劉　科，郝天才，路廣遙

穩(wěn)壓器新型水位測(cè)量裝置傾斜和搖擺試驗(yàn)研究

劉科，郝天才，路廣遙

（中廣核研究院有限公司 設(shè)備研究所，廣東 深圳 518031）

為實(shí)現(xiàn)海上浮動(dòng)核電站穩(wěn)壓器水位的精確測(cè)量，保證反應(yīng)堆的運(yùn)行安全，提出一種新型水位測(cè)量裝置。本文分別從測(cè)量原理，試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)項(xiàng)目，以及試驗(yàn)結(jié)果分析4個(gè)方面展開(kāi)論述，驗(yàn)證了該裝置能夠解決海上浮動(dòng)核電站穩(wěn)壓器的水位測(cè)量問(wèn)題，為搖擺工況下設(shè)備水位測(cè)量提供重要參考。

穩(wěn)壓器；水位測(cè)量；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；試驗(yàn)研究

隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)逐漸深化，對(duì)海上分布式能源基地的需求已經(jīng)顯現(xiàn)。海上浮動(dòng)核電站以其功率密度高、燃料補(bǔ)給需求低、安全、機(jī)動(dòng)、多用途、模塊化、清潔無(wú)污染的特點(diǎn)，成為滿(mǎn)足海上能源需求的首選。浮動(dòng)核電站基于成熟小型反應(yīng)堆技術(shù)，安全設(shè)計(jì)納入能動(dòng)和非能動(dòng)安全系統(tǒng)，超過(guò)三代核電標(biāo)準(zhǔn)，充分具備市場(chǎng)化推廣的必要安全條件。

穩(wěn)壓器是對(duì)一回路壓力進(jìn)行控制和超壓保護(hù)的重要設(shè)備，穩(wěn)壓器水位的情況在一定程度上反映了反應(yīng)堆運(yùn)行功率水平。反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，隨著功率的改變，一回路平均溫度不斷變化，這也引起一回路水體積的變化，所以穩(wěn)壓器水位也隨之變化。但穩(wěn)壓器的水位不能太高或太低，太高導(dǎo)致壓力調(diào)節(jié)失效，太低使電加熱器裸露在蒸汽空間而燒毀[1]，因此，對(duì)穩(wěn)壓器水位的準(zhǔn)確測(cè)量至關(guān)重要。

1 海上浮動(dòng)核電站穩(wěn)壓器需考慮的海洋環(huán)境條件

海上浮動(dòng)核電站運(yùn)行時(shí)，需考慮的海洋環(huán)境條件有：溫度、壓力、濕度、傾斜、搖擺、沖擊、鹽霧、霉菌等，其中傾斜和搖擺對(duì)穩(wěn)壓器水位測(cè)量結(jié)果影響較大。GJB 4000—2000對(duì)1～9級(jí)海況進(jìn)行了定義，并結(jié)合船舶與海洋工程規(guī)范要求和經(jīng)驗(yàn)，將6級(jí)及以下海況定義為正常作業(yè)海洋條件，將8級(jí)海況定義為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)海洋條件，8級(jí)以上海況定義為極限工況，根據(jù)GB/T 2423.101—2008并結(jié)合海上浮動(dòng)核電站的實(shí)際情況，傾斜和搖擺參數(shù)如表1[2,3]所示。

表1 海上浮動(dòng)核電站傾斜和搖擺參數(shù)

注：對(duì)于應(yīng)急電源，應(yīng)保證30°橫傾下工作；極限工況（＞8級(jí)海況）下，能保證控制棒插入堆芯。

2 穩(wěn)壓器新型水位測(cè)量裝置傾斜和搖擺試驗(yàn)研究

處于海洋傾斜和搖擺工況時(shí)，穩(wěn)壓器水位因搖擺而發(fā)生晃蕩，陸上常規(guī)差壓式水位測(cè)量方法無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)量要求，需開(kāi)發(fā)搖擺工況下設(shè)備水位測(cè)量方法，一些學(xué)者對(duì)此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行了研究，李大鵬等開(kāi)發(fā)了一種蒸汽發(fā)生器水位計(jì)測(cè)量系統(tǒng)[4,5]，李來(lái)春等提出一種艦船主鍋爐水位的測(cè)量方法[6]，本文基于現(xiàn)有船用設(shè)備水位測(cè)量方法，研制了一套穩(wěn)壓器新型水位測(cè)量裝置，并對(duì)裝置在傾斜搖擺工況下的測(cè)量精度進(jìn)行了測(cè)試，以解決傾斜搖擺工況下的穩(wěn)壓器水位測(cè)量難題。

