羅 番，康 凱，陳華兵

(海南核電有限公司，海南 昌江 572700)

國(guó)內(nèi)某核電站穩(wěn)壓器水位測(cè)量系統(tǒng)由四個(gè)獨(dú)立的羅斯蒙特差壓變送器組成，其中三個(gè)熱態(tài)儀表(RCP007/008/011 MN)用于測(cè)量熱停堆及功率運(yùn)行期間的穩(wěn)壓器液位，一個(gè)冷態(tài)儀表(RCP012 MN)用于一回路沖排水過(guò)程中指示常溫常壓狀態(tài)下的穩(wěn)壓器的液位。在穩(wěn)壓器建立汽腔后的升溫升壓過(guò)程中，穩(wěn)壓器壓力與液位變送器的整定壓力相差較大，按照設(shè)計(jì)壓力參數(shù)整定的穩(wěn)壓器水位與實(shí)際水位誤差很大，甚至失去監(jiān)視意義。本文通過(guò)對(duì)穩(wěn)壓器水位的測(cè)量方法進(jìn)行理論分析，提出了基于I/A平臺(tái)邏輯組態(tài)的水位密度補(bǔ)償法，實(shí)現(xiàn)了正常中間停堆狀態(tài)下穩(wěn)壓器水位的測(cè)量，在單室平衡容器液位測(cè)量系統(tǒng)中具有推廣意義。

1 測(cè)量原理

以RCP007 MN為例，其測(cè)量安裝如表1所示下，變送器一側(cè)與穩(wěn)壓器下部管嘴相連，另一側(cè)與參考液毛細(xì)管相連，通過(guò)隔膜把參考液毛細(xì)管與冷凝罐隔開，防止穩(wěn)壓器水分中分離出的氫氣形成氣泡進(jìn)入毛細(xì)管。假設(shè)穩(wěn)壓器液位為h(以下部取壓接頭處為量程下限-5 m)，則變送器差壓為：

ΔP=P+-P-=ρLg(h-5)+ρvg(Dr-h+5)-Drρrg

(1)

(2)

上式中，Dp為上部取壓接頭到下部取壓接頭的距離，Dr為平衡罐水平面到下部取壓接頭的距離ρL為水密度，ρv為蒸汽密度，ρr為導(dǎo)壓管內(nèi)水密度。

圖1 穩(wěn)壓器液位測(cè)量圖

根據(jù)計(jì)算公式(1)，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入計(jì)算得到穩(wěn)壓器液位變送器的測(cè)量范圍見表1：

表1 測(cè)量范圍計(jì)算表

將差壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓器液位H時(shí)，是按設(shè)計(jì)工況進(jìn)行的,存在以下轉(zhuǎn)換計(jì)算式：

(3)

2 密度補(bǔ)償?shù)囊?/h2>

根據(jù)式(2)可知，穩(wěn)壓器水位，不僅與測(cè)量差壓有關(guān)，還隨穩(wěn)壓器內(nèi)介質(zhì)密度變化而變化。遷移計(jì)算書給出的是特定工況下的數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)工況偏離時(shí)，密度變化引起的測(cè)量誤差為：

(4)

高溫高壓的穩(wěn)壓器內(nèi)，水和水蒸汽一般處于或近似處于飽和狀態(tài)，而密度ρL、ρv、ρr都與穩(wěn)壓器內(nèi)壓力p有關(guān)，此時(shí)水密度和蒸汽密度都是穩(wěn)壓器壓力的單值函數(shù)[1]，不同工況下測(cè)量誤差計(jì)算見表2：

由表2可知，當(dāng)介質(zhì)工作溫度偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，差壓儀表測(cè)得液位會(huì)產(chǎn)生偏差。壓力變化引起的測(cè)量誤差因液位工作區(qū)間的變化而變化。在測(cè)量區(qū)域內(nèi)，液位越高，測(cè)量誤差越大；液位越低，測(cè)量誤差越小。如果指定ρr-ρv=f1(p)、ρL-ρv=f2(p)，則有：

(5)

