稳压器新型水位测量装置倾斜和摇摆试验研究

刘　科，郝天才，路广遥

稳压器新型水位测量装置倾斜和摇摆试验研究

刘科，郝天才，路广遥

（中广核研究院有限公司 设备研究所，广东 深圳 518031）

为实现海上浮动核电站稳压器水位的精确测量，保证反应堆的运行安全，提出一种新型水位测量装置。本文分别从测量原理，试验装置，试验项目，以及试验结果分析4个方面展开论述，验证了该装置能够解决海上浮动核电站稳压器的水位测量问题，为摇摆工况下设备水位测量提供重要参考。

稳压器；水位测量；结构设计；试验研究

随着我国海洋经济开发逐渐深化，对海上分布式能源基地的需求已经显现。海上浮动核电站以其功率密度高、燃料补给需求低、安全、机动、多用途、模块化、清洁无污染的特点，成为满足海上能源需求的首选。浮动核电站基于成熟小型反应堆技术，安全设计纳入能动和非能动安全系统，超过三代核电标准，充分具备市场化推广的必要安全条件。

稳压器是对一回路压力进行控制和超压保护的重要设备，稳压器水位的情况在一定程度上反映了反应堆运行功率水平。反应堆运行时，随着功率的改变，一回路平均温度不断变化，这也引起一回路水体积的变化，所以稳压器水位也随之变化。但稳压器的水位不能太高或太低，太高导致压力调节失效，太低使电加热器裸露在蒸汽空间而烧毁[1]，因此，对稳压器水位的准确测量至关重要。

1 海上浮动核电站稳压器需考虑的海洋环境条件

海上浮动核电站运行时，需考虑的海洋环境条件有：温度、压力、湿度、倾斜、摇摆、冲击、盐雾、霉菌等，其中倾斜和摇摆对稳压器水位测量结果影响较大。GJB 4000—2000对1～9级海况进行了定义，并结合船舶与海洋工程规范要求和经验，将6级及以下海况定义为正常作业海洋条件，将8级海况定义为设计基准海洋条件，8级以上海况定义为极限工况，根据GB/T 2423.101—2008并结合海上浮动核电站的实际情况，倾斜和摇摆参数如表1[2,3]所示。

表1 海上浮动核电站倾斜和摇摆参数

注：对于应急电源，应保证30°横倾下工作；极限工况（＞8级海况）下，能保证控制棒插入堆芯。

2 稳压器新型水位测量装置倾斜和摇摆试验研究

处于海洋倾斜和摇摆工况时，稳压器水位因摇摆而发生晃荡，陆上常规差压式水位测量方法无法满足测量要求，需开发摇摆工况下设备水位测量方法，一些学者对此类问题进行了研究，李大鹏等开发了一种蒸汽发生器水位计测量系统[4,5]，李来春等提出一种舰船主锅炉水位的测量方法[6]，本文基于现有船用设备水位测量方法，研制了一套稳压器新型水位测量装置，并对装置在倾斜摇摆工况下的测量精度进行了测试，以解决倾斜摇摆工况下的稳压器水位测量难题。

2.1 测量原理

稳压器水位测量系统如图1所示，该系统共有三个水位测量通道，由高参考管差压计A、低参考管差压计B、实际水位差压计C两两组合而成，分别用1#、2#、3#来表示A-B、A-C、B-C测量通道，差压计应安装在同一水平面上，高低参考管中的水位需保持满水状态。

图1 新型水位测量系统

将作为分母，用cf1和cf2分别表示A-C、B-C在被送除法器进行除法运算之后的输出电流，cf1、cf2为差压计进行除法运算之后的转换系数，则有

由上述公式的计算过程可知，测量系统通过对测量信号进行除法运算，其输出电流cf1和cf2仅与水位差成正比，消除了介质密度、倾斜摇摆角度对水位测量的影响，即使用该装置得到的测量结果不受船体倾斜、摇摆的影响。

2.2 试验装置

试验装置主要包括新型水位测量装置，二次仪表，以及摇摆试验台。

新型水位测量装置主要结构件有装置壳体、补水管、高低参考管、水位测量接管、防晃液板、差压变送器、阀门、仪表管线及管件、装置支承底座等，在试验装置周向设置了6根拉杆以确保摇摆试验过程的安全性，防晃液板可降低摇摆工况下液面晃荡对水位测量结果的影响。参考管水位的恒定通过控制补水管流量来保持。新型水位测量装置如图2所示。

摇摆台能够实现±22.5°的倾斜摇摆试验。新型水位测量装置的水位测量接管方位如图3所示，其中，A、B分别对应高、低参考管取压口，考虑冗余，设置了C1、C2两组实际水位取压口，图中横轴（90°～270°）为纵摇中心线，纵轴（0°～180°）为横摇中心线。