2.1 測(cè)量原理

穩(wěn)壓器水位測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)共有三個(gè)水位測(cè)量通道，由高參考管差壓計(jì)A、低參考管差壓計(jì)B、實(shí)際水位差壓計(jì)C兩兩組合而成，分別用1#、2#、3#來(lái)表示A-B、A-C、B-C測(cè)量通道，差壓計(jì)應(yīng)安裝在同一水平面上，高低參考管中的水位需保持滿(mǎn)水狀態(tài)。

圖1 新型水位測(cè)量系統(tǒng)

將作為分母，用cf1和cf2分別表示A-C、B-C在被送除法器進(jìn)行除法運(yùn)算之后的輸出電流，cf1、cf2為差壓計(jì)進(jìn)行除法運(yùn)算之后的轉(zhuǎn)換系數(shù)，則有

由上述公式的計(jì)算過(guò)程可知，測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行除法運(yùn)算，其輸出電流cf1和cf2僅與水位差成正比，消除了介質(zhì)密度、傾斜搖擺角度對(duì)水位測(cè)量的影響，即使用該裝置得到的測(cè)量結(jié)果不受船體傾斜、搖擺的影響。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要包括新型水位測(cè)量裝置，二次儀表，以及搖擺試驗(yàn)臺(tái)。

新型水位測(cè)量裝置主要結(jié)構(gòu)件有裝置殼體、補(bǔ)水管、高低參考管、水位測(cè)量接管、防晃液板、差壓變送器、閥門(mén)、儀表管線(xiàn)及管件、裝置支承底座等，在試驗(yàn)裝置周向設(shè)置了6根拉桿以確保搖擺試驗(yàn)過(guò)程的安全性，防晃液板可降低搖擺工況下液面晃蕩對(duì)水位測(cè)量結(jié)果的影響。參考管水位的恒定通過(guò)控制補(bǔ)水管流量來(lái)保持。新型水位測(cè)量裝置如圖2所示。

搖擺臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)±22.5°的傾斜搖擺試驗(yàn)。新型水位測(cè)量裝置的水位測(cè)量接管方位如圖3所示，其中，A、B分別對(duì)應(yīng)高、低參考管取壓口，考慮冗余，設(shè)置了C1、C2兩組實(shí)際水位取壓口，圖中橫軸（90°～270°）為縱搖中心線(xiàn)，縱軸（0°～180°）為橫搖中心線(xiàn)。

圖2 新型水位測(cè)量裝置

圖3 水位測(cè)量接管方位

2.3　試驗(yàn)項(xiàng)目

新型水位測(cè)量裝置性能驗(yàn)證試驗(yàn)重點(diǎn)研究了傾斜角度、傾斜方位及搖擺等運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)不同水位量程下裝置測(cè)量精度的影響，試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括：

（1）橫傾性能驗(yàn)證試驗(yàn)：試驗(yàn)裝置在橫向傾斜工況下（傾斜角度為22.5°），記錄10%、20%、38%、56%、70%水位測(cè)量結(jié)果；

（2）縱傾性能驗(yàn)證試驗(yàn)：試驗(yàn)裝置在縱向傾斜工況下（傾斜角度為22.5°），記錄10%、20%、38%、56%、70%水位測(cè)量結(jié)果；

（3）橫搖性能驗(yàn)證試驗(yàn)：試驗(yàn)裝置在橫向搖擺工況下（搖擺角度范圍在22.5°～-22.5°變動(dòng)，搖擺周期為10 s），記錄10%、20%、38%、56%、70%水位測(cè)量結(jié)果；

（4）縱搖性能驗(yàn)證試驗(yàn)：試驗(yàn)裝置在縱向搖擺工況下（搖擺角度范圍在22.5°～-22.5°變動(dòng)，搖擺周期為10 s），記錄10%、20%、38%、56%、70%水位測(cè)量結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

寬量程由高參考管與實(shí)際水位間的差壓變送器、高參考管與低參考管間的差壓變送器計(jì)算得到，窄量程由低參考管與實(shí)際水位間的差壓變送器、高參考管與低參考管間的差壓變送器計(jì)算得到。測(cè)量精度由寬、窄量程的測(cè)試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)前豎直工況參考水位差壓變送器測(cè)量值計(jì)算得到。試驗(yàn)裝置的測(cè)量精度結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 橫向傾斜（22.5°）測(cè)量精度曲線(xiàn)

圖5 縱向傾斜（22.5°）測(cè)量精度曲線(xiàn)

圖6 橫向搖擺測(cè)量精度曲線(xiàn)

圖7 縱向搖擺測(cè)量精度曲線(xiàn)