表2 測(cè)量誤差計(jì)算表

根據(jù)公式(5)，設(shè)計(jì)穩(wěn)壓器液位密度補(bǔ)償運(yùn)算邏輯圖2如下：

圖2 密度補(bǔ)償邏輯圖

在冷停堆狀態(tài)時(shí)，穩(wěn)壓器內(nèi)充滿水或者空氣，不存在汽水分離界面，在一回路2.5 MPa壓力下建立汽腔以后，穩(wěn)壓器內(nèi)出現(xiàn)汽水分離界面，考慮穩(wěn)壓器正常運(yùn)行壓力小于16 MPa，進(jìn)行密度補(bǔ)償時(shí)，穩(wěn)壓器壓力區(qū)間為[2.5,16 MPa]。

平衡罐及儀表導(dǎo)壓管內(nèi)水在機(jī)組狀態(tài)變化時(shí)，水溫基本保持不變，雖然導(dǎo)壓管內(nèi)存在溫度分層現(xiàn)象[2]，水密度的數(shù)值變化并不大，近似認(rèn)為其為常數(shù)998.3 kg/m3。將壓力區(qū)間分為七段，根據(jù)《水和水蒸氣熱力性質(zhì)表》中的數(shù)據(jù)，在excel軟件中對(duì)介質(zhì)密度進(jìn)行分段線性擬合[4]，得到介質(zhì)密度與壓力的線性回歸方程如下表3所示。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

以施耐德公司的非安全級(jí)控制系統(tǒng)I/A平臺(tái)為例，在此軟件平臺(tái)下存在非線性函數(shù)模塊(CHARC)及數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊(MATH)，可有效實(shí)現(xiàn)密度補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算邏輯。計(jì)算得密度壓力折線在CHARC模塊內(nèi)坐標(biāo)點(diǎn)見表4所示，并以CHARC模塊輸出作為數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊的輸入：

表3 密度擬合折線表

表4 坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

差壓信號(hào)ΔP與穩(wěn)壓器液位線性相關(guān)，但現(xiàn)有的穩(wěn)壓器液位測(cè)量系統(tǒng)中，并無(wú)差壓信號(hào)ΔP可直接用于計(jì)算，而以換算后的電流輸入IE隔離卡件，得到穩(wěn)壓器液位，并參與緊急停堆、RPR和DAS保護(hù)邏輯。若想得到差壓測(cè)量數(shù)值，根據(jù)公式(3)同樣使用CHARC模塊進(jìn)行液位差壓信號(hào)的線性變換，差壓換算模塊對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)為(-5 m，-76730 Pa)、(3.5 m，-35560 Pa)，取函數(shù)輸入為穩(wěn)壓器熱態(tài)液位平均值RCP601 KM；取三個(gè)非線性函數(shù)模塊的運(yùn)算輸出，作為數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊的輸入?yún)?shù)，并將高度差Dr及重力加速度作為常數(shù)輸入，密度補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算邏輯如圖3所示。

圖3 運(yùn)算邏輯圖

穩(wěn)壓器壓力測(cè)量變送器測(cè)量范圍為11-18 MPa，當(dāng)穩(wěn)壓器壓力小于11 MPa時(shí)，考慮以一回路平均壓力RCP710 KM替代穩(wěn)壓器平均壓力RCP602 KM參與密度補(bǔ)償計(jì)算，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及變送器安裝高度差，取一回路壓力減去0.1 MPa為穩(wěn)壓器壓力。穩(wěn)壓器壓力計(jì)算采用CALC模塊，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器壓力信號(hào)的選擇，壓力計(jì)算模塊命名為1RCP_M1:PRES1，取值RI01=1RCP_M1：602 KM_M.PNT，RI02=1RCP_M1：710 KM_M.PNT ，RI03=11,RI04=0.1，I/A平臺(tái)下邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)步驟見圖4：

圖4 運(yùn)算步驟

在模擬機(jī)平臺(tái)上新增CHARC模塊：1RCP_M1：CH1(MEAS=1RCP_M1:PRES1.RO01)、1RCP_M1：CH2(MEAS=1RCP_M1: PRES1.RO01)、1RCP_M1：CH3(MEAS=1RCP_N1:601 KM_M.PNT)，新增MATH模塊1RCP_M1：MA1；根據(jù)公式(5)，運(yùn)算模塊主要參數(shù)組態(tài)及邏輯運(yùn)算步驟邏輯如圖5所示：

