CN105547406A - 核电厂蒸汽发生器水位测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种核电厂蒸汽发生器水位测量系统及测量方法。所述测量系统包括差压变送器、冷凝罐、温度仪表和数字化水位计算系统；温度仪表用于测量蒸汽发生器内水的温度T，数字化水位计算系统与差压变送器、温度仪表分别电连接，用于接收二者的差压信号和温度信号，并计算出蒸汽发生器内的水位高度。所述测量方法是利用上述测量系统测量蒸汽发生器内的水位高度的方法。与现有技术相比，本发明核电厂蒸汽发生器水位测量系统及测量方法通过设置温度仪表测量蒸汽发生器内水的温度，并引用温度信号修正蒸汽发生器内水和蒸汽的密度，使蒸汽发生器水位测量结果不受介质密度影响的水位测量系统，达到了提高测量精度的目的。

Description

核电厂蒸汽发生器水位测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于核电厂蒸汽发生器水位测量领域，更具体地说，本发明涉及一种核电厂蒸汽发生器水位测量系统及测量方法。

背景技术

在核电厂中，蒸汽发生器(SG)二回路的水由反应堆及其一回路系统所产生的热量加热，产生的蒸汽被输送到常规岛推动汽轮机做功发电，因此，二回路具有足够的水装量是反应堆堆芯被正常冷却和机组正常发电的保证，也是机组冷停堆阶段蒸汽发生器湿保养功能实现的保证。

请参阅图1，在已知核电站中，蒸汽发生器二回路水装量由蒸汽发生器水位直接表征，冷停堆阶段的蒸汽发生器水位采用差压式水位计进行测量。差压式水位计的工作原理是把水位高度的变化转化为差压变化，根据差压和水位的对应关系得到蒸汽发生器20内的实际水位高度。由于在机组冷停堆阶段，蒸汽发生器二次侧内的流体状态仍旧是汽、水两相，因此在差压变送器10的参考液位侧设置一个冷凝罐14，冷凝罐14和蒸汽发生器20的汽相空间相连，使参考液位维持不变。差压变送器10的测量侧和蒸汽发生器20的液相连接，该侧压力随着水位变化。因此，差压变送器10的测量差压ΔP也就随着水位的变化而变化，测量差压ΔP和被测水位之间的关系为：

ΔP＝ρ_r×g×H-[ρ_w×g×h+ρ_s×g×(H-h)]---式(1)；

在式(1)中：ΔP为差压变送器10的测量差压(Pa)；ρ_r为差压变送器10的参考液位侧水密度，近似为环境温度下的水密度(kg/m³)；H为差压变送器10的参考液位高度，等于冷凝罐14自由液面和蒸汽发生器底部取压管接口的高度差(m)；ρ_w为蒸汽发生器内水的密度(kg/m³)；h为蒸汽发生器内的水位高度(相对于底部取压管接口，m)，即被测水位；ρ_s为蒸汽发生器内蒸汽的密度(kg/m³)；g为重力加速度(9.8m/s²)。

对于蒸汽发生器水位测量来说，在水位测量装置安装完成后，H即为常数；反应堆厂房内环境温度基本恒定，ρ_r亦可确定。因此，差压变送器10的测量差压ΔP就只和蒸汽发生器内的水位高度h以及蒸汽发生器20内的水、蒸汽的密度ρ_w、ρ_s有关。

在已知核电厂蒸汽发生器水位测量中，均是直接给定了差压变送器10的工作工况，也就是设定了式(1)中的ρ_w、ρ_s为常数。因此，测量差压ΔP和蒸汽发生器内的水位高度h就是线性关系，通过测量差压ΔP就可以得到蒸汽发生器20内的水位。显然，如果机组处于非给定状态，蒸汽发生器20内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s就会和设定值存在偏差，进而导致水位测量偏差。事实上，冷停堆阶段的蒸汽发生器20处于湿保养状态或者启动前的准备状态时，温度变化区间为15℃～120℃，跨度较大，因此水位测量偏差也就会相应增大。例如，当蒸汽发生器20的工作温度为120℃、实际水位为16m时，若使用给定状态为50℃的差压变送器10测量水位，根据公式(1)计算出的测量水位为16.75m，与实际水位的偏差达到0.75m，误差很大。