由圖4和圖5可知，傾斜工況下裝置的寬、窄量程測(cè)量精度的一致性較好，裝置的測(cè)量精度在-1.5%到+1%范圍內(nèi)，較為精確，且測(cè)量精度隨水位的升高而提高，說(shuō)明裝置在傾斜工況下的測(cè)量結(jié)果精確可靠。

由圖6和圖7可知，搖擺工況下裝置的寬、窄量程測(cè)量精度的一致性較好，說(shuō)明測(cè)量數(shù)據(jù)有效。橫向搖擺時(shí)，裝置的測(cè)量精度在0.5%到2%之間，較為精確，縱向搖擺時(shí)，裝置的測(cè)量精度在1%～4%。

搖擺測(cè)量精度稍差的原因分析如下，后續(xù)可針對(duì)這些原因?qū)υ囼?yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，從而提高裝置的搖擺測(cè)量精度：

（1）搖擺時(shí)產(chǎn)生的液體動(dòng)壓會(huì)沖擊C1，C2取壓口，導(dǎo)致測(cè)得的壓力產(chǎn)生偏差，特別是縱向搖擺時(shí)，兩個(gè)取壓口面臨更大的動(dòng)壓沖擊，從測(cè)量結(jié)果上看，縱向搖擺時(shí)的測(cè)量精度更差；

（2）搖擺時(shí)參考管中液體因晃蕩而溢出，導(dǎo)致不是滿(mǎn)水狀態(tài)，且補(bǔ)水流量較小，不能及時(shí)補(bǔ)充水量，導(dǎo)致參考管水位偏低，從而影響了測(cè)量精度；

（3）目前的補(bǔ)水管結(jié)構(gòu)無(wú)法做到均勻補(bǔ)水，補(bǔ)水流量較小時(shí)，無(wú)法保證高參考管滿(mǎn)水狀態(tài)，而補(bǔ)水流量過(guò)大時(shí)，液體的沖擊會(huì)使高、低參考管水位均無(wú)法達(dá)到滿(mǎn)水位狀態(tài)。要獲得較好的測(cè)量精度，補(bǔ)水流量控制非常關(guān)鍵；

（4）低水位處未設(shè)置防止液面晃蕩的防晃液板，因此水位較低時(shí)，搖擺引起水面劇烈晃蕩，導(dǎo)致測(cè)得的水位不是真實(shí)水位，影響了測(cè)量精度；

（5）搖擺時(shí)測(cè)量管線(xiàn)中產(chǎn)生了較多氣泡，產(chǎn)生測(cè)量誤差。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種新型水位測(cè)量裝置，從測(cè)量原理上論證了該裝置的水位測(cè)量結(jié)果不受傾斜、搖擺的影響，更進(jìn)一步，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)裝置的測(cè)量精度進(jìn)行了分析研究，并針對(duì)如何進(jìn)一步提高裝置測(cè)量精度這一問(wèn)題給出了改進(jìn)思路。

［1］ 廣東核電培訓(xùn)中心. 900 MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］. 北京：原子能出版社，2007：109-118.

［2］ 中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2012（第4分冊(cè)）［M］. 北京：人民交通出版社，2015.

［3］ 黃勇，何伯陽(yáng)，郭偉. 海上核電站儀控設(shè)備鑒定的方法與建議［J］. 自動(dòng)化與儀表，2018，33（12）：74-77.

［4］ 李大鵬，楊治東，趙巖松. 蒸發(fā)器雙參考管水位測(cè)量系統(tǒng)軟測(cè)量技術(shù)的改進(jìn)［J］. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2005，13（11）：1186-1188.

［5］ 李大鵬，孫豐瑞. 船用蒸汽發(fā)生器水位計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)［J］. 發(fā)電設(shè)備，1997（5）：28-30.

［6］ 李來(lái)春，王克. 艦船主鍋爐水位的測(cè)量［J］. 熱能動(dòng)力工程，2000，15（5）：567-570.

Inclination and Swing Experimental Study of the New Water Level Measuring Device for the Pressurizer

LIU Ke，HAO Tiancai，LU Guangyao

（Equipment Research Institute，China Nuclear Power Technology Research Institute Co.，Ltd.， Shenzhen of Guangdong Prov. 518031，China）

In order to realize accurate measurement of the pressurizer level of offshore nuclear power plant，ensure the safe operation of the reactor, the new water level measuring device is put forward. This paper discusses the measurement principle, test device, test items, and test results, shows the device can solve the problem of water level measurement for the pressurizer of offshore nuclear power plant, and provide important reference for equipment water level measurement under swing condition.

Pressurizer; Water level measurement; Structure design; Experimental study

TL48

A

0258-0918（2023）05-1059-05

2022-07-19

深圳市科技計(jì)劃資助（KQTD20200820145821019）

劉 科（1988—），男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)從事核反應(yīng)堆工程的研究