CN105513655B - 核反应堆稳压器压力反馈式水位测量系统 - Google Patents

Abstract

核反应堆稳压器压力反馈式水位测量系统由平衡器2、导流管3、冷凝器4、引压管5、压力阀6、回流管7、引压管8、差压变送器9、引压管10等组成。在稳压器1内设置一个平衡器2，平衡器2通过引压管8与差压变送器9的正压腔连接，稳压器1底部通过引压管10与差压变送器9的负压腔连接。稳压器1顶部通过导流管3与冷凝器4顶部入口连接，冷凝器4底部出口通过回流管7与压力阀6入口连接，压力阀6出口通过回流管7回入到稳压器1内，并且回流管7的出口位于平衡器2上方。这种水位测量系统的有益之处在于：由冷凝器4和压力阀6所组成的压力反馈方法控制平衡器2参考水位的恒定，以防止当稳压器1工作压力低于水饱和压力时，平衡器2内的水发生汽化而使水位指示不正确。

Description

核反应堆稳压器压力反馈式水位测量系统

技术领域

本发明属核反应堆测量领域，涉及一种轻水型核反应堆稳压器的水位测量系统，具体地说，涉及依靠核反应堆稳压器压力控制的差压式水位测量系统中平衡器液位恒定的一种水位测量系统。

背景技术

稳压器是轻水型核反应堆四大主设备之一，其功能是稳定一回路的工作压力，使核反应堆处于稳定的工作状态。稳压器是一个具有一定蒸汽空间的水压力容器，水和蒸汽均处于高压饱和状态，其水位是核反应堆运行的重要监控参数，水位测量系统需要满足以下3个要求：

(1)正确指示稳压器中的水位，尤其是在事故状态下能指示正确水位；

(2)测量系统具有长期可靠性，至少在核反应堆设计寿命内不会发生机械性故障；

(3)维修方便，至少不需要工作人员经常进入核反应堆大厅进行维修。

至今，测量核反应堆压力容器水位技术有差压式水位测量系统(李西安，原子能科学技术，2013，47(4)，634-636)，电接点水位计(邓天勇，船电技术，2005，(1)，57-59)，物性水位计(何鹏等，中国发明专利申请，2013，201210441471.7)，热电偶水位计(王文然等，核电子学与探测技术，1997，17(3)，168-171)等等。差压式水位测量在运行和维修两方面同时具有强烈优势，仍是目前不可替代的水位测量方法。然而，这种测量方法也存在缺陷，当核反应堆压力下降时，可导致差压式水位测量系统中平衡器内水的汽化而使参考水位下降。这样，水位指示完全可以向相反的方向指示。这种情况可以在失水事故(如美国三里岛2号机组事故)，余热排出(如冷停堆)(熊国华，核动力工程，33(6)，96-100)等状态下发生，严重时可以导致核反应堆堆芯熔化的严重事故。

差压式水位测量系统的改进方法主要有：

(1)测量系统的改进：在压力壳2套回路中，每套水位测量系统设计3台差压变送器，分别用于主循环泵不运行、自然循环和一回路3台主循环泵任何一种组合状态下的水位测量，提供压力壳内两相流的空泡份额数；

(2)饱和水和饱和蒸汽的密度补偿：对压力容器中水的密度ρ_w和水蒸汽的密度ρ_v实现补偿；

(3)参考端水密度补偿：平衡器到差压变送器正压室有较大的温度梯度，用电阻温度计测量参考端各点温度，以补偿参考端水密度ρ_ref；

(4)平衡器结构：在事故状态下，平衡器内的水会汽化，差压变送器正压室压力下降出现假水位。在引压管线上安装隔离器、冷凝器、冷却平衡器或双平衡器来克服平衡器汽化。

本发明了一种由冷凝器和压力阀所组成的压力反馈方法控制平衡器参考水位的恒定，以防止当稳压器工作压力低于水饱和压力时，平衡器内的水发生汽化而使水位指示不正确，使这种水位测量系统在正常和事故状态下都能正确指示水位。