有鉴于此，确有必要提供一种不受蒸汽发生器内水、汽密度变化影响的核电厂蒸汽发生器水位测量系统及测量方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种不受蒸汽发生器内水、汽密度变化影响的核电厂蒸汽发生器水位测量系统及测量方法，以提高冷停堆阶段蒸汽发生器水位测量的精度。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电厂蒸汽发生器水位测量系统，其包括差压变送器、冷凝罐、温度仪表和数字化水位计算系统；差压变送器的测量侧连接蒸汽发生器底部的取压管，参考液位侧连接冷凝罐；冷凝罐和蒸汽发生器顶部的汽相空间相连，使参考液位维持不变；温度仪表用于测量蒸汽发生器内水的温度T，数字化水位计算系统与差压变送器、温度仪表分别电连接，用于接收二者的差压信号和温度信号，并计算出蒸汽发生器内的水位高度。

优选地，所述数字化水位计算系统包括温度-密度转化模块和水位计算模块；温度-密度转化模块将温度仪表的温度信号转化为蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s；水位计算模块根据差压变送器的差压信号、温度-密度转化模块转化得到的蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s，计算出蒸汽发生器内的水位高度。

优选地，将温度仪表的温度信号转化为蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s的过程为：以大气压作为蒸汽发生器内的压力，将蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s分别看做温度T的单值函数，利用温度-密度转化模块中所设置的函数发生器，分别计算出水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s。

优选地，所述蒸汽发生器内的水位高度是指蒸汽发生器内的水位相对于底部取压管接口的高度h，其计算公式为：

$h=\frac{\mathrm{\Δ}P-({\mathrm{\ρ}}_r-{\mathrm{\ρ}}_s)\×g\×H}{({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w)\×g};$

在上述公式中：h为蒸汽发生器内的水位相对于底部取压管接口的高度，单位m；ΔP为差压变送器的测量差压，单位Pa；ρ_r为差压变送器的参考液位侧水密度，直接以环境温度下的水密度取值，单位kg/m³；H为差压变送器的参考液位高度，等于冷凝罐的自由液面和蒸汽发生器底部取压管接口的高度差，单位m；ρ_w为蒸汽发生器内水的密度，单位kg/m³；ρ_s为蒸汽发生器内蒸汽的密度，单位kg/m³；g为重力加速度，单位9.8m/s²。

优选地，所述温度仪表包括设置在蒸汽发生器筒体外壁的温度传感器，以测得的蒸汽发生器筒体的温度作为蒸汽发生器内水的温度T传送给数字化水位计算系统。

优选地，所述温度仪表插入蒸汽发生器内部或者设置在排污系统管线上，并且以测得的对应位置温度作为蒸汽发生器内水的温度T传送给数字化水位计算系统。

为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种核电厂蒸汽发生器水位测量方法，其包括以下步骤：

测量蒸汽发生器内水位与参考液位的差压ΔP，并测出蒸汽发生器内水的温度T；

将蒸汽发生器内水的温度T转化为蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s；

根据差压ΔP、蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s，计算出蒸汽发生器内的水位相对于底部取压管接口的高度h。

优选地，将蒸汽发生器内水的温度T转化为蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s的方法为：以大气压作为蒸汽发生器内的压力，将蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s分别看做温度T的单值函数，分别计算出水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s。

优选地，所述蒸汽发生器内的水位相对于底部取压管接口的高度h的计算公式为：

$h=\frac{\mathrm{\Δ}P-({\mathrm{\ρ}}_r-{\mathrm{\ρ}}_s)\×g\×H}{({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w)\×g};$

