季誠

福建福清核電有限公司維修一處 福建福清 350318

日本福島事故發(fā)生后，為增強(qiáng)對乏燃料水池狀態(tài)的監(jiān)測能力。福清一二號機(jī)組的乏燃料水池監(jiān)測系統(tǒng)，增加了一套具備事故后監(jiān)測乏燃料水池液位、溫度連續(xù)量測量系統(tǒng)，該改進(jìn)方案采用美國FCI公司FCI-CL86連續(xù)液位及溫度監(jiān)測儀表（系統(tǒng)），是一種基于熱擴(kuò)散原理監(jiān)測乏燃料水池內(nèi)連續(xù)的液位、液體溫度及特定液位報(bào)警的組合傳感器。

1 福清乏燃料水池改進(jìn)項(xiàng)監(jiān)測儀表的結(jié)構(gòu)及其原理

乏燃料水池作為乏燃料的貯存地，池中只要有乏燃料，就必須充滿水，且維持正常水位，以提供必要的安全生物防護(hù)；同時，要對池水進(jìn)行冷卻，及時導(dǎo)出乏燃料元件剩余釋熱。在我國M310二代加堆型核電廠的原有設(shè)計(jì)中，對于乏燃料水池狀態(tài)的液位監(jiān)測，設(shè)有兩個非核級浮子式液位開關(guān)，分別輸出高、低液位報(bào)警；對于乏燃料水池的溫度監(jiān)測，設(shè)有非核級就地和遠(yuǎn)傳溫度連續(xù)量測量儀表，以及非核級溫度報(bào)警開關(guān)。由于設(shè)置的儀表均為非安全級，所以無法保證在地震、類似福島的嚴(yán)重事故的情況下測量儀表的可用性。

該儀表主要包括傳感器和變送器兩部分，傳感器為各自相互獨(dú)立的測量部件，經(jīng)過組合裝配與變送器通過電纜連接。變送器也分屬不同的處理機(jī)箱，具有一定的抗共模故障能力。

連續(xù)液位測量由三組獨(dú)立的連續(xù)熱電阻（RTD）構(gòu)成，其中一組為加熱端（Rh），連接一個恒流源持續(xù)提供恒定熱源；一組為測量端（RA），利用液體導(dǎo)熱系數(shù)高于空氣的原理，通過測量電阻變化△R，連續(xù)監(jiān)測液位；一組為參考端（RP），用來補(bǔ)償環(huán)境溫度變化，對△R帶來的影響。在傳感器探桿底部裝有測溫專用RTD，完成對池中液體溫度的測量[1]。

液位定值測量，由固定在探桿上四個固定探測器組成。探測器內(nèi)置兩個RTD，一個是測量端，一個是參考端。測量原理和連續(xù)溫度監(jiān)測相同。

國家安全局發(fā)布的《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動通用技術(shù)要求（試行）》中對福島后改進(jìn)行動中明確提出了乏燃料池監(jiān)測的技術(shù)要求，主要包括監(jiān)測手段、監(jiān)測范圍、監(jiān)測儀表和系統(tǒng)的可用性的要求。

2 儀表選型

經(jīng)調(diào)研分析，采用美國FCI公司FCI-CL86連續(xù)液位及溫度監(jiān)測儀表，該儀表基于熱擴(kuò)散原理監(jiān)測乏料池內(nèi)連續(xù)的液位、液體溫度以及特定點(diǎn)位報(bào)警開關(guān)的組合傳感器。它由兩組連續(xù)的熱電阻（RTD），其中一組加熱（Rth），另一組保持常溫（Rt）。利用液體導(dǎo)熱系數(shù)高于空氣的原理，連續(xù)監(jiān)測液位。在此兩組測量用熱電阻的上端還裝有干區(qū)補(bǔ)償電阻組，用于補(bǔ)償環(huán)境溫度對測試（量）的影響，在底部裝有溫度傳感器，完成對池中液體溫度的測量。經(jīng)變送器單元處理，溫度、液位分別以4-20mA和觸點(diǎn)的信號遠(yuǎn)傳輸出至主控室進(jìn)行連續(xù)和報(bào)警顯示。該整套測量儀表包括傳感器和變送器兩部分，分體安裝，變送器為單獨(dú)電子部件，安裝在非輻射的區(qū)域，與傳感器通過專用電纜連接。溫度和液位連續(xù)測量傳感器、以及關(guān)鍵點(diǎn)處的液位報(bào)警開關(guān)相互獨(dú)立，組合裝配。變送器也分屬不同的處理單元，具有一定的抗共模故障能力。