发明内容

本发明的目的是提供一种核反应堆稳压器的水位测量系统，它由平衡器2、导流管3、冷凝器4、引压管5.压力阀6、回流管7、引压管8、差压变送器9、引压管10等组成。在稳压器1内设置一个平衡器2，平衡器2通过引压管8与差压变送器9的正压腔连接，稳压器1底部通过引压管10与差压变送器9的负压腔连接。稳压器1顶部通过导流管3与冷凝器4顶部入口连接，冷凝器4底部出口通过回流管7与压力阀6入口连接，压力阀6出口通过回流管7回入到稳压器1内，并且回流管7的出口位于平衡器2上方。因平衡器2在稳压器1内，则平衡器2的工作温度与稳压器1一致。因冷凝器4在稳压器1外，则冷凝器4的工作温度要低于稳压器1工作温度。一般地，当稳压器1工作温度200-350℃时，冷凝器4的工作温度比稳压器1要低20-40℃。

压力阀6是由阀体11、阀瓣12、弹簧13、导杆14、导杆螺纹15、进压口16、压力室17、压力板18、阀头19组成。阀瓣12插入阀体11，对阀体11中的流体起开闭作用，阀瓣12连接着导杆14，导杆14末端有导杆螺纹15，压力板18下压弹簧13，弹簧13、导杆14、导杆螺纹15、压力板18等被装在阀头19内的压力室17，阀头19顶端有一进压口16，可以将压力导入到压力室17内。来自于引压管5的压力通过进压口16进入压力室17，压力室17的压力与稳压器1工作压力相等。导杆螺纹15可以调节压力阀6的压力设定值，该设定值在1.55-16.6MPa可选。

本发明的有益之处在于：

由冷凝器4和压力阀6所组成的压力反馈方法控制平衡器2参考水位的恒定，以防止当稳压器1工作压力低于水饱和压力时，平衡器2内的水发生汽化而使水位指示不正确。

附图说明

图1是核反应堆稳压器压力反馈式水位测量系统图。

图2是压力阀6结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明加以详细说明。

实施例1：

参见图1，核反应堆稳压器压力反馈式水位测量系统，由平衡器2、导流管3、冷凝器4、引压管5、压力阀6、回流管7、引压管8、差压变送器9、引压管10等组成。在稳压器1内设置一个平衡器2，平衡器2通过引压管8与差压变送器9的正压腔连接，稳压器1底部通过引压管10与差压变送器9的负压腔连接。稳压器1顶部通过导流管3与冷凝器4顶部入口连接，冷凝器4底部出口通过回流管7与压力阀6入口连接，压力阀6出口通过回流管7回入到稳压器1内，并且回流管7的出口位置于平衡器2上方。因平衡器2在稳压器1内，则平衡器2的工作温度与稳压器1一致。因冷凝器4在稳压器1外，则冷凝器4的工作温度要低于稳压器1工作温度。一般地，当稳压器1工作温度200-350℃时，冷凝器4的工作温度比稳压器1要低20-40℃。当稳压器1的工作压力高于压力阀6的压力设定值时，压力阀6处于关闭状态，反之，压力阀6处于开启状态。

上述水位测量系统的测量原理是：

平衡器2中的水位作为参考水位保持恒定，稳压器1中的水位作为可变水位，这两个水位分别通过引压管8和引压管10引入差压变送器9的正压腔室和负压腔室。差压变送器9正压腔室的压力为：

P₊＝P+ρ_refg H (1)

这里：P为稳压器1内压力，ρ_ref为平衡器水密度，g为重力加速度，H为平衡器2水位高度。差压变送器9的负压腔室连接在压力容器的底部，其压力为：

P_-＝P+ρ_wgh+ρ_vg(H-h) (2)

这里：h为稳压器水位高度，ρ_w为稳压器水密度，ρ_v为稳压器水蒸汽密度。这样，差压变送器9的压力差为：

ΔP＝P₊-P_-＝(ρ_ref-ρ_v)gH-(ρ_w-ρ_v)gh (3)

则，稳压器水位指示为：

由于平衡器2在稳压器1内，平衡器2中的水密度ρ_ref与稳压器1中的水密度ρ_w一致，这样，稳压器1中的水位指示值为：

在稳压器1正常工作时，稳压器1中的水和蒸汽均为饱和状态，ρ_w和ρ_v均为饱和水密度和饱和蒸汽密度。式(5)能很好地指示稳压器1内的水位，可以达到稳压器1水位测量的目的。同时，在稳压器1与冷凝器4之间温差的作用下，冷凝器4通过导流管3积聚了来自于稳压器1蒸汽的冷凝水。当稳压器1的工作压力高于压力阀6的压力设定值时，压力阀6处于关闭状态，阻断了冷凝器4中的冷凝水回流到稳压器1中。即在稳压器1正常工作状态下，平衡器2不需要补水维持参考水位恒定。