在上述公式中：h为蒸汽发生器内的水位相对于底部取压管接口的高度，单位m；ΔP为差压变送器的测量差压，单位Pa；ρ_r为差压变送器的参考液位侧水密度，直接以环境温度下的水密度取值，单位kg/m³；H为差压变送器的参考液位高度，单位m；ρ_w为蒸汽发生器内水的密度，单位kg/m³；ρ_s为蒸汽发生器内蒸汽的密度，单位kg/m³；g为重力加速度，单位9.8m/s²。

与现有技术相比，本发明核电厂蒸汽发生器水位测量系统及测量方法通过设置温度仪表测量蒸汽发生器内水的温度，并引用温度信号修正蒸汽发生器内水和蒸汽的密度，使蒸汽发生器水位测量结果不受介质密度影响的水位测量系统，达到了提高测量精度的目的。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明核电厂蒸汽发生器水位测量系统、测量方法及其有益技术效果进行详细说明。

图1为一种已知核电厂冷停堆阶段的蒸汽发生器水位测量装置的示意图。

图2为本发明核电厂蒸汽发生器水位测量系统的结构示意图。

图3为本发明核电厂蒸汽发生器水位测量系统的数字化水位计算系统模块图。

图4为本发明核电厂蒸汽发生器水位测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。

考虑到已知核电厂冷停堆阶段的蒸汽发生器水位测量装置产生偏差，主要是由蒸汽发生器在非额定工作温度下介质密度变化引起的，本发明的发明人开发出一种通过设置温度仪表测量蒸汽发生器内水的温度，并引用温度信号修正蒸汽发生器内水和蒸汽的密度，使蒸汽发生器水位测量结果不受介质密度影响的水位测量系统，达到了提高测量精度的目的。

请参阅图2，本发明核电厂蒸汽发生器水位测量系统包括差压变送器10、冷凝罐14、温度仪表16和数字化水位计算系统18。

差压变送器10的测量侧连接蒸汽发生器20底部的取压管22，参考液位侧连接冷凝罐14。冷凝罐14和蒸汽发生器20顶部汽相空间的取压管24相连，使参考液位维持不变，消除蒸汽冷凝对参考液位的影响。如此，差压变送器10的一端是参考液位产生的压力，另一端是蒸汽发生器20内水位产生的压力，由于参考液位恒定不变，差压变送器10测出的差压ΔP的变化和蒸汽发生器20内部水位高度有关。

温度仪表16的温度传感器160设置在蒸汽发生器20的筒体外壁，直接测量蒸汽发生器20筒体金属的温度。由于金属是热的良导体，冷停堆阶段蒸汽发生器20筒体温度近似等于内部水的温度，以温度仪表16的温度信号作为修正蒸汽发生器20内水和蒸汽密度ρ_w、ρ_s的依据，出现的误差很小。

数字化水位计算系统18与差压变送器10、温度仪表16分别电连接，用于接收二者的差压信号和温度信号，并计算蒸汽发生器20内的水位高度。请参阅图3，数字化水位计算系统18包括温度-密度转化模块180和水位计算模块182。温度-密度转化模块180将温度仪表16的温度信号转化为蒸汽发生器20内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s，水位计算模块182根据差压变送器10的差压信号、温度-密度转化模块180转化得到的蒸汽发生器20内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s计算出蒸汽发生器20内的水位相对于底部取压管接口的高度h，计算公式可以由式(1)推出，为：

$h=\frac{\mathrm{\Δ}P-({\mathrm{\ρ}}_r-{\mathrm{\ρ}}_s)\×g\×H}{({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w)\×g}$ ---式(2)；

