要：福清核電廠采用熱擴(kuò)散原理的乏池液位計(jì)測(cè)量乏燃料水池液位，該乏池液位計(jì)通過(guò)參考電阻，消除環(huán)境溫度引入的干擾，但是由于儀表探測(cè)器內(nèi)汽－液兩相轉(zhuǎn)變而引入的液化熱量，打破溫度補(bǔ)償機(jī)制，從而引入測(cè)量誤差，導(dǎo)致儀表讀數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)。通過(guò)建立熱擴(kuò)散測(cè)量模型，深入研究乏池液位計(jì)測(cè)量機(jī)理和波動(dòng)原因。
１背景介紹
福清核電及同行電廠的熱擴(kuò)散式乏池液位計(jì)都曾發(fā)生液位示數(shù)波動(dòng)，波形呈現(xiàn)間隔性尖峰，非常大波峰達(dá)到０．１ｍ，且讀數(shù)波動(dòng)多發(fā)生在機(jī)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(fā)量上升。乏池液位計(jì)波動(dòng)趨勢(shì)如圖１所示。通過(guò)排查，導(dǎo)致儀表波動(dòng)的部件是位于乏池中的探測(cè)器，該探測(cè)器集成度高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易觀測(cè)，缺陷排查難度大。
本文通過(guò)建立熱擴(kuò)散測(cè)量模型，分析探測(cè)器工作機(jī)理及在不同工況下的熱擴(kuò)散動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而定位乏池液位計(jì)讀數(shù)異常波動(dòng)原因。
２乏池液位計(jì)結(jié)構(gòu)及原理
２．１基本結(jié)構(gòu)
熱擴(kuò)散式乏池液位計(jì)包含探測(cè)器、就地接線箱、信號(hào)處理柜、工作站，可以監(jiān)測(cè)１１．０～１９．６０ｍ范圍內(nèi)的連續(xù)液位，其結(jié)構(gòu)如圖２所示。探測(cè)器為圓柱體結(jié)構(gòu)，圓筒內(nèi)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(guī)格型號(hào)的熱電阻。信號(hào)處理柜包含恒壓恒流源、信號(hào)處理模塊、顯示模塊和信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊。其中，恒壓恒流源為探測(cè)器組件的加熱器提供穩(wěn)定供電；信號(hào)處理模塊接收工作電阻和參考電阻的電阻值，通過(guò)邏輯運(yùn)算處理得到液位值，送顯示模塊顯示；信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將液位值轉(zhuǎn)換為４～２０ｍＡ的電流信號(hào)并送到工作站。
２．２測(cè)量原理
在安裝設(shè)計(jì)上，探測(cè)器中加熱器與工作電阻距離較近，與參考電阻距離較遠(yuǎn)，如圖３所示。加熱器水上部分的熱量擴(kuò)散到工作電阻上，引起工作電阻阻值變化，擴(kuò)散到參考電阻上的熱量可以忽略不計(jì)，不會(huì)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(jì)，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(guān)系。但是，工作電阻同時(shí)也受到乏池水溫和空氣溫度的影響，因此儀表設(shè)置了參考電阻來(lái)消除環(huán)境溫度對(duì)工作電阻的影響，即利用工作電阻和參考電阻的差值來(lái)?yè)Q算當(dāng)前液位值。
３熱擴(kuò)散測(cè)量模型分析
３．１標(biāo)準(zhǔn)模型
當(dāng)探測(cè)器所處環(huán)境溫度變換相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，工作電阻及參考電阻受到環(huán)境溫度的影響一致，可以通過(guò)參考電阻的溫度補(bǔ)償，消除環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。此時(shí)，可以使用熱擴(kuò)散測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行液位測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)楣ぷ麟娮杷喜糠纸邮占訜崞鳠崃慷淖兊淖柚担ㄋ虏糠趾雎圆挥?jì)）；Ｒａｉｒ?yàn)楣ぷ麟娮枧c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(shù)。從式（４）可知，乏池液位計(jì)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(guān)，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(biāo)準(zhǔn)工況下，環(huán)境溫度對(duì)工作電阻的影響可以抵消。
