CN113571215A - 换热水箱液位测量系统及方法、核电厂pcs系统 - Google Patents

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吴萍
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Abstract

本发明提供一种换热水箱液位测量系统及方法、核电厂PCS系统，液位测量系统的第一压力检测仪表设于换热水箱底部的出水管道上，用于检测换热水箱底部的水压，液位测量系统的第二压力检测仪表设于换热水箱顶部的人孔通道上，用于检测换热水箱顶部的水压，液位测量系统的DCS系统用于计算压力差，且根据其内存储的液位和压力差的逻辑公式，计算得出换热水箱内的液位，从而避免了长距离毛细管传输带来的仪表精度差的问题，且安装的风险和维修检测的难度大大降低。

Description

换热水箱液位测量系统及方法、核电厂PCS系统
技术领域
本发明具体涉及一种换热水箱液位测量系统及方法、核电厂PCS系统。
背景技术
核电厂的非能动安全壳热量导出系统(PCS系统)用于在超设计基准事故工况下核电厂的安全壳的长期排热，包括与全厂断电、喷淋系统故障相关的事故。在电站发生超设计基准事故(包括严重事故)时，将安全壳压力和温度降低至可以接受的水平，保持安全壳完整性。
PCS系统中的换热水箱是二次侧非能动余热排除和安全壳热量的热阱，其设置于安全壳外，是混凝土结构，内衬钢衬里，与安全壳厂房一起设计，位于标高50.6米至55.6米处。由于换热水箱的水装量应能满足事故后72小时堆芯余热排出和安全壳多余热量导出的冷却要求，因此需采取一定的液位监测手段，对于水箱的液位进行实时、准确的监视，并在由于各种原因(如钢衬里破损、相连管道泄漏等)导致水箱泄漏、液位下降时予以准确监测和及时报警，从而确保换热水箱的水装量，进而保证PCS系统功能的正确实现。
综上所述，准确及时的对换热水箱的液位进行监测及报警是具有重要意义的。
PCS系统的换热水箱为封闭结构，可看作挂在安全壳外一独立房间，通过顶部的人孔通道以及用于水封的U型管和U型管出口上方的排气管道与大气连通。水箱为钢衬里结构，并且顶部外层设置有防水层，不宜在顶部开孔。此外，水箱内液位上部有压力，且用于正常和超设计基准事故(包括严重事故)工况，仪表有抗震要求。
基于上述原因，水箱液位一般采用双端毛细管的远传式差压变送器进行液位测量，如图1所示。差压变送器100安装在换热水箱8的顶部，通过毛细管和隔离容器接至换热水箱8的底部和顶部。为了不增加换热水箱8顶部开孔，并且毛细管不能穿人孔通道，故双端毛细管均需沿着已有的U型管道200及其出口上方的排气管道300进到换热水箱8内部。差压变送器100将当前液位值(对应4-20mA电流信号)并送至分布式控制系统(DCS系统1)进行采集，并送在主控室进行显示。当监测到的液位下降到一定高度时，通过DCS系统1内部的低阈值计算，可触发报警，提醒电厂运行人员检查并进行相应处理。
根据该种仪表的测量原理和配置方式，并且为了不影响水箱顶部的走廊平台的空间，仪表需要安装在距离U型管道200出口5m左右的女儿墙400位置，再考虑水箱高度为5m，故毛细管长度选为15m较为适宜。由于远传距离较长，此时仪表的精度在7％左右，精度差，对测量和及时报警都非常不利。此外，使用的毛细管的敷设路径较长，且还需沿着U型管道200进行走向，在安装过程中较易因为拖拽、牵引等原因对毛细管造成损坏，后续对毛细管以及隔离容器的检修、更换也均有较大难度。
上述这些原因，不利于水箱液位的监视以及报警水位的确定，影响对水箱泄漏的及时监测和报警。若监测或报警不及时甚至失效，严重时会导致换热水箱水装量不满足使用要求甚至某个换热水箱丧失，相关系统的排热功能不能完成。
