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            核電廠乏池液位計熱擴散測量模型研究

            來源: 作者: 發布日期:2021-05-25

             要:福清核電廠采用熱擴散原理的乏池液位計測量乏燃料水池液位,該乏池液位計通過參考電阻,消除環境溫度引入的干擾,但是由于儀表探測器內汽-液兩相轉變而引入的液化熱量,打破溫度補償機制,從而引入測量誤差,導致儀表讀數出現波動。通過建立熱擴散測量模型,深入研究乏池液位計測量機理和波動原因。

             
            1背景介紹
            福清核電及同行電廠的熱擴散式乏池液位計都曾發生液位示數波動,波形呈現間隔性尖峰,非常大波峰達到0.1m,且讀數波動多發生在機組大修裝卸料期間,受乏燃料余熱影響,乏池溫度上升至40℃左右,乏池蒸發量上升。乏池液位計波動趨勢如圖1所示。通過排查,導致儀表波動的部件是位于乏池中的探測器,該探測器集成度高,內部結構不易觀測,缺陷排查難度大。
            乏池液位計波動趨勢圖
            本文通過建立熱擴散測量模型,分析探測器工作機理及在不同工況下的熱擴散動態過程,從而定位乏池液位計讀數異常波動原因。
             
            2乏池液位計結構及原理
            2.1基本結構
            熱擴散式乏池液位計包含探測器、就地接線箱、信號處理柜、工作站,可以監測11.0~19.60m范圍內的連續液位,其結構如圖2所示。探測器為圓柱體結構,圓筒內由加熱器、工作電阻和參考電阻組成,其中工作電阻和參考電阻是同規格型號的熱電阻。信號處理柜包含恒壓恒流源、信號處理模塊、顯示模塊和信號轉換模塊。其中,恒壓恒流源為探測器組件的加熱器提供穩定供電;信號處理模塊接收工作電阻和參考電阻的電阻值,通過邏輯運算處理得到液位值,送顯示模塊顯示;信號轉換模塊負責將液位值轉換為4~20mA的電流信號并送到工作站。
            乏池液位計結構圖
            2.2測量原理
            在安裝設計上,探測器中加熱器與工作電阻距離較近,與參考電阻距離較遠,如圖3所示。加熱器水上部分的熱量擴散到工作電阻上,引起工作電阻阻值變化,擴散到參考電阻上的熱量可以忽略不計,不會引起參考電阻阻值變化,而加熱器水下部分的熱量被池水帶走,可忽略不計,因此工作電阻接收加熱器水上部分的熱量與乏池液位成比例關系。但是,工作電阻同時也受到乏池水溫和空氣溫度的影響,因此儀表設置了參考電阻來消除環境溫度對工作電阻的影響,即利用工作電阻和參考電阻的差值來換算當前液位值。
            乏池液位計結構圖
            3熱擴散測量模型分析
            3.1標準模型
            當探測器所處環境溫度變換相對穩定時,工作電阻及參考電阻受到環境溫度的影響一致,可以通過參考電阻的溫度補償,消除環境溫度對測量結果的影響。此時,可以使用熱擴散測量標準模型進行液位測量。標準模型如下:
            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總-L液=kRdelta=kRhtr(4)
             
            式中,Ract為工作電阻的阻值;Rref為參考電阻的阻值;Ract水上為工作電阻水上部分電阻值;Ract水下為工作電阻水下部分電阻值;Rref水上為參考電阻水上部分電阻值;Rref水下為參考電阻水下部分電阻值;Rhtr為工作電阻水上部分接收加熱器熱量而改變的阻值(水下部分忽略不計);Rair為工作電阻與參考電阻水上部分接收空氣熱量而改變的阻值;Rliquid為工作電阻與參考電阻水下部分接收池水熱量而改變的阻值;Rdelta為工作電阻和參考電阻的電阻差值;L液為水面上方高度;L總為乏池深度;k為比例系數。從式(4)可知,乏池液位計的液位示值僅與工作電阻上接收的加熱器熱量的電阻值有關,即乏池液位越高,工作電阻接收到加熱器熱量越少,工作電阻阻值也越小。在標準工況下,環境溫度對工作電阻的影響可以抵消。
             
            3.2特殊模型
            當探測器所處環境的物態變化頻繁時,即乏池溫度上升,蒸發量驟增,若蒸汽量達到一定水平后,汽-液兩相頻繁轉化,由于工作電阻及參考電阻表面溫度不同,水蒸氣在兩者表面液化速率不同,導致工作電阻及參考電阻受到環境溫度的影響不一致,打破環境溫度補償機制。此時,標準模型測量的結果會引入環境溫度誤差,需使用特殊模型進行液位測量。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總-L液=kRdelta=kRhtr+k(R′air-R′′air)(8)
            式中,R′air為工作電阻水上部分接收空氣熱量(含液化熱)而改變的阻值;R′′air為參考電阻水上部分接收空氣熱量(含液化熱)而改變的阻值。
             
            從式(8)可知,乏池液位計的液位示值不僅與工作電阻上接收的加熱器熱量有關,而且與工作電阻和參考電阻接收的空氣的熱量有關。當乏池水蒸氣在工作電阻和參考電阻上發生液化時,蒸汽與工作電阻和參考電阻鎧裝外殼表面的溫差不一樣,參考電阻與水蒸氣溫差大于工作電阻與水蒸氣溫差,水蒸氣在參考電阻表面液化更為劇烈,參考電阻接收到液化釋放的熱量更多,即R′air-R′′air差值為負。當發生液化時,液位示數會短時上升,當液化結束,空氣溫度趨于穩定后,液位示數會下降至先前水平。
             
            4 儀表波動原因
            4.1 原因分析
            從熱擴散的兩種測量模型可知,通常情況下乏池水溫和水上空氣溫度都是均勻作用在工作電阻和參考電阻上的,環境溫度對工作電阻的影響可以通過參考電阻抵消。即在環境溫度對工作電阻和參考電阻的效應一致的前提下,參考電阻可以起到環境溫度補償作用,消除環境溫度對工作電阻的 影 響。但是在特殊工況下,乏 池 溫 度 升 高,蒸發量逐漸增大至一定量時發生冷凝現象,引入液化釋放的熱量,導致環境溫度對工作電阻和參考電阻的效應不一致,因此乏池液位計發生間斷性波動。
             
            探測器內部的水蒸氣在濃度達到一定量后會在工作電阻和參考電阻外壁上發生液化,而 探 測 器 內 部 水 蒸 氣的濃度取決于探測器內部空間大小和散熱速率。從儀表設計圖可知,當前福清核電熱擴散液位計探測器的散熱孔僅3mm (通過該孔也可連接打氣裝置,模 擬 水 位 升 降,實現在線儀表 校 驗),散 熱 效 果 差,導致大修期間乏池水位升高后儀表頻繁波動。 
             
            4.2 設計優化
            為了減小探測器內水蒸氣液化對儀表測量結果的影響,從儀表設計上提出兩條優化措施:非常好,擴大散熱孔的孔徑,提升散熱效果;第二,在探測器內增加一個可隨液面上下浮動的擋板,減少蒸發量。通過以上兩個改進措施,可以有效緩解或解決乏池液位計讀數波動問題。 
             
            5 結語
            本文介紹了乏池液位計不同工況下的兩種測量模型,通過熱擴散測量機理分析測量模型,定位儀表異常波動的原因,并提出優化措施來解決乏池液位計波動問題。
             

             

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