3 儀表安裝及調(diào)校

頂部支撐平臺的平整度，不得因?yàn)楹附拥仍?，?dǎo)致頂部支撐平臺不平整度大于3mm，最多允許使用6片厚度為0.5mm環(huán)形石墨墊片進(jìn)行儀表和支撐平面的密封，過多的使用環(huán)形石墨墊片，儀表在下放入導(dǎo)向管時，石墨墊片容易因?yàn)槭芰Σ痪鶆蚧蛘吒S儀表本體滑動，導(dǎo)致各層墊片錯位，在進(jìn)行儀表安裝緊固力矩作業(yè)的時候，也會因?yàn)樗膫€角力矩不均勻，而易出現(xiàn)石墨墊片錯位等問題，導(dǎo)致儀表和支撐平臺無法有效形成密封，影響后續(xù)連續(xù)液位標(biāo)定試驗(yàn)。

頂部支撐平臺高度必須保證在19.6m，CL86儀表的出廠標(biāo)定安裝高度為19.6m，液位開關(guān)的安裝相對位置，均是按照19.6m安裝高度進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)場安裝高度不滿足要求，將導(dǎo)致儀表測量偏差大、液位開關(guān)定值偏移等問題的發(fā)生。

傳感器采用支架安裝，利用乏燃料水池覆面?zhèn)缺谏系念A(yù)埋件，通過焊接固定支架，考慮到儀表的維修維護(hù)的方便性，傳感器還能從外套筒中取出。支架和傳感器整體進(jìn)行抗震分析，以滿足抗震要求。變送器部分采用墻裝支架，支架和傳感器整體進(jìn)行抗震試驗(yàn)。為了保證儀表的持續(xù)可用性，儀表需在核電廠的每個換料周期進(jìn)行定期試驗(yàn)。在線調(diào)校時，無需取出傳感器，只需將增壓泵軟管與密封導(dǎo)管頂部的接口相連，啟動增壓泵向密封導(dǎo)管內(nèi)增壓，以調(diào)節(jié)管內(nèi)液面的高度。當(dāng)液面到達(dá)相應(yīng)的高、中、低位置時，連續(xù)液位測量輸出與相應(yīng)的觸點(diǎn)開關(guān)信號輸出進(jìn)行比對，從而進(jìn)行在線調(diào)校。

4 儀表試驗(yàn)

4.1 變送器性能檢查

變送器的性能檢查主要是為后續(xù)連續(xù)液位標(biāo)定做好準(zhǔn)備，

溫度信號轉(zhuǎn)換檢查，通過電阻箱模擬就地溫度1077.94Ω（20℃）、1385.06Ω（100℃），此時用萬用表測量主板和輔板的電流輸出應(yīng)該分別為在6.57-6.77mA之間、17.63-17.83mA之間，如果超過允許范圍，則需要調(diào)節(jié)主板或者輔板的零點(diǎn)或者滿點(diǎn)電位器[2]，見圖1。

圖1 CL86定期試驗(yàn)示意圖

報(bào)警開關(guān)定值設(shè)定及檢查，在測試模式下檢查報(bào)警開關(guān)的動作電壓為3.7V左右，使報(bào)警開關(guān)動作一次，使其記住這個電壓值。將報(bào)警開關(guān)恢復(fù)為工作模式，通過報(bào)警燈的狀態(tài)簡單的判定報(bào)警開關(guān)的狀態(tài)，再次進(jìn)行電壓測量，并檢查此時的查報(bào)警開關(guān)輸出，報(bào)警開關(guān)正常工作時輸出電壓（1-2V），報(bào)警開關(guān)動作后輸出電壓（5-6V左右），確保報(bào)警開關(guān)正常工作后開始進(jìn)行液位標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

4.2 連續(xù)液位標(biāo)定

FCI-CL86的傳感器在出廠前已經(jīng)按照現(xiàn)場的實(shí)際情況模擬做過標(biāo)定，因此現(xiàn)場首次液位標(biāo)定實(shí)際上是對連續(xù)液位監(jiān)測變送器的信號輸出驗(yàn)證和調(diào)整。其方法是依靠已經(jīng)固定相對標(biāo)高的四個液位開關(guān)作為參考，通過專用壓力調(diào)節(jié)設(shè)備調(diào)節(jié)輸出壓力，從儀表上部導(dǎo)氣管將氣體注入導(dǎo)向管內(nèi)，通過觀察液位開關(guān)指示燈的紅/綠變化，確定導(dǎo)向管內(nèi)液位的具體位置。

具體的通氣壓力數(shù)值，參考表1。驗(yàn)證前確保乏池水位在19.55m以上。從L3液位開始進(jìn)行測試，考慮到熱擴(kuò)散儀表響應(yīng)較慢，達(dá)到定值點(diǎn)附近時調(diào)節(jié)過程需要緩慢，并且在每個定值點(diǎn)附近都需要停留10-15分鐘。確保連續(xù)液位監(jiān)測的讀數(shù)穩(wěn)定。需要注意因?yàn)槭褂玫氖菈嚎s空氣，所以試驗(yàn)得到的L3和L2液位，將會比實(shí)際值偏大。我們在測得數(shù)據(jù)后還需要對這兩個點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