RI01=RCP_M1：CH1.OUT

RI02=RCP_M1：CH2.OUT

RI03=RCP_M1：CH3.OUT

RI04=9.8

RI05=8.692

RI06=5.00

圖5 組態(tài)參數(shù)

選取1號(hào)機(jī)組功率運(yùn)行狀態(tài)下數(shù)據(jù)點(diǎn)如下，并在模擬機(jī)上進(jìn)行密度補(bǔ)償邏輯運(yùn)算，得到相關(guān)運(yùn)算數(shù)據(jù)見表5：

可知功率運(yùn)行情況下，采用密度補(bǔ)償后計(jì)算得到的液位與現(xiàn)有測(cè)量方法及真實(shí)液位的偏差均小于0.9%，參照過(guò)程儀表定期試驗(yàn)完整性說(shuō)明，進(jìn)行一致性檢查驗(yàn)證，顯然偏差小于驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)2.53%?？紤]到進(jìn)行密度補(bǔ)償?shù)挠?jì)算數(shù)據(jù)中，穩(wěn)壓器壓力信號(hào)及差壓信號(hào)均需經(jīng)過(guò)隔離模塊、保護(hù)通道，此精度誤差已處于可接受范圍內(nèi)。

功率運(yùn)行期間，穩(wěn)壓器壓力及液位處于自動(dòng)控制，液位及壓力的波動(dòng)較小，壓力密度曲線的擬合偏差不大，應(yīng)擴(kuò)大驗(yàn)證范圍。選取機(jī)組103大修期間穩(wěn)壓器正常中間停堆狀態(tài)下充排水過(guò)程如圖6所示，進(jìn)行分析。

圖6 中間停堆液位

此時(shí)穩(wěn)壓器液位變化趨勢(shì)明顯，分別代入數(shù)據(jù)，得到密度補(bǔ)償后液位如表7所示：

根據(jù)穩(wěn)壓器汽相及液相溫度查詢介質(zhì)密度后代入公式(2)計(jì)算真實(shí)液位數(shù)據(jù)如表6所示：

根據(jù)穩(wěn)壓器汽相及液相溫度查詢介質(zhì)密度后代入公式(2)計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)真實(shí)液位如表8所示。

表5 功率運(yùn)行補(bǔ)償液位表

表6 功率運(yùn)行真實(shí)液位表

表7 中間停堆補(bǔ)償液位表

表8 中間停堆真實(shí)液位表

比較可知，在正常中間停堆狀態(tài)下，密度補(bǔ)償法所得液位與真實(shí)液位偏差小于0.05 m，基本實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓器液位測(cè)量的較高精度。

4 誤差分析

密度補(bǔ)償運(yùn)算中介質(zhì)密度誤差由擬合公式的誤差和變送器的測(cè)量誤差構(gòu)成[4]。其中測(cè)量變送器為羅斯蒙特1154系列，其測(cè)量精度為0.25%。I/A平臺(tái)內(nèi)的CHARC模塊最多可實(shí)現(xiàn)20段折線來(lái)模擬一條曲線，即擬合壓力區(qū)間可縮小至0.7 MPa，擬合精度將得到提高，補(bǔ)償計(jì)算的誤差也會(huì)隨之減小。當(dāng)壓力小于11 MPa時(shí)，本文采用了一回路壓力替代穩(wěn)壓器壓力的方法，但當(dāng)一回路溫度壓力變化時(shí)，一回路冷卻劑密度變化，取壓點(diǎn)高度差產(chǎn)生的壓力偏差會(huì)發(fā)生變化，此項(xiàng)誤差對(duì)密度補(bǔ)償?shù)挠绊?，同樣不可忽視?/p>

在單室平衡容器水位測(cè)量系統(tǒng)中，導(dǎo)壓管水柱密度一般設(shè)定為固定值，但實(shí)際豎直管段的熱分層現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生密度偏差，影響測(cè)量精度。文獻(xiàn)[5]對(duì)17 MPa下的火電廠鍋爐汽包差壓液位的導(dǎo)壓管中的水柱密度進(jìn)行了測(cè)量，在導(dǎo)壓管500 mm的長(zhǎng)度內(nèi)，水柱溫度由最高的300°迅速下降為35°，且溫度分布為非線性，500 mm以下水柱溫度基本不再變化。