在式(2)中：h为蒸汽发生器20内的水位高度(相对于底部取压管接口，m)，即被测水位；ΔP为差压变送器10的测量差压(Pa)；ρ_r为差压变送器10的参考液位侧水密度(即参考液柱的密度)，近似为环境温度下的水密度(kg/m³)；H为差压变送器10的参考液位高度，等于冷凝罐14自由液面和蒸汽发生器20底部取压管接口的高度差(m)；ρ_w为蒸汽发生器20内水的密度(kg/m³)；ρ_s为蒸汽发生器20内蒸汽的密度(kg/m³)；g为重力加速度(9.8m/s²)。

对于蒸汽发生器20的水位测量来说，在水位测量装置安装完成后，H即为常数；反应堆厂房内环境温度基本恒定，ρ_r亦可确定。

由于在冷停堆阶段，蒸汽发生器20内压力近似等于大气压，因此根据水和蒸汽的物性，蒸汽发生器20内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s均可看做温度的单值函数，利用数字化水位计算系统18的温度-密度转化模块180所设置的函数发生器，即可根据温度仪表16的温度信号计算出水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s。

将公式(2)输入水位计算模块182，水位计算模块182即可根据差压变送器10的差压信号、温度-密度转化模块180转化得到的蒸汽发生器20内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s，计算出蒸汽发生器20内的水位相对于底部取压管接口的高度h，从而消除蒸汽发生器20温度变化导致的密度变化对蒸汽发生器20水位测量结果的影响，提高蒸汽发生器20水位测量的精确度。

易于理解的是，虽然图2所示实施方式中的温度仪表16设置在蒸汽发生器20筒体的外壁，但在不同的实施方式中，温度仪表也可以设计成插入蒸汽发生器20内部或者设置在排污系统管线上，同样可以测得蒸汽发生器20内水的温度，消除密度变化对蒸汽发生器20水位测量结果的影响。

请参阅图4，本发明核电厂蒸汽发生器水位测量方法包括以下步骤：

步骤S1)，测量蒸汽发生器20内水位与参考液位的差压ΔP；

步骤S2)，测出蒸汽发生器20内水的温度T；

步骤S3)，将蒸汽发生器20内水的温度T转化为蒸汽发生器20内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s；其中，蒸汽发生器20内水的密度ρ_w的转化方法为：以大气压作为蒸汽发生器20内的压力，将蒸汽发生器20内水的密度ρ_w看做温度T的单值函数，计算出水的密度ρ_w；步骤S2)、S3)可与步骤S1)同步进行；

步骤S4)，根据差压ΔP、蒸汽发生器20内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s，利用公式(2)计算出蒸汽发生器20内的水位相对于底部取压管接口的高度h。

与现有技术相比，本发明核电厂蒸汽发生器水位测量系统及测量方法至少具有以下优点：

1)用温度仪表16测出的蒸汽发生器20温度信号计算出蒸汽发生器20内水和蒸汽的密度ρw、ρs，使其直接参与蒸汽发生器20水位计算，消除了蒸汽发生器20温度变化导致的密度变化对蒸汽发生器20水位测量结果的影响，提高了蒸汽发生器20水位测量的精确度；假设温度仪表16和差压变送器10的不确定度分别为2％，则使用本发明测出的蒸汽发生器20水位在15℃～120℃的不确定度为2.8％，远小于已知水位测量装置的测量偏差；

2)在蒸汽发生器20的筒体外壁配置温度仪表16，安装简单方便，不增加蒸汽发生器20实体接口，不影响反应堆安全。

根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种核电厂蒸汽发生器水位测量系统，包括差压变送器和冷凝罐；差压变送器的测量侧连接蒸汽发生器底部的取压管，参考液位侧连接冷凝罐；冷凝罐和蒸汽发生器顶部的汽相空间相连，使参考液位维持不变；其特征在于：还包括温度仪表和数字化水位计算系统；温度仪表用于测量蒸汽发生器内水的温度T，数字化水位计算系统与差压变送器、温度仪表分别电连接，用于接收二者的差压信号和温度信号，并计算出蒸汽发生器内的水位高度。

