閆繼鋒,鄭 偉,錢立虎,鄭駢垚,馬象睿,曾景暉,金冀偉,解保林

(1.生態(tài)環(huán)境部華北核與輻射安全監(jiān)督站,北京 100082,2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200233,3.國(guó)核自儀系統(tǒng)工程有限公司,上海 200240)

0 引言

在核電工程項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱“被監(jiān)督項(xiàng)目”)的參考工程項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱“參考項(xiàng)目”)調(diào)試期間,連接蒸汽發(fā)生器的一回路熱管段液位[1]LT001等部分儀表在核電廠正常功率運(yùn)行時(shí),存在由于實(shí)際液位超過(guò)儀表設(shè)定的運(yùn)行量程而導(dǎo)致一回路熱管段液位測(cè)量值質(zhì)量碼長(zhǎng)期為“BAD”,進(jìn)而產(chǎn)生長(zhǎng)期報(bào)警的問(wèn)題。雖然該報(bào)警是熱管段在正常運(yùn)行工況下的正常預(yù)期,但由于該報(bào)警在機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下長(zhǎng)期存在,使操縱員無(wú)法判斷儀表是否處于正常工作狀態(tài)。這可能導(dǎo)致操縱員作出錯(cuò)誤判斷,從而對(duì)核安全構(gòu)成潛在影響甚至威脅。

由于被監(jiān)督項(xiàng)目存在同樣的問(wèn)題,本文通過(guò)對(duì)不同工況下的液位靜態(tài)特性分析,結(jié)合參考項(xiàng)目所采用的解決措施,提出優(yōu)化的工程解決措施,以及進(jìn)一步的改進(jìn)建議。

1 差壓式液位測(cè)量原理及分析

差壓式液位計(jì)[2]被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)控制系統(tǒng),通過(guò)測(cè)量開口或密閉容器兩個(gè)不同壓力點(diǎn)處的壓力差來(lái)計(jì)算容器內(nèi)介質(zhì)的液位。液位計(jì)可將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA的輸出信號(hào)[3](智能型可帶協(xié)議通信),與其他組合儀表、模塊組成可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、記錄、控制等功能的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。其中,密閉差壓式液位計(jì)測(cè)量[4]如圖1所示。

圖1 密閉差壓式液位計(jì)測(cè)量示意圖

圖1中,各液位高度與壓力之間的關(guān)系如式(1)～式(3)所示。

h=X×γ1×g

(1)

式中:h為液柱x′所產(chǎn)生的最大壓力;X為被測(cè)的最低和最高液位之間的垂直距離;γ1為被測(cè)液體的密度。

e=Y×γ1×g

(2)

式中:e為液柱y′所產(chǎn)生的壓力;Y為液位計(jì)高壓側(cè)取壓口到最低液位之間的距離。

s=Z×γ2×g

(3)

式中:s為填充液柱所產(chǎn)生的壓力;Z為充液導(dǎo)壓管頂端到液位計(jì)基準(zhǔn)線之間的距離;γ2為低壓側(cè)導(dǎo)管填充液體的密度。

根據(jù)式(1)～式(3)即可得到所需液位。

本文討論的核電機(jī)組熱管段液位測(cè)量采用差壓式液位計(jì)測(cè)量方法。一回路熱管段與蒸汽發(fā)生器連接如圖2所示。

圖2 一回路熱管段與蒸汽發(fā)生器連接示意圖

圖2中,熱管段管道水平布置,并向上彎曲連接到蒸汽發(fā)生器底部[5]。對(duì)于被監(jiān)督項(xiàng)目,熱管段管道內(nèi)徑為900 mm?；诓顗阂何挥?jì)的液位計(jì)下部取壓口位于熱管段管道水平段底部;上部取壓口受限于安裝空間位于熱管段向上彎曲段處(靠近蒸汽發(fā)生器底部),距熱管段底部高度為2 350 mm。因此,對(duì)應(yīng)于圖1:X為900 mm;Y為0 mm;Z為2 350 mm。由于液體均為水,測(cè)量工況溫度接近于常溫,γ1和γ2均取近似值為1 g/cm3,取重力加速度g為9.806 65 m/s2。根據(jù)式(1)～式(3)可分別計(jì)算得到h=8.826 kPa、e=0 kPa、s=23.046 kPa。