３．２特殊模型
當(dāng)探測(cè)器所處環(huán)境的物態(tài)變化頻繁時(shí)，即乏池溫度上升，蒸發(fā)量驟增，若蒸汽量達(dá)到一定水平后，汽－液兩相頻繁轉(zhuǎn)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(dǎo)致工作電阻及參考電阻受到環(huán)境溫度的影響不一致，打破環(huán)境溫度補(bǔ)償機(jī)制。此時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)量的結(jié)果會(huì)引入環(huán)境溫度誤差，需使用特殊模型進(jìn)行液位測(cè)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?yàn)楣ぷ麟娮杷喜糠纸邮湛諝鉄崃浚ê夯療幔┒淖兊淖柚担唬?prime;′ａｉｒ?yàn)閰⒖茧娮杷喜糠纸邮湛諝鉄崃浚ê夯療幔┒淖兊淖柚怠?/div>
從式（８）可知，乏池液位計(jì)的液位示值不僅與工作電阻上接收的加熱器熱量有關(guān)，而且與工作電阻和參考電阻接收的空氣的熱量有關(guān)。當(dāng)乏池水蒸氣在工作電阻和參考電阻上發(fā)生液化時(shí)，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(fù)。當(dāng)發(fā)生液化時(shí)，液位示數(shù)會(huì)短時(shí)上升，當(dāng)液化結(jié)束，空氣溫度趨于穩(wěn)定后，液位示數(shù)會(huì)下降至先前水平。
４ 儀表波動(dòng)原因
４．１ 原因分析
從熱擴(kuò)散的兩種測(cè)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(huán)境溫度對(duì)工作電阻的影響可以通過(guò)參考電阻抵消。即在環(huán)境溫度對(duì)工作電阻和參考電阻的效應(yīng)一致的前提下，參考電阻可以起到環(huán)境溫度補(bǔ)償作用，消除環(huán)境溫度對(duì)工作電阻的 影 響。但是在特殊工況下，乏 池 溫 度 升 高，蒸發(fā)量逐漸增大至一定量時(shí)發(fā)生冷凝現(xiàn)象，引入液化釋放的熱量，導(dǎo)致環(huán)境溫度對(duì)工作電阻和參考電阻的效應(yīng)不一致，因此乏池液位計(jì)發(fā)生間斷性波動(dòng)。
探測(cè)器內(nèi)部的水蒸氣在濃度達(dá)到一定量后會(huì)在工作電阻和參考電阻外壁上發(fā)生液化，而 探 測(cè) 器 內(nèi) 部 水 蒸 氣的濃度取決于探測(cè)器內(nèi)部空間大小和散熱速率。從儀表設(shè)計(jì)圖可知，當(dāng)前福清核電熱擴(kuò)散液位計(jì)探測(cè)器的散熱孔僅３ｍｍ （通過(guò)該孔也可連接打氣裝置，模 擬 水 位 升 降，實(shí)現(xiàn)在線儀表 校 驗(yàn)），散 熱 效 果 差，導(dǎo)致大修期間乏池水位升高后儀表頻繁波動(dòng)。
４．２ 設(shè)計(jì)優(yōu)化
為了減小探測(cè)器內(nèi)水蒸氣液化對(duì)儀表測(cè)量結(jié)果的影響，從儀表設(shè)計(jì)上提出兩條優(yōu)化措施：非常好，擴(kuò)大散熱孔的孔徑，提升散熱效果；第二，在探測(cè)器內(nèi)增加一個(gè)可隨液面上下浮動(dòng)的擋板，減少蒸發(fā)量。通過(guò)以上兩個(gè)改進(jìn)措施，可以有效緩解或解決乏池液位計(jì)讀數(shù)波動(dòng)問(wèn)題。
５ 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了乏池液位計(jì)不同工況下的兩種測(cè)量模型，通過(guò)熱擴(kuò)散測(cè)量機(jī)理分析測(cè)量模型，定位儀表異常波動(dòng)的原因，并提出優(yōu)化措施來(lái)解決乏池液位計(jì)波動(dòng)問(wèn)題。