表1 預(yù)估的液位低報(bào)警定值點(diǎn)附近通氣壓力值

5 儀表常見故障及處理

5.1 液位報(bào)警定值偏差大

液位定值偏差大，與連續(xù)液位數(shù)據(jù)不匹配，可能的故障原因：1.液位報(bào)警開關(guān)定值設(shè)定錯誤，報(bào)警開關(guān)定值電壓與廠家出廠報(bào)告電壓不符，導(dǎo)致液位報(bào)警提前或者延時觸發(fā)，處理方法按照出廠測試報(bào)告對報(bào)警模塊進(jìn)行調(diào)整；2.儀表安裝高度錯誤；儀表安裝過高或者過低，導(dǎo)致液位開關(guān)提早或者延時觸發(fā)，處理方法，按照廠家提供的標(biāo)高文件重新對設(shè)備進(jìn)行安裝。

5.2 乏池液位高報(bào)警消失過低

FCI-CL86和乏池原有的液位開關(guān)配合失效，液位開關(guān)報(bào)警觸發(fā)，乏池連續(xù)液位監(jiān)測顯示偏低，或者連續(xù)液位監(jiān)測已經(jīng)顯示乏池液位足夠低，但是液位開關(guān)報(bào)警未消失?？赡艿墓收显颍海?）乏池液位開關(guān)浮球高度設(shè)置不合理，導(dǎo)致液位開關(guān)報(bào)警錯誤觸發(fā)；（2）FCI-CL86連續(xù)監(jiān)測液位標(biāo)定誤差偏大，特別是19.3m和19.55m兩個點(diǎn)誤差較大；處理方法：根據(jù)乏池的鋼標(biāo)尺檢查乏池當(dāng)前實(shí)際液位，確認(rèn)連續(xù)液位監(jiān)測儀表的誤差，如果乏池連續(xù)液位監(jiān)測的讀數(shù)與實(shí)際液位偏差在1-3cm，則對乏池液位開關(guān)進(jìn)行調(diào)整，否則重新進(jìn)行乏池連續(xù)液位計(jì)標(biāo)定[3]。

5.3 連續(xù)液位監(jiān)測儀表波動

連續(xù)監(jiān)測儀表持續(xù)波動，但運(yùn)行反饋乏池并未開展補(bǔ)水作業(yè)?？赡艿墓收显颍海?）裝卸料期間乏池溫度異常升高，乏池所在廠房濕度變大。連續(xù)監(jiān)測儀表出現(xiàn)結(jié)露等現(xiàn)象，導(dǎo)致探頭熱擴(kuò)散計(jì)算錯誤，此問題為儀表本身固有特性決定，待裝卸料結(jié)束后，乏池房間溫度恢復(fù)正常會自行消失；（2）連續(xù)液位傳感器探桿存在硼結(jié)晶堵塞探頭的進(jìn)水孔，導(dǎo)致探頭內(nèi)部存在結(jié)露問題，處理方法對連續(xù)液位監(jiān)測儀表執(zhí)行液位標(biāo)定，特別是執(zhí)行高報(bào)液位標(biāo)定，利用乏池內(nèi)的介質(zhì)對探頭的進(jìn)行沖洗，溶解結(jié)晶物。

6 應(yīng)用前景

（1）熱電偶組件集成了液位和溫度監(jiān)測功能，設(shè)備緊湊，安裝簡便，相關(guān)原理在堆芯液位測量中有過應(yīng)用業(yè)績，產(chǎn)品可靠性較高，并通過了相關(guān)核級鑒定，可基本滿足嚴(yán)重事故后乏池環(huán)境條件下的測量要求，但該裝置只能對液位進(jìn)行斷續(xù)測量，無法進(jìn)行連續(xù)跟蹤，不利于對事故的及時判斷。（2）差壓式液位計(jì)由于利用成熟的差壓式變送器產(chǎn)品，設(shè)備的可靠性較高，設(shè)備安裝簡便，但受取壓點(diǎn)限制，液位測量范圍有限。（3）磁浮子液位計(jì)具有測量精度高、測量范圍廣等特點(diǎn)，但由于處于設(shè)備研發(fā)階段，尚未通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)鑒定，應(yīng)用前景尚無法判定[4]。

7 結(jié)語

綜上所述，乏燃料水池改進(jìn)項(xiàng)監(jiān)測儀表FCI-CL86，因?yàn)槠湓砗统袚?dān)的功能要求，所以相較現(xiàn)場其它類型的儀表，它的安裝方式更復(fù)雜且安裝要求更高，其常見故障也主要是因?yàn)榍捌诘陌惭b和調(diào)試工作偏差導(dǎo)致的，因此在調(diào)試階段加強(qiáng)對設(shè)備安裝和試驗(yàn)跟蹤，將有助于減少后期的維護(hù)工作，提高設(shè)備的可靠性。