在一般民用工程项目上，大型水箱的液位监测可以使用这种方式，理由是监测与报警准确性要求不高，水箱的作用也不需应对出现的超设计基准事故。但是对于三代核电厂的PCS系统，其是作为重要的非能动事故缓解系统，换热水箱又是该系统的主设备，作用至关重要，故需要设计一种及时可靠的精度较高的水箱液位测量装置来满足监测要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种提高检测精度的换热水箱液位测量系统，还相应提供一种具有该液位测量系统的核电厂PCS系统，以及利用该系统进行换热水箱液位测量的方法。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种换热水箱液位测量系统，包括：第一压力检测仪表、第一变送器、第二压力检测仪表、第二变送器和DCS系统；
所述第一压力检测仪表设于换热水箱底部的出水管道上，且与第一变送器电连接，用于检测换热水箱底部的水压并将检测到的第一压力信号传递给所述第一变送器，所述第一变送器用于将第一压力信号转换为第一电流信号，
所述第二压力检测仪表设于换热水箱顶部的人孔通道上，且与第二变送器电连接，用于检测换热水箱顶部的水压，并将检测到的第二压力信号传递给所述第二变送器，所述第二变送器用于将第二压力信号转换为第二电流信号，
所述DCS系统与第一变送器和第二变送器均电连接，用于采集第一电流信号和第二电流信号，并将二者转换为数字信号后计算得到压力差，且根据其内存储的液位和压力差的逻辑公式，计算得出换热水箱内的液位。
可选地，所述液位和压力差的逻辑公式为：
Figure BDA0003140210670000031
其中：
ΔP为换热水箱内液位的底部和顶部的压力差；
ρ为换热水箱内介质的密度，g为重力加速度。
可选地，所述第一压力检测仪表和第一变送器集成形成第一一体式绝对压力变送器。
可选地，所述第一一体式绝对压力变送器设于一第一取压管上，所述第一取压管通过第一取压管嘴与换热水箱底部的出水管道相连通。
可选地，所述第二压力检测仪表和第二变送器集成形成第二一体式绝对压力变送器。
可选地，所述第二一体式绝对压力变送器设于一第二取压管上，所述第二取压管通过第二取压管嘴与换热水箱顶部的人孔通道相连通。
本发明还提供一种核电厂PCS系统，包括换热水箱，以及上述的换热水箱液位测量系统。
本发明还提供一种利用上述的系统进行换热水箱液位测量的方法，包括以下步骤：
所述第一压力检测仪表检测换热水箱底部的水压并将检测到的第一压力信号传递给所述第一变送器，所述第一变送器将第一压力信号转换为第一电流信号，
所述第二压力检测仪表检测换热水箱顶部的水压，并将检测到的第二压力信号传递给所述第二变送器，所述第二变送器将第二压力信号转换为第二电流信号，
所述DCS系统采集第一电流信号和第二电流信号，并将二者转换为数字信号后计算得到压力差，且根据其内存储的液位和压力差的逻辑公式，计算得出换热水箱内的液位。
可选地，还包括：
当计算得出的换热水箱内的液位低于设定阈值时，所述DCS系统提示低阈值报警。
可选地，所述液位和压力差的逻辑公式为：
Figure BDA0003140210670000041
其中：
ΔP为换热水箱内液位的底部和顶部的压力差；
ρ为换热水箱内介质的密度，g为重力加速度。
本发明中，通过分别在换热水箱的出水管和人孔通道(进水)上设置压力检测仪表，以分别检测换热水箱内介质底部和顶部的水压，再根据液位和压力差的逻辑公式即可计算得到换热水箱内介质的液位，从而避免了长距离毛细管传输带来的仪表精度差的问题，且安装的风险和维修检测的难度大大降低。并且本发明对水箱液位上部压力也进行监测，避免了低压侧压力与大气压不同时带来的误差。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的换热水箱液位测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的换热水箱液位测量系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种换热水箱液位测量系统，包括：第一压力检测仪表、第一变送器、第二压力检测仪表、第二变送器和DCS系统；