熱管段液位測(cè)量的核安全功能是在停堆工況下“半管”運(yùn)行期間(為進(jìn)行真空充水或蒸汽發(fā)生器維護(hù)而使管道半充水)監(jiān)視熱管段液位,并在液位低于整定值時(shí)觸發(fā)專設(shè)安全設(shè)施動(dòng)作。因此,雖然差壓液位計(jì)LT001的高壓側(cè)取樣口和低壓側(cè)取樣口之間的高度差為2 350 mm,但為了保證其執(zhí)行安全功能的測(cè)量精度,運(yùn)行量程實(shí)際按管道水平段直徑標(biāo)定為0～900 mm。一旦核電廠退出停堆工況下的“半管”運(yùn)行狀態(tài)而進(jìn)入正常運(yùn)行工況下的“滿管”運(yùn)行狀態(tài),熱管段液位測(cè)量?jī)x表LT001液位計(jì)將由于液位超出其運(yùn)行量程上限900 mm而始終處于超量程狀態(tài)。因此,無(wú)論是被監(jiān)督項(xiàng)目還是參考項(xiàng)目,均存在以下問(wèn)題。

①停堆工況“半管”運(yùn)行期間,LT001液位計(jì)在其標(biāo)定的運(yùn)行量程范圍0～900 mm內(nèi)工作,對(duì)應(yīng)的差壓測(cè)量范圍為-23.046～-14.220 kPa,輸出信號(hào)為對(duì)應(yīng)的4～20 mA電流信號(hào)。

②正常運(yùn)行工況“滿管”運(yùn)行期間,LT001液位計(jì)測(cè)量的液位遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其標(biāo)定的量程范圍上限,導(dǎo)致液位計(jì)輸出信號(hào)接近輸出電流信號(hào)的上限值。由于系統(tǒng)采用通用的4～20 mA信號(hào)質(zhì)量碼賦值原則,即當(dāng)液位計(jì)輸出信號(hào)≤-10%(即≤2.4 mA)或≥110%(即≥21.6 mA)時(shí)為壞品質(zhì),其質(zhì)量碼被賦值為“BAD”。因此,如果不采取必要的處理,在機(jī)組正常運(yùn)行期間,LT001液位計(jì)的質(zhì)量碼將長(zhǎng)期為“BAD”,并導(dǎo)致數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)長(zhǎng)期發(fā)出質(zhì)量報(bào)警信號(hào)。

造成上述現(xiàn)象的主要原因是:熱管段的工藝布置和差壓測(cè)量液位管線的布置限制,使得上部引壓管線高度(2 350 mm)高于實(shí)際最大需求的測(cè)量范圍(0～900 mm),造成“滿管”工況下差壓液位計(jì)輸出超過(guò)標(biāo)定范圍。這種現(xiàn)象短期內(nèi)無(wú)法通過(guò)修改工藝布置修正,只能在后端儀表、保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)置上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以避免產(chǎn)生誤報(bào)警。

2 參考項(xiàng)目采取的解決措施

針對(duì)輸入信號(hào)超過(guò)設(shè)定閾值而產(chǎn)生壞品質(zhì)的處理,通常是在數(shù)字化系統(tǒng)的模擬量輸入(analog input,AI)卡件中實(shí)現(xiàn)。在參考項(xiàng)目中,所用系統(tǒng)的AI卡件中根據(jù)超量程判定質(zhì)量碼為“BAD”的閾值無(wú)法修改,且4～20 mA信號(hào)需要經(jīng)電流/電壓采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后才能被模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog digital converter,ADC)采集。因此,本文采用了減小采樣電阻,將超量程的液位計(jì)輸出電流轉(zhuǎn)化為閾值以內(nèi)正常運(yùn)行范圍的電壓信號(hào)再進(jìn)行采集的方法,解決了上述問(wèn)題。