图2 新型水位测量装置

图3 水位测量接管方位

2.3　试验项目

新型水位测量装置性能验证试验重点研究了倾斜角度、倾斜方位及摇摆等运动参数对不同水位量程下装置测量精度的影响，试验项目主要包括：

（1）横倾性能验证试验：试验装置在横向倾斜工况下（倾斜角度为22.5°），记录10%、20%、38%、56%、70%水位测量结果；

（2）纵倾性能验证试验：试验装置在纵向倾斜工况下（倾斜角度为22.5°），记录10%、20%、38%、56%、70%水位测量结果；

（3）横摇性能验证试验：试验装置在横向摇摆工况下（摇摆角度范围在22.5°～-22.5°变动，摇摆周期为10 s），记录10%、20%、38%、56%、70%水位测量结果；

（4）纵摇性能验证试验：试验装置在纵向摇摆工况下（摇摆角度范围在22.5°～-22.5°变动，摇摆周期为10 s），记录10%、20%、38%、56%、70%水位测量结果。

3 结果与分析

宽量程由高参考管与实际水位间的差压变送器、高参考管与低参考管间的差压变送器计算得到，窄量程由低参考管与实际水位间的差压变送器、高参考管与低参考管间的差压变送器计算得到。测量精度由宽、窄量程的测试结果与实验前竖直工况参考水位差压变送器测量值计算得到。试验装置的测量精度结果如图4～图7所示。

图4 横向倾斜（22.5°）测量精度曲线

图5 纵向倾斜（22.5°）测量精度曲线

图6 横向摇摆测量精度曲线

图7 纵向摇摆测量精度曲线

由图4和图5可知，倾斜工况下装置的宽、窄量程测量精度的一致性较好，装置的测量精度在-1.5%到+1%范围内，较为精确，且测量精度随水位的升高而提高，说明装置在倾斜工况下的测量结果精确可靠。

由图6和图7可知，摇摆工况下装置的宽、窄量程测量精度的一致性较好，说明测量数据有效。横向摇摆时，装置的测量精度在0.5%到2%之间，较为精确，纵向摇摆时，装置的测量精度在1%～4%。

摇摆测量精度稍差的原因分析如下，后续可针对这些原因对试验装置进行改进，从而提高装置的摇摆测量精度：

（1）摇摆时产生的液体动压会冲击C1，C2取压口，导致测得的压力产生偏差，特别是纵向摇摆时，两个取压口面临更大的动压冲击，从测量结果上看，纵向摇摆时的测量精度更差；

（2）摇摆时参考管中液体因晃荡而溢出，导致不是满水状态，且补水流量较小，不能及时补充水量，导致参考管水位偏低，从而影响了测量精度；

（3）目前的补水管结构无法做到均匀补水，补水流量较小时，无法保证高参考管满水状态，而补水流量过大时，液体的冲击会使高、低参考管水位均无法达到满水位状态。要获得较好的测量精度，补水流量控制非常关键；

（4）低水位处未设置防止液面晃荡的防晃液板，因此水位较低时，摇摆引起水面剧烈晃荡，导致测得的水位不是真实水位，影响了测量精度；

（5）摇摆时测量管线中产生了较多气泡，产生测量误差。

4 结论

本研究设计了一种新型水位测量装置，从测量原理上论证了该装置的水位测量结果不受倾斜、摇摆的影响，更进一步，通过试验对装置的测量精度进行了分析研究，并针对如何进一步提高装置测量精度这一问题给出了改进思路。

［1］ 广东核电培训中心. 900 MW压水堆核电站系统与设备［M］. 北京：原子能出版社，2007：109-118.

［2］ 中国船级社. 钢质海船入级规范2012（第4分册）［M］. 北京：人民交通出版社，2015.

［3］ 黄勇，何伯阳，郭伟. 海上核电站仪控设备鉴定的方法与建议［J］. 自动化与仪表，2018，33（12）：74-77.

［4］ 李大鹏，杨治东，赵岩松. 蒸发器双参考管水位测量系统软测量技术的改进［J］. 计算机测量与控制，2005，13（11）：1186-1188.

［5］ 李大鹏，孙丰瑞. 船用蒸汽发生器水位计测量系统的改进［J］. 发电设备，1997（5）：28-30.

［6］ 李来春，王克. 舰船主锅炉水位的测量［J］. 热能动力工程，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

深圳市科技计划资助（KQTD20200820145821019）

刘 科（1988—），男，湖北武汉人，高级工程师，硕士，现从事核反应堆工程的研究