液位測量方案，差壓法測量還需進一步考慮實際測量過程中可能遇到的問題和解決對策。 3. 1 差壓法測量的誤差問題正常運行狀態下，堆芯補水箱內部介質密度基本不變，因此可采用差壓變送器來測量堆芯補水箱非 1E 級寬量程液位測點。而事故狀態( 包括自然循環狀態和蒸汽補償狀態) 下，由于介質密度動態變化，直接采用差壓法測液位，產生的誤差較大。 表 1 為使用磁浮子法和差壓法測量堆芯補水箱液位所產生的不確定度。

從表 1 的計算結果可知，使用變送器代替磁翻板液位計會導致誤差變大。鑒于堆芯補水箱內介質密度對差壓變送器測量法產生的影響較大( 造成約 15% SPAN的不確定度誤差) ，需要增加 1E 級鉑熱電阻對被測介質密度進行補償以減小誤差。 3. 2 堆芯補水箱內部狀態模式判斷問題事故情況下，堆芯補水箱內部存在自然循環和蒸汽補償兩個狀態［11－12］。堆芯補水箱在這兩種狀態模式下，注入的熱水和蒸汽都會造成介質總密度降低，而水箱內相應的液位高度變化卻完全不同，自然循環狀態時，液位不會發生變化。蒸汽補償狀態時，液位會隨著 ＲCS 冷端蒸汽的注入而下降。由于差壓法測量為二次測量，因此有可能會發生差壓變送器在自然循環狀態測得數值與蒸汽補償狀態時的相同，從而導致保護設備誤開啟產生嚴重后果。因此要用差壓法測量事故工況下的液位，必須先識別出堆芯補水箱處于哪種狀態模式。 

 

3. 2. 1 儀表布置的示意圖

由于不同事故工況下，一回路破口大小，一回路完整性、堆芯補水箱注射時間等客觀因素會導致由冷段注入堆芯補水箱的介質的壓力、溫度都不盡相同。圖 4 為某一事故工況下由 NOTＲUMP 軟件［13－15］模擬的堆芯補水箱上部和下部不同標高位置溫度隨時間變化的曲線。

 

由圖可見，從堆芯補水箱開始注射后，單一事故情況下堆芯補水箱不同標高位置的 20 個節點溫度差異較大。再到可能會存在復合事故發生的情況，差壓變送器所測壓差:

其中，ρi 為不同標高介質的密度; h 為變送器上下取壓口之間的距離; g 為重力加速度; h1 為上部取壓口標高; h2 為上部取壓口標高。

 

3. 2. 2 保護設備誤開啟的可能性

根據上節的稱述，堆芯補水箱在自然循環和蒸汽補償兩個狀態時，堆芯補水箱的介質的壓力、溫度都不盡相同。為了分析保護設備誤開啟的可能性，堆芯補水箱一個標準的圓柱體，其中介質為單一密度的熱水、冷水和蒸汽。則變送器測得的差壓值為:

 

再循環工況( 熱水+冷水) 時: ΔPＲ = ρc* H* g+ρh * ( h－H) * g ( 2)蒸汽補償工況( 蒸汽+熱水) 時: ΔPS = ρh * H* g+ρs* ( h－H) * g ( 3)

 

其中，H 為液面高度; h 為變送器上下取壓口之間的距離; ρup為上取壓口的液體密度; ρdown為下取壓口的液體密度

 

如果再將堆芯補水箱內部再循環工況時介質密度熱水密度冷水密度，蒸汽補償工況時介質密度為蒸汽密度熱水密度，則可以得到一個簡易函數曲線，見圖 6。

 

由圖可知，兩種模式的測量差壓值存在重疊的情況，即當堆芯補水箱處于蒸汽補償模式，液位從滿水開始下降的過程中，差壓變化范圍可能與自然循環模式相等。此時，若無其他工藝參數參考，液位信號將無法向操縱員提供準確的堆芯補水箱，導致其失去判斷電站運行情況的能力，甚至有導致保護設施誤開啟的可能。由于不同事故情況下，當堆芯補水箱內部液位下降到整定值時，介質的狀態也相同，并不能簡單的以熱水加冷水或者蒸汽加熱水來堆芯補水箱也不是簡單的標準圓柱筒體。實際上事故發生時，內部處于一種氣液兩相混合的復雜熱工水力。目前尚缺少可以完全分析堆芯補水箱整個熱工水力工況，不宜用差壓變送器替代現有的磁翻板液位計測量。

 

4 差壓測量法和磁浮子測量法的比較

與磁浮子測量法相比，差壓法測量的優勢包括: 儀表成熟度較高，類似安全有關測點應用較為廣泛; 造價相對較低，供貨商較多，便于后期維護; 設備體積重量較小、易于現場布置等。

 

差壓測量法的不足在于為間接測量，會出現第 3 章中提到的模式判斷問題，進一步分析各工況和復合工況發生時堆芯補水箱內的熱工水力。

 

與差壓測量法相比，磁浮子測量法為一次測量，更為直觀，不會產生類似差法測量法誤的情況。同時 1E級磁翻板液位計已經完成了所有 1E 級設備鑒定，包括抗震、耐高溫、耐高壓性能、輻照等指標均滿足三代核電的技術要求。

 

5 總結

堆芯補水箱是三代核電技術非能動安全設施中的重要組成部分，其液位的降低將直接驅動保護系統的投運，是反應堆安全運行的重要保證，因此需謹慎對待其液位測量儀表的選擇。目前設計采用 1E 級磁翻板液位計來測量堆芯補水箱的液位。本文在目前上液位儀表的使用情況以及目前常見液位儀表使用情況的基礎上，從堆芯補水箱的特殊工況出發，探討和分析了堆芯補水箱液位測量方案中液位儀表的選擇、面臨的問題以及解決方案。

 

首先分析了當前三代核電技術中堆芯補水箱熱工水力工況，探討了當前堆芯補水箱安全級液位測點使用1E 級磁翻板液位計的原因。結合堆芯補水箱工況要求和差壓測量法的原理，整理了差法測量法可能存在的問題，并嘗試給出了這些問題的解決方法和研究方向。根據現有三代核電技術的要求以及堆芯補水箱熱工水力工況來判斷，差壓法由于受介質密度變化影響較大且存在誤動作的可能，因此尚無法替代磁浮子測量法作為堆芯補水箱的安全有關液位測點測量方式。而其他液位測量方式的儀表又由于輻照等因素無法應用于堆芯補水箱上的安全有關液位測點，因此就現有的條件而言，磁翻板液位計是zui合適堆芯補水箱安全有關液位測點的測量方式。應積極爭取該儀表，以便推進堆型出口和后續項目應用。