当稳压器1不正常工作时，如稳压器1上的安全阀起跳未回座，此刻，稳压器1内的压力将持续下降。当稳压器1压力低于水饱和压力时，平衡器2内的水将汽化。这样，平衡器2参考水位在下降，即使稳压器1内的水位不变化，差压ΔP也在减少。根据式(5)，水位指示值在上升，不能正确测量稳压器1内的水位，其后果给核反应堆操纵员提供不准确的稳压器1水位信息，会导致操纵员操作错误，产生失水等严重事故。而在本发明中，当稳压器1压力低于压力阀6的压力设定值时，压力阀6处于开启状态，冷凝器4中的冷凝水通过开启的压力阀6回流到稳压器1，给平衡器2补水，使平衡器2中水位保持恒定。这样，即使稳压器1因工作压力低于饱和压力而发生水汽化，也能正确指示稳压器1中的水位。

实施例2：

参见图2，压力阀6是由阀体11、阀瓣12、弹簧13、导杆14、导杆螺纹15、进压口16、压力室17、压力板18、阀头19组成。阀瓣12插入阀体11，对阀体11中的流体起开闭作用，阀瓣12连接着导杆14，导杆14末端有导杆螺纹15，压力板18下压弹簧13，弹簧13、导杆14、导杆螺纹15、压力板18等被装在阀头19内的压力室17，阀头19顶端有一进压口16，可以将压力导入到压力室17内。来自于引压管5的压力通过进压口16进入压力室17，使压力室17的压力与稳压器1工作压力相等。

弹簧13的弹性力通过压力板18与压力室17内的压力相互反作用。当它们的反作用达到平衡时，弹簧13的应变长度就确定，弹簧13的应变长度联动导杆14上的阀瓣12，使阀瓣12开启或关闭。当压力室17内的压力为0，弹簧13处于自由状态，其初始长度最长，阀瓣12开度最大。当压力室17内的压力逐渐增加，弹簧13处于压缩状态，阀瓣12开度减小，直到压力室17压力达到压力阀6的压力设定值，阀瓣12接触到阀体11，阻止了阀体11流体流通，压力阀6处于关闭状态。当压力室17的压力超过压力阀6的压力设定值时，由于阀体11的限位，阀瓣12始终接触阀体11，压力阀6始终处于关闭状态。通过导杆螺纹15可以调节弹簧13在自由状态下的阀瓣12开度初始位置。阀瓣12开度初始位置越小，阀瓣12关闭的压力室17压力越低，则压力阀6的压力设定值越小，反之，压力设定值越大。因此，导杆螺纹15可以调节压力阀6的压力设定值，该设定值在1.55-16.6MPa可选。

实施例3：

核反应堆启动前，稳压器1、平衡器2、导流管3、冷凝器4、引压管5、回流管7、引压管8、引压管10等所有压力容器、管阀线均充盈水，并且稳压器1内压力为0，压力阀6处于开启状态。反应堆启动时，稳压器1通过电加热元件加热，压力逐步增加，压力阀6逐步处于关闭状态。待稳压器1建立了蒸汽空间后，压力阀6已经处于关闭状态，冷凝器4的冷凝水已经存在，并且不会流失。当稳压器1处于正常稳定运行时，稳压器1通过热传导的将热量传递给冷凝器4，使冷凝器4的温度上升，且低于稳压器1的温度20-40℃。

Claims (1)

1.核反应堆稳压器压力反馈式水位测量系统，其特征在于，稳压器(1)顶部通过导流管(3)与冷凝器(4)顶部入口连接，冷凝器(4)底部出口通过回流管(7)与压力阀(6)入口连接，压力阀(6)出口通过回流管(7)回入到稳压器(1)内； 稳压器(1)顶部通过引压管(5)与压力阀(6)进压口(16)连接；压力阀(6)是由阀体(11)、阀瓣(12)、弹簧(13)、导杆(14)、导杆螺纹(15)、进压口(16)、压力室(17)、压力板(18)、阀头(19)组成，阀瓣(12)插入阀体(11)，对阀体(11)中的流体起开闭作用，阀瓣(12)连接着导杆(14)，导杆(14)末端有导杆螺纹(15)，压力板(18)下压弹簧(13)，弹簧(13)、导杆(14)、导杆螺纹(15)、压力板(18)等被装在阀头(19)内的压力室(17)，阀头(19)顶端有一进压口(16)，可以将压力导入到压力室(17)内。