由于缺乏相關(guān)穩(wěn)壓器液位測(cè)量導(dǎo)壓管溫度分布數(shù)據(jù)，僅以粗略類比進(jìn)行分析。正壓側(cè)由于取樣管線近似水平，溫度變化引起的豎向壓力測(cè)量偏差可忽略不計(jì)。假設(shè)穩(wěn)壓器平衡罐豎直管段在500 mm內(nèi)，溫度由250°降至50°(考慮穩(wěn)壓器房間溫度較高)，以此段溫度平均為150°(壓力15.4 MPa，密度為925.243 kg/m3)進(jìn)行替代計(jì)算，壓力測(cè)量偏差計(jì)算如下：

ΔP降=(998.3-925.243)×9.8×0.5

=357.98Pa

轉(zhuǎn)換為液位測(cè)量偏約為

但在進(jìn)行密度補(bǔ)償時(shí)，不同工況下的豎直管段溫度分布并不一樣，其測(cè)量誤差是不恒定的[3]，但不大于功率運(yùn)行狀態(tài)下的測(cè)量偏差。在穩(wěn)壓器的液位測(cè)量過(guò)程中，可在獲取相關(guān)溫度數(shù)據(jù)后，查詢水柱的密度分布后，在儀表零點(diǎn)校驗(yàn)過(guò)程中，消除此項(xiàng)誤差。

變送器維修時(shí)，冷凝器充水使用的是除鹽水，穩(wěn)壓器滿水狀態(tài)下，一回路冷卻劑會(huì)進(jìn)入冷凝罐，冷凝管中會(huì)變?yōu)楹鹚臍v次檢修經(jīng)驗(yàn)看，冷凝管線接頭出現(xiàn)硼結(jié)晶也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。但由于穩(wěn)壓器熱態(tài)液位計(jì)存在隔離膜片，隔離膜片上側(cè)為含硼水，高度僅約為0.7 m，隔離膜片下為內(nèi)部充純水的毛細(xì)管(高度約8 m)。冷凝罐中含硼后，密度變化對(duì)測(cè)量誤差的影響可忽略不計(jì)。

在補(bǔ)償液位計(jì)算中，一般把實(shí)際工況近似作為飽和水汽平衡狀態(tài)進(jìn)行處理，但如果工況變化較大，如存在穩(wěn)壓器噴淋，有冷熱水注入容器時(shí)，實(shí)際工況則有可能偏離飽和工況，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算模型與實(shí)際工況的偏差。

5 研究意義及應(yīng)用拓展

本文通過(guò)對(duì)穩(wěn)壓器液位測(cè)量原理的分析，提出了基于I/A系統(tǒng)邏輯組態(tài)的密度補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)了正常中間停堆工況下穩(wěn)壓器液位的精確測(cè)量，為機(jī)組上下行期間提供了一種準(zhǔn)確測(cè)量穩(wěn)壓器液位的手段。將密度補(bǔ)償法應(yīng)用于機(jī)組功率運(yùn)行期間，將有助于提高穩(wěn)壓器水位的測(cè)量精度，避免機(jī)組瞬態(tài)情況下，大范圍壓力波動(dòng)引起的虛假水位。

密度補(bǔ)償法對(duì)其他單室平衡容器的水位測(cè)量精度提高也具有一定的推廣意義。高壓加熱器液位測(cè)量結(jié)構(gòu)與穩(wěn)壓器類似，大修結(jié)束后的機(jī)組啟動(dòng)期間，抽汽壓力由零逐漸增加至2.5 MPa(對(duì)應(yīng)電功率約550 MW)，在機(jī)組電功率提升期間，抽汽壓力又升至2.9 MPa(對(duì)應(yīng)電功率約650 MW)。不同電功率平臺(tái)下，內(nèi)部疏水密度與蒸汽密度的變化，引起液位測(cè)量偏差最大達(dá)20 mm，接近儀表測(cè)量精度的十倍。考慮將高加抽汽壓力作為變量引入，在不改變測(cè)量方式的情況下，通過(guò)基于控制系統(tǒng)組態(tài)密度補(bǔ)償法，將有助于提升高加液位測(cè)量的精度。