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核电厂乏池液位计热扩散测量模型研究

来源: 作者: 发布日期:2021-05-25

 要:福清核电厂采用热扩散原理的乏池液位计测量乏燃料水池液位,该乏池液位计通过参考电阻,消除环境温度引入的干扰,但是由于仪表探测器内汽-液两相转变而引入的液化热量,打破温度补偿机制,从而引入测量误差,导致仪表读数出现波动。通过建立热扩散测量模型,深入研究乏池液位计测量机理和波动原因。

 
1背景介绍
福清核电及同行电厂的热扩散式乏池液位计都曾发生液位示数波动,波形呈现间隔性尖峰,非常大波峰达到0.1m,且读数波动多发生在机组大修装卸料期间,受乏燃料余热影响,乏池温度上升至40℃左右,乏池蒸发量上升。乏池液位计波动趋势如图1所示。通过排查,导致仪表波动的部件是位于乏池中的探测器,该探测器集成度高,内部结构不易观测,缺陷排查难度大。
乏池液位计波动趋势图
本文通过建立热扩散测量模型,分析探测器工作机理及在不同工况下的热扩散动态过程,从而定位乏池液位计读数异常波动原因。
 
2乏池液位计结构及原理
2.1基本结构
热扩散式乏池液位计包含探测器、就地接线箱、信号处理柜、工作站,可以监测11.0~19.60m范围内的连续液位,其结构如图2所示。探测器为圆柱体结构,圆筒内由加热器、工作电阻和参考电阻组成,其中工作电阻和参考电阻是同规格型号的热电阻。信号处理柜包含恒压恒流源、信号处理模块、显示模块和信号转换模块。其中,恒压恒流源为探测器组件的加热器提供稳定供电;信号处理模块接收工作电阻和参考电阻的电阻值,通过逻辑运算处理得到液位值,送显示模块显示;信号转换模块负责将液位值转换为4~20mA的电流信号并送到工作站。
乏池液位计结构图
2.2测量原理
在安装设计上,探测器中加热器与工作电阻距离较近,与参考电阻距离较远,如图3所示。加热器水上部分的热量扩散到工作电阻上,引起工作电阻阻值变化,扩散到参考电阻上的热量可以忽略不计,不会引起参考电阻阻值变化,而加热器水下部分的热量被池水带走,可忽略不计,因此工作电阻接收加热器水上部分的热量与乏池液位成比例关系。但是,工作电阻同时也受到乏池水温和空气温度的影响,因此仪表设置了参考电阻来消除环境温度对工作电阻的影响,即利用工作电阻和参考电阻的差值来换算当前液位值。
乏池液位计结构图
3热扩散测量模型分析
3.1标准模型
当探测器所处环境温度变换相对稳定时,工作电阻及参考电阻受到环境温度的影响一致,可以通过参考电阻的温度补偿,消除环境温度对测量结果的影响。此时,可以使用热扩散测量标准模型进行液位测量。标准模型如下:
Ract=Ract水上+Ract水下=(Rhtr+Rair)+Rliquid(1)
Rref=Rref水上+Rref水下=Rair+Rliquid(2)
Rdelta=Ract-Rref=Rhtr(3)
L总-L液=kRdelta=kRhtr(4)
 
式中,Ract为工作电阻的阻值;Rref为参考电阻的阻值;Ract水上为工作电阻水上部分电阻值;Ract水下为工作电阻水下部分电阻值;Rref水上为参考电阻水上部分电阻值;Rref水下为参考电阻水下部分电阻值;Rhtr为工作电阻水上部分接收加热器热量而改变的阻值(水下部分忽略不计);Rair为工作电阻与参考电阻水上部分接收空气热量而改变的阻值;Rliquid为工作电阻与参考电阻水下部分接收池水热量而改变的阻值;Rdelta为工作电阻和参考电阻的电阻差值;L液为水面上方高度;L总为乏池深度;k为比例系数。从式(4)可知,乏池液位计的液位示值仅与工作电阻上接收的加热器热量的电阻值有关,即乏池液位越高,工作电阻接收到加热器热量越少,工作电阻阻值也越小。在标准工况下,环境温度对工作电阻的影响可以抵消。
 
3.2特殊模型
当探测器所处环境的物态变化频繁时,即乏池温度上升,蒸发量骤增,若蒸汽量达到一定水平后,汽-液两相频繁转化,由于工作电阻及参考电阻表面温度不同,水蒸气在两者表面液化速率不同,导致工作电阻及参考电阻受到环境温度的影响不一致,打破环境温度补偿机制。此时,标准模型测量的结果会引入环境温度误差,需使用特殊模型进行液位测量。特殊模型如下:
Ract=Ract水上+Ract水下=(Rhtr+R′air)+Rliquid(5)
Rref=Rref水上+Rref水下=R′′air+Rliquid(6)
Rdelta=Ract-Rref=Rhtr+R′air-R′′air(7)
L总-L液=kRdelta=kRhtr+k(R′air-R′′air)(8)
式中,R′air为工作电阻水上部分接收空气热量(含液化热)而改变的阻值;R′′air为参考电阻水上部分接收空气热量(含液化热)而改变的阻值。
 
从式(8)可知,乏池液位计的液位示值不仅与工作电阻上接收的加热器热量有关,而且与工作电阻和参考电阻接收的空气的热量有关。当乏池水蒸气在工作电阻和参考电阻上发生液化时,蒸汽与工作电阻和参考电阻铠装外壳表面的温差不一样,参考电阻与水蒸气温差大于工作电阻与水蒸气温差,水蒸气在参考电阻表面液化更为剧烈,参考电阻接收到液化释放的热量更多,即R′air-R′′air差值为负。当发生液化时,液位示数会短时上升,当液化结束,空气温度趋于稳定后,液位示数会下降至先前水平。
 
4 仪表波动原因
4.1 原因分析
从热扩散的两种测量模型可知,通常情况下乏池水温和水上空气温度都是均匀作用在工作电阻和参考电阻上的,环境温度对工作电阻的影响可以通过参考电阻抵消。即在环境温度对工作电阻和参考电阻的效应一致的前提下,参考电阻可以起到环境温度补偿作用,消除环境温度对工作电阻的 影 响。但是在特殊工况下,乏 池 温 度 升 高,蒸发量逐渐增大至一定量时发生冷凝现象,引入液化释放的热量,导致环境温度对工作电阻和参考电阻的效应不一致,因此乏池液位计发生间断性波动。
 
探测器内部的水蒸气在浓度达到一定量后会在工作电阻和参考电阻外壁上发生液化,而 探 测 器 内 部 水 蒸 气的浓度取决于探测器内部空间大小和散热速率。从仪表设计图可知,当前福清核电热扩散液位计探测器的散热孔仅3mm (通过该孔也可连接打气装置,模 拟 水 位 升 降,实现在线仪表 校 验),散 热 效 果 差,导致大修期间乏池水位升高后仪表频繁波动。 
 
4.2 设计优化
为了减小探测器内水蒸气液化对仪表测量结果的影响,从仪表设计上提出两条优化措施:非常好,扩大散热孔的孔径,提升散热效果;第二,在探测器内增加一个可随液面上下浮动的挡板,减少蒸发量。通过以上两个改进措施,可以有效缓解或解决乏池液位计读数波动问题。 
 
5 结语
本文介绍了乏池液位计不同工况下的两种测量模型,通过热扩散测量机理分析测量模型,定位仪表异常波动的原因,并提出优化措施来解决乏池液位计波动问题。
 

 

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