參考項(xiàng)目中,AI卡件對(duì)應(yīng)于正常量程范圍的模擬/數(shù)字(analog/digital,A/D)采樣電壓為0～1 V直流(direct current,DC)。根據(jù)AI卡件中的固化設(shè)置,當(dāng)采樣電壓超過(guò)閾值1.1 V DC時(shí),AI卡件將判定信號(hào)質(zhì)量碼為“BAD”。采樣電阻調(diào)整前為50 Ω,正常滿量程的4～20 mA信號(hào)對(duì)應(yīng)于0.2～1 V DC。由于LT001液位計(jì)的最大輸出電流為24.1 mA,為了保證在超量程情況下也不會(huì)產(chǎn)生“BAD”質(zhì)量碼,需要通過(guò)調(diào)整采樣電阻,將24.1 mA轉(zhuǎn)換后的電壓線性歸一化到1.1 V DC。根據(jù)以上參數(shù),采樣電阻值最小可調(diào)整為45.6 Ω。參考項(xiàng)目調(diào)整后的LT001液位計(jì)AI通道參數(shù)如表1所示。

表1 參考項(xiàng)目調(diào)整后的LT001液位計(jì)AI通道參數(shù)

采樣電阻調(diào)整為45.6 Ω后,正常滿量程4～20 mA信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓范圍變?yōu)?.182 4～0.912 V DC,比調(diào)整前對(duì)應(yīng)的采樣電壓范圍小?？蓸与妷壕葹?.1%,最大誤差為0.001 V DC。由于機(jī)架校準(zhǔn)精度為最大誤差與電壓測(cè)量范圍之比,調(diào)整前后機(jī)架校準(zhǔn)精度由0.125%降低到0.137%。而實(shí)際上在工程實(shí)施中,由于45.6 Ω為非標(biāo)電阻,其電阻精度(0.1%)相對(duì)原50 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻(精度為0.01%)下降了1個(gè)數(shù)量級(jí),因此進(jìn)一步降低了機(jī)架校準(zhǔn)精度。

本文采用美國(guó)核管會(huì)導(dǎo)則RG 1.105 R3[6]背書的ISA 67.04.01-1994 (R2000)[7]中用于不確定項(xiàng)計(jì)算的平方和的平方根(square root of the sum of the squares,SRSS)。在測(cè)試工具精度、氣壓源、偏差等其他十幾項(xiàng)相關(guān)因素不變的情況下,根據(jù)變更的采樣電阻重新計(jì)算通道不確定度。計(jì)算結(jié)果表明,通道不確定度由6.80%增大到6.83%,裕量從2.88%減小到2.84%。由于裕量仍然為正,雖然此解決措施帶來(lái)了精度下降,但可被接受。

3 被監(jiān)督項(xiàng)目采取的解決措施

在熱管段液位測(cè)量上,被監(jiān)督項(xiàng)目具有和參考項(xiàng)目相同的問(wèn)題。但與之不同的是,被監(jiān)督項(xiàng)目采用AI卡件直接讀取4～20 mA回路中的電流,且保護(hù)系統(tǒng)中產(chǎn)生“BAD”質(zhì)量碼報(bào)警的電流閾值可以修改。因此,本文采用了直接修改質(zhì)量碼判定閾值來(lái)避免產(chǎn)生不必要報(bào)警的方法。

在出廠驗(yàn)收測(cè)試階段,甚至監(jiān)管方執(zhí)行獨(dú)立驗(yàn)證活動(dòng)之前,保護(hù)系統(tǒng)通道的質(zhì)量碼閾值仍暫定為21.6 mA。出于對(duì)新技術(shù)首臺(tái)套核電機(jī)組的重點(diǎn)關(guān)注,為了避免保護(hù)系統(tǒng)帶待定項(xiàng)出廠,在監(jiān)管方要求下,設(shè)計(jì)方進(jìn)行了熱管段“滿管”和“半管”液位的前期分析和試驗(yàn)工作并出具設(shè)計(jì)變更單,暫時(shí)根據(jù)供貨商提供的差壓液位計(jì)最大輸出電流,將LT001液位計(jì)等儀表通道的質(zhì)量碼變“BAD”的上限閾值調(diào)整為28 mA。同時(shí),設(shè)計(jì)方將在調(diào)試過(guò)程中進(jìn)一步精確測(cè)得通道在正常工況下的最大電流,并根據(jù)電流值判斷是否需要進(jìn)一步精細(xì)化設(shè)定質(zhì)量碼變“BAD”值。

