徐思捷 朱毖微 何 亮 呂 鑫 吳 茜 王雪梅 向美瓊 鄧志光

(中國核動力研究設(shè)計院,四川 成都 610213)

反應(yīng)堆壓力容器水位是事故后重要監(jiān)測參數(shù),對于事故后評估堆芯淹沒狀態(tài)具有重要意義。熱擴(kuò)散式水位探測器組件具有結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,耐高溫高輻照環(huán)境的特點,被用作第三代核電廠壓力容器關(guān)鍵點水位監(jiān)測。根據(jù)熱擴(kuò)散式水位探測器組件原理,探測器組件工作需由二次儀表提供加熱電流,加熱功率與響應(yīng)時間成正相關(guān)。但加熱功率過大會造成二次儀表的功耗過大,加熱電源的體積也會過大,對二次儀表的設(shè)計造成影響,當(dāng)前國內(nèi)水位探測器組件在高溫工況下需200W 才能達(dá)到規(guī)定的響應(yīng)時間要求。因此,有必要在滿足水位探測器組件響應(yīng)時間和可靠性的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低加熱功率。

1 傳感器結(jié)構(gòu)及測量原理

熱擴(kuò)散式水位探測器組件由外套管、加熱元件、熱電偶及填充在套管內(nèi)的絕緣材料組成,探測器端部通過焊接密封[1]。單個測點功能一個主動端熱電偶、一個參考端熱電偶和一個加熱元件實現(xiàn),如圖1 所示。

圖1 水位探測器組件結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)加熱元件通電時,根據(jù)導(dǎo)熱公式有：

其中,φ 為加熱元件提供的加熱功率,h 為探測器組件導(dǎo)熱率,λ 為水或氣體的熱擴(kuò)散率,πdε 為傳熱面積。t1為加熱元件處溫度,t2為探測器外壁溫度,t3為介質(zhì)溫度。由于水的熱擴(kuò)散率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體,因此當(dāng)水位下降,測點從水中露出液面時,λ 會大幅減小,而t3和φ保持不變,責(zé)t2和t1均會上升,即整個探測器組件測點部分的溫度都會上升,主動端熱電偶的溫度會上升,當(dāng)上升幅度大于10℃時,則判斷測點漏出水面,發(fā)出報警信息。

2 傳感器設(shè)計

由熱擴(kuò)散水位探測器組件測量原理,若需要響應(yīng)時間短,則需要主動端溫度上升幅度大。式(1)中d 為探測器組件外徑,根據(jù)探測器所需要內(nèi)部各元件布置所需要的內(nèi)部空間確定內(nèi)徑,再根據(jù)探測器組件需要承受的外壓計算得到壁厚,因此外徑為一固定值。若想要溫度變化較快,直接的辦法顯然是增大加熱元件提供的加熱功率φ,其次盡量增大探測器組件導(dǎo)熱率h。

φ=I2R,增大加熱功率直接的辦法是增大電流I 或者加熱電阻R。若是增大電流,由于水位探測器組件一般長度有6 米左右,除去測點外,其余部分加熱元件的非加熱段,電流增大意味著整個探測器組件的加熱功率大幅提升。而對于加熱電阻有：

ρ 為加熱絲電阻率,L 為加熱絲長度,S 為加熱絲的橫截面積。加熱絲電阻率對同種加熱合金來說是不變量,若減小橫截面積,可以提高加熱電阻,但為保證非加熱段電阻不增加,減小加熱段橫截面積會造成加熱元件加熱段和非加熱段的變徑比增大,造成加熱元件加工困難甚至無法加工。同時橫截面積過小容易造成加熱元件可靠性降低。因此,提高加熱功率最佳的辦法是增長加熱段的長度。

為增大探測器組件測點位置的導(dǎo)熱率h,探測器組件內(nèi)填充的絕緣材料(一般為氧化鎂)導(dǎo)熱率降低,因此在測點位置設(shè)置金屬導(dǎo)熱塊,將主動端熱電偶、加熱元件和探測器外壁聯(lián)通,加快熱量傳遞以提高溫度變化的響應(yīng)速度。

在增大了加熱元件加熱段的長度后,為使加熱功率能夠盡可能作用在測點部分,將加熱元件加熱段纏繞在導(dǎo)熱塊上。將加熱元件、熱電偶等放入套管中,加入填充材料,通過拉拔工藝將加工成型,用氬弧焊密封住探測器端頭后看,探測器組件加工完成。

3 功能驗證

熱擴(kuò)散式水位探測器組件主要用于在壓力容器水位下降低于監(jiān)測點時發(fā)出報警信號,因此主要模擬在不同溫度平臺下容器水位下降時,水位探測器組件的功能性能。

在常溫下,通過直流電源向探測器組件施加1.76A的電流,電壓為36.1V,功率為63.1W,在水位下降到測點以下過程中,主動端溫度變化如圖2 所示。

圖2 主動端溫度變化曲線

根據(jù)溫度變化曲線,主動端溫度于16 點05 分33 秒開始上升,證明水位低于測點,此時溫度得77℃；16 點05 分45 秒主動端溫度達(dá)到87℃,判斷水位漏出測點,響應(yīng)時間為12 秒。