2.根据权利要求1所述的核电厂蒸汽发生器水位测量系统，其特征在于：所述数字化水位计算系统包括温度-密度转化模块和水位计算模块；温度-密度转化模块将温度仪表的温度信号转化为蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s；水位计算模块根据差压变送器的差压信号、温度-密度转化模块转化得到的蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s，计算出蒸汽发生器内的水位高度。

3.根据权利要求2所述的核电厂蒸汽发生器水位测量系统，其特征在于：将温度仪表的温度信号转化为蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s的过程为：以大气压作为蒸汽发生器内的压力，将蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s分别看做温度T的单值函数，利用温度-密度转化模块中所设置的函数发生器，分别计算出水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s。

4.根据权利要求1所述的核电厂蒸汽发生器水位测量系统，其特征在于：所述蒸汽发生器内的水位高度是指蒸汽发生器内的水位相对于底部取压管接口的高度h，其计算公式为：

$k=\frac{\mathrm{\Δ}P-({\mathrm{\ρ}}_r-{\mathrm{\ρ}}_s)\×g\×H}{({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w)\×g};$

在上述公式中：h为蒸汽发生器内的水位相对于底部取压管接口的高度，单位m；ΔP为差压变送器的测量差压，单位Pa；ρ_r为差压变送器的参考液位侧水密度，直接以环境温度下的水密度取值，单位kg/m³；H为差压变送器的参考液位高度，等于冷凝罐的自由液面和蒸汽发生器底部取压管接口的高度差，单位m；ρ_w为蒸汽发生器内水的密度，单位kg/m³；ρ_s为蒸汽发生器内蒸汽的密度，单位kg/m³；g为重力加速度，单位9.8m/s²。

5.根据权利要求1所述的核电厂蒸汽发生器水位测量系统，其特征在于：所述温度仪表包括设置在蒸汽发生器筒体外壁的温度传感器，以测得的蒸汽发生器筒体的温度作为蒸汽发生器内水的温度T传送给数字化水位计算系统。

6.根据权利要求1所述的核电厂蒸汽发生器水位测量系统，其特征在于：所述温度仪表插入蒸汽发生器内部或者设置在排污系统管线上，并且以测得的对应位置温度作为蒸汽发生器内水的温度T传送给数字化水位计算系统。

7.一种核电厂蒸汽发生器水位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

测量蒸汽发生器内水位与参考液位的差压ΔP，并测出蒸汽发生器内水的温度T；

将蒸汽发生器内水的温度T转化为蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s；

根据差压ΔP、蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s，计算出蒸汽发生器内的水位相对于底部取压管接口的高度h。

8.根据权利要求7所述的核电厂蒸汽发生器水位测量方法，其特征在于：将蒸汽发生器内水的温度T转化为蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s的方法为：以大气压作为蒸汽发生器内的压力，将蒸汽发生器内水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s分别看做温度T的单值函数，分别计算出水和蒸汽的密度ρ_w、ρ_s。

9.根据权利要求7所述的核电厂蒸汽发生器水位测量方法，其特征在于：所述蒸汽发生器内的水位相对于底部取压管接口的高度h的计算公式为：

$k=\frac{\mathrm{\Δ}P-({\mathrm{\ρ}}_r-{\mathrm{\ρ}}_s)\×g\×H}{({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w)\×g};$

在上述公式中：h为蒸汽发生器内的水位相对于底部取压管接口的高度，单位m；ΔP为差压变送器的测量差压，单位Pa；ρ_r为差压变送器的参考液位侧水密度，直接以环境温度下的水密度取值，单位kg/m³；H为差压变送器的参考液位高度，单位m；ρ_w为蒸汽发生器内水的密度，单位kg/m³；ρ_s为蒸汽发生器内蒸汽的密度，单位kg/m³；g为重力加速度，单位9.8m/s²。