由于系統(tǒng)電流輸入支持 4～20 mA 與 10～50 mA兩個(gè)量程范圍,28 mA 處于平臺(tái)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。具體分析如下:對(duì)于電流輸入通道,電流采樣電阻為 20 Ω(由兩個(gè) 10 Ω串聯(lián)構(gòu)成),按照輸入回路電流 100 mA 計(jì)算(保守地按最大兩倍輸入量程考慮),采樣電阻上的取樣電壓為2 V,而ADC的輸入允許范圍為 2.5 V,小于 ADC 最大允許輸入采集范圍要求。此外,該采樣電阻的額定功率為 600 mW,如按照最大允許量程 50 mA 在該采樣電阻實(shí)際產(chǎn)生的功耗,單個(gè) 10 Ω將產(chǎn)生 25 mW功耗,只占該采樣電阻額定功率的4.17%,滿足設(shè)計(jì) 25%的降額要求[8]。因此,電流(28 mA)長(zhǎng)期工作在平臺(tái)允許的設(shè)計(jì)電流范圍內(nèi),不影響產(chǎn)品可靠性。

針對(duì)上述變更,本文完成了相應(yīng)的驗(yàn)證與確認(rèn)(verification and validation,V&V) 及測(cè)試工作[9]。本文對(duì)在145%量程(對(duì)應(yīng)輸入電流27.2 mA,容差5%)和155%量程(對(duì)應(yīng)輸入電流28.8mA,容差5%)的LT001通道分別進(jìn)行了測(cè)試。其信號(hào)質(zhì)量的期望值分別為:145%量程對(duì)應(yīng)“GOOD”;150%量程對(duì)應(yīng)“BAD”。在100%～150%滿量程“滿管”液位量程范圍內(nèi),差壓液位計(jì)電流-液位對(duì)照如表2所示。

經(jīng)實(shí)測(cè),在145%量程點(diǎn)、輸出電流達(dá)到 27.2 mA 時(shí),不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量碼“BAD”報(bào)警;在155%量程點(diǎn)、輸出電流達(dá)到 28.8 mA 時(shí),將產(chǎn)生質(zhì)量碼“BAD” 報(bào)警。

熱管段液位傳感器的核安全功能對(duì)應(yīng)的低2 和低4整定值,分別為熱管內(nèi)徑(900 mm)的58.1%和9.7%。為了保證觸發(fā)整定值時(shí)差壓液位計(jì)具有足夠高的精度,本文僅選用0～900 mm作為有效標(biāo)定量程(0～100%)。被監(jiān)督項(xiàng)目液位傳感器修改后,在145%、155%量程時(shí)通道測(cè)量結(jié)果分析如表3所示。

表3 在145%、155%量程時(shí)通道測(cè)量結(jié)果分析

在液位高于大約1 350 mm后,液位計(jì)已無(wú)法送出高于28 mA的電流。保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于20 mA以上、28 mA以下的電流輸入只會(huì)顯示“↑”的超量程指示,而不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量碼“BAD” 報(bào)警。這避免了對(duì)操縱員產(chǎn)生不必要的干擾。另外,由于被監(jiān)督項(xiàng)目還設(shè)置了一個(gè)用于監(jiān)視反應(yīng)堆冷卻劑液位的寬量程非安全級(jí)儀表。該儀表覆蓋范圍為0～21.6 m。因此,在熱管段液位超出0～900 mm有效量程時(shí),該儀表仍能提供準(zhǔn)確的液位讀數(shù)。