所述第一压力检测仪表设于换热水箱底部的出水管道上，且与第一变送器电连接，用于检测换热水箱底部的水压并将检测到的第一压力信号传递给所述第一变送器，所述第一变送器用于将第一压力信号转换为第一电流信号，
所述第二压力检测仪表设于换热水箱顶部的人孔通道上，且与第二变送器电连接，用于检测换热水箱顶部的水压，并将检测到的第二压力信号传递给所述第二变送器，所述第二变送器用于将第二压力信号转换为第二电流信号，
所述DCS系统与第一变送器和第二变送器均电连接，用于采集第一电流信号和第二电流信号，并将二者转换为数字信号后计算得到压力差，且根据其内存储的液位和压力差的逻辑公式，计算得出换热水箱内的液位。
本发明还提供一种核电厂PCS系统，包括换热水箱，以及上述的换热水箱液位测量系统。
本发明还提供一种利用上述的系统进行换热水箱液位测量的方法，包括以下步骤：
所述第一压力检测仪表检测换热水箱底部的水压并将检测到的第一压力信号传递给所述第一变送器，所述第一变送器将第一压力信号转换为第一电流信号，
所述第二压力检测仪表检测换热水箱顶部的水压，并将检测到的第二压力信号传递给所述第二变送器，所述第二变送器将第二压力信号转换为第二电流信号，
所述DCS系统采集第一电流信号和第二电流信号，并将二者转换为数字信号后计算得到压力差，且根据其内存储的液位和压力差的逻辑公式，计算得出换热水箱内的液位。
实施例1：
如图2所示，本实施例提供一种换热水箱液位测量系统，包括：第一压力检测仪表、第一变送器、第二压力检测仪表、第二变送器和DCS系统1；
第一压力检测仪表设于换热水箱8底部的出水管道5上，且与第一变送器电连接，用于检测换热水箱8底部的水压并将检测到的第一压力信号传递给第一变送器，第一变送器用于将第一压力信号转换为第一电流信号，
第二压力检测仪表设于换热水箱8顶部的人孔通道7上，且与第二变送器电连接，用于检测换热水箱8顶部的水压，并将检测到的第二压力信号传递给第二变送器，第二变送器用于将第二压力信号转换为第二电流信号，
DCS系统1与第一变送器和第二变送器均电连接，用于采集第一电流信号和第二电流信号，并将二者转换为数字信号后计算得到压力差，且根据其内存储的液位和压力差的逻辑公式，计算得出换热水箱8内的液位。
由此，通过分别在换热水箱8的出水管道5和人孔通道7(进水)上设置压力检测仪表，以分别检测换热水箱内介质底部和顶部的水压，再根据液位和压力差的逻辑公式即可计算得到换热水箱8内介质的液位，从而避免了长距离毛细管传输带来的仪表精度差的问题，且安装的风险和维修检测的难度大大降低。并且本发明对水箱液位上部压力也进行监测，避免了低压侧压力与大气压不同时带来的误差。
本实施例中，第一压力检测仪表和第一变送器集成形成第一一体式绝对压力变送器2，第二压力检测仪表和第二变送器集成形成第二一体式绝对压力变送器3，以满足抗震要求。仪表测量精度在0.8％左右。
仪表采用板式安装，鉴定等级为K3，防护等级为IP67。
本实施例中，第一一体式绝对压力变送器2设于一第一取压管4上，第一取压管4通过第一取压管4嘴与换热水箱底部的出水管道5相连通。
本实施例中，第二一体式绝对压力变送器3设于一第二取压管6上，第二取压管6通过第二取压管6嘴与换热水箱顶部的人孔通道7相连通。
上述本发明的换热水箱液位测量系统，主要包括压力检测仪表和变送器的配置以及DCS内部计算处理系统两个部分。
PCS系统换热水箱液位测量，使用两块压力检测仪表和变送器分别测量水箱内液位上部压力和底部压力，再通过DCS内部预设的计算逻辑得出水箱的液位值。
在水箱顶部的人孔通道上和在水箱底部出水的竖直管道上、距离水箱底部500mm处设置取压管嘴，人孔管道处的取压管嘴方向朝向女儿墙。通过引压管等连接压力检测仪表，用压力检测仪表监测水箱内液位的上部压力MN1和水箱内液位的底部压力MN2。