在310℃溫度平臺下,通過直流電源向探測器組件施加1.986A 的電流,電壓為44.1V,功率為87.5W,在水位下降到測點以下過程中,主動端溫度變化如圖3 所示。

圖3 主動端溫度變化曲線

根據(jù)溫度變化曲線,主動端溫度于19 點01 分39 秒開始上升,證明水位低于測點,此時溫度得315℃；19 點01 分50 秒主動端溫度達(dá)到325℃,判斷水位漏出測點,響應(yīng)時間為11 秒。

通過高溫和常溫平臺下模擬水位下降,可以看出水位探測器組件能夠完成功能,功率小于100W,并且響應(yīng)時間較快。

4 水位計算算法設(shè)計

根據(jù)水位探測器組件原理,主要是通過判斷主動端溫度的變化超過10℃來判斷水位測點漏出水面從而發(fā)出報警信號。水位算法主要對比前一時刻和當(dāng)前的溫度值,將兩個溫度的差值不斷累加,從而得到溫度的變化量。由于運(yùn)行中,反應(yīng)堆溫度可能會緩慢上升,為去除反應(yīng)堆溫度上升帶來的干擾,累加的時間定為1 分鐘,1 分鐘后累加值清零并重新開始累加；同時加熱電源剛剛打開時,溫度也可能會突然上升,因此加熱電源剛剛打開的1 分鐘內(nèi)也不能進(jìn)行累加；當(dāng)測點漏出水面以后,主動端溫度經(jīng)過一段時間的上升后會與周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡,此時通過與參考端溫度的對比來判斷水位情況。溫度變化量算法的流程圖如圖4 所示,程序運(yùn)行與DCS 的控制器中,上電以后循環(huán)執(zhí)行。

圖4 溫度變化量算法流程圖

將水位計算算法下載到DCS 控制器中,將DCS 與加熱電源、水位探測器組件連接,模擬水位下降,DCS 能夠正確發(fā)出報警信息,無誤報、漏報等現(xiàn)象。

5 設(shè)備鑒定

設(shè)備鑒定采用試驗法鑒定,試驗主要遵循GJB 150A、GJB 150、GJB 151B、GB/T 17626和RCC-E 等標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行了包括檢驗、基準(zhǔn)試驗、極端環(huán)境試驗、老化試驗、力學(xué)性能試驗、電磁兼容試驗和長期穩(wěn)定性試驗[2]。

5.1 檢驗

檢驗主要在制造過程中對探測器組件材料成分檢測以及加工完成后的對焊縫及粗糙度的檢測,包括密封段金相檢驗、液體滲透檢測、射線照相檢測、粗糙度檢測等。

5.2 基準(zhǔn)試驗

基準(zhǔn)試驗包括外觀檢查、接電連續(xù)性檢測、絕緣電阻試驗、介電性能試驗、熱電偶分度試驗、功能性能試驗、水壓試驗,驗證探測器組件功能的正確性和結(jié)構(gòu)的完整性。

5.3 極端環(huán)境試驗

極端環(huán)境試驗為驗證水位探測器組件在存儲、運(yùn)行和事故后工況下的環(huán)境耐受性,包括高溫試驗、低溫試驗、交變濕熱試驗、鹽霧試驗、霉菌試驗和LOCA 試驗,LOCA 試驗最高壓力和溫度分別為1.0MPa 和180℃。

5.4 老化試驗

檢驗水位探測器組件的壽命,包括熱老化試驗、輻照老化試驗和電加熱元件壽命試驗。熱老化試驗按照EJ/T 1197,輻照老化試驗劑量為740kGy。

5.5 力學(xué)性能試驗

驗證水位探測器組件的力學(xué)性能是否滿足使用環(huán)境要求,包括沖擊試驗、地震試驗、振動試驗等。

5.6 電磁兼容試驗

由于水位探測器組件內(nèi)部為熱電偶信號和直流電,沒有對外界發(fā)射,主要考驗水位探測器組件及電纜的抗擾性,按照GJB 151B 和GB/T 17626,進(jìn)行了CS114、CS116、RS101、RS103、射頻電磁場輻射抗擾度試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗、工頻磁場抗擾度試驗、振鈴波抗擾度試驗。

5.7 長期穩(wěn)定性試驗

水位探測器組件在運(yùn)行工況下運(yùn)行168h 后,模擬水位下降,水位探測器組件應(yīng)能實現(xiàn)功能,試驗后絕緣電阻、電連續(xù)性正常。

6 結(jié)論

根據(jù)反應(yīng)堆壓力容器水位測量需求,研制了熱擴(kuò)散式水位探測器組件,通過延長加熱段長度,加入導(dǎo)熱塊和加熱元件結(jié)構(gòu)設(shè)計,降低了水位探測器所需功率。通過模擬水位下降驗證水位探測器組件能夠完成壓力容器關(guān)鍵點水位監(jiān)測。同時設(shè)計了水位測量算法,并驗證算法的正確性。