被監(jiān)督項(xiàng)目所采用的解決措施既保證了安全功能要求測(cè)量范圍內(nèi)的測(cè)量精度,又有效避免了正?！皾M管”運(yùn)行時(shí)保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出質(zhì)量碼“BAD” 報(bào)警。相比參考項(xiàng)目,這種方法不會(huì)影響熱管段液位測(cè)量的不確定度,亦無(wú)需減少安全分析裕度,故相對(duì)更優(yōu)。對(duì)于安全級(jí)差壓液位計(jì)量程范圍以外的液位監(jiān)測(cè),可通過(guò)一個(gè)寬量程的非安全級(jí)儀表,為操縱員提供額外信息。

4 改進(jìn)措施的分析與探討

在模擬儀表時(shí)代,如果工藝變量超過(guò)窄量程儀表最大量程,出現(xiàn)的現(xiàn)象只是模擬顯示表指針打到量程上限,不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。而采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)后,當(dāng)采集信號(hào)明顯超過(guò)被測(cè)對(duì)象的合理范圍(例如4～20 mA測(cè)量回路的輸入大于21.6 mA),儀控系統(tǒng)可智能地判定為輸入通道故障,提示“BAD”質(zhì)量碼信息給操縱員,以便及時(shí)檢修儀表回路。但某些正常的工況變化導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)不可避免地超過(guò)其量程時(shí),也會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量碼報(bào)警,從而對(duì)操縱員造成干擾。一方面,在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)這種工況進(jìn)行有效識(shí)別和應(yīng)對(duì)。另一方面,隨著儀表技術(shù)的發(fā)展,可以選用寬量程、高精度的儀表來(lái)滿足測(cè)量需求。

對(duì)于被監(jiān)督項(xiàng)目,如果選用寬量程液位計(jì),使得0～2 350 mm的液位對(duì)應(yīng)4～20 mA電流,則能實(shí)現(xiàn)覆蓋0～2 350 mm全量程范圍的數(shù)據(jù)采集及顯示功能。被監(jiān)督項(xiàng)目差壓液位計(jì)重新標(biāo)定后的對(duì)應(yīng)參數(shù)如表4所示。

表4 被監(jiān)督項(xiàng)目差壓液位計(jì)重新標(biāo)定后的對(duì)應(yīng)參數(shù)

按照被監(jiān)督項(xiàng)目所用差壓液位計(jì)的技術(shù)規(guī)格[10],雖然選用的寬量程處于生產(chǎn)廠家提供的量程代碼規(guī)格范圍內(nèi),但因總量程變大、相對(duì)精度保持不變,絕對(duì)誤差將由60.2 mm變?yōu)?49.2 mm。只有通過(guò)將整定值由87.3 mm調(diào)整為176.3 mm,才能保證不突破原來(lái)的安全分析限值。因此,如果仍然使用原規(guī)格液位計(jì),由于通道誤差變大,會(huì)涉及到整定值修改,故方案不可行。因此,有必要研發(fā)新的寬量程、高精度儀表,保證0～2 350 mm全范圍內(nèi)的精度,從而充分滿足“滿管”和“半管”等多種工況下的測(cè)量需求。

5 結(jié)論

通過(guò)監(jiān)管活動(dòng)發(fā)現(xiàn),在壓水堆設(shè)計(jì)中存在為數(shù)不多又較為特殊的不同工況導(dǎo)致儀表輸入超量程上限的問(wèn)題。本文以熱管段差壓液位計(jì)超量程上限的問(wèn)題為例,對(duì)參考項(xiàng)目和被監(jiān)督項(xiàng)目對(duì)于上述問(wèn)題的解決方案進(jìn)行了詳細(xì)分析和比較。參考項(xiàng)目和被監(jiān)督項(xiàng)目根據(jù)各自儀控系統(tǒng)的特點(diǎn)給出了解決方案,有效避免了質(zhì)量碼誤報(bào)警問(wèn)題。但該解決方案仍存在改進(jìn)空間。

通過(guò)監(jiān)管活動(dòng),本文提出以下建議:應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)之初就對(duì)儀表的超量程工況有所考慮,如采取設(shè)計(jì)合理的工藝管線布置以避免超量程、要求儀表限制超量程輸出等措施。這勝于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后再在儀控系統(tǒng)端進(jìn)行補(bǔ)救。