上述两个压力信号经过变送器，将感知到的压力信号在DCS查询电压的作用下转换成标准4-20mA电流信号，通过测量电缆送入DCS进行采集和后续运算。DCS通过预设的液位计算公式计算得出水箱内的液位值，完成对液位的实时检测。
DCS内部计算处理模块，根据液位与压力差的公式，在DCS内部预设计算逻辑：
Figure BDA0003140210670000081
其中：
ΔP为水箱内液位的底部上上部的压力差，即ΔP＝MN2-MN1；ρ为水箱内介质密度，基于PCS系统换热水箱的环境条件，ρ＝0.997kg/m3；
g为重力加速度，g＝9.8m/s2；
根据上述预设的计算逻辑，在采集了两个压力值的条件下进行自动逻辑计算，可迅速得到准确度高的水箱内液位值。该值可通过网络和硬接线送到主控室画面和后备盘进行显示，从而实现对水箱液位的实时监测。
当水箱中的实际液位变化时，MN1和MN2的值也将随之产生变化，从而计算得到的液位值也将发生改变。
进一步，在计算得到的液位值的基础上，通过DCS内部进行阈值计算，可在液位下降到一定值时触发报警，并在主控室产生相应声光提示，提醒电厂运行人员进行相应处理。
检测仪表和变送器选用一体式绝对压力变送器，这是由于水箱内液位的上部压力与大气压较为接近，用绝对压力变送器可以更准确的测量该部分压力。
一体式变送器不需要外供电。
DCS内部计算周期为500ms，计算误差可忽略不计，可满足及时、准确的计算要求。
另外，绝对压力变送器精度在0.8％左右，仪表成熟可靠。
由此，本发明的换热水箱液位测量系统，能够准确实时的监测核电站PCS系统换热水箱的液位，并在液位低时及时触发报警，避免PCS系统换热水箱的冷却功能不能满足要求。其具有测量和显示精度高，响应时间快，泄漏报警及时，并且安装方便，成本低的优点，降低了后续维修、仪表更换、校准的难度。
综上，本发明的有益技术效果在于：
(1)测量精度高，并且对水箱液位上部压力也进行监测，避免了低压侧压力与大气压不同时带来的误差。
(2)DCS内部计算迅速、准确，故可准确可靠的对换热水箱液位进行监视。
(3)在(2)的基础上，通过预置逻辑可及时触发报警，降低未知的水箱泄漏引发的风险。
(4)使用的仪表易维护，并且成熟可靠。
(5)避免了长距离毛细管安装的风险和维修检测的难度。
实施例2：
本实施例提供一种核电厂PCS系统，包括换热水箱8，以及实施例1的换热水箱液位测量系统。
实施例3：
本实施例提供一种利用实施例1的系统进行换热水箱液位测量的方法，包括以下步骤：
第一压力检测仪表检测换热水箱底部的水压并将检测到的第一压力信号传递给第一变送器，第一变送器将第一压力信号转换为第一电流信号，
第二压力检测仪表检测换热水箱顶部的水压，并将检测到的第二压力信号传递给第二变送器，第二变送器将第二压力信号转换为第二电流信号，
DCS系统1采集第一电流信号和第二电流信号，并将二者转换为数字信号后计算得到压力差，且根据其内存储的液位和压力差的逻辑公式，计算得出换热水箱内的液位。
当计算得出的换热水箱内的液位低于设定阈值时，DCS系统1提示低阈值报警。
本发明的核电厂PCS系统换热水箱液位测量方法，用以解决现有设计中测量精度差、报警不准确的问题，同时可降低对于安装、检修的难度。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种换热水箱液位测量系统，其特征在于，包括：第一压力检测仪表、第一变送器、第二压力检测仪表、第二变送器和DCS系统(1)；
所述第一压力检测仪表设于换热水箱(8)底部的出水管道(5)上，且与第一变送器电连接，用于检测换热水箱(8)底部的水压并将检测到的第一压力信号传递给所述第一变送器，所述第一变送器用于将第一压力信号转换为第一电流信号，
所述第二压力检测仪表设于换热水箱(8)顶部的人孔通道(7)上，且与第二变送器电连接，用于检测换热水箱(8)顶部的水压，并将检测到的第二压力信号传递给所述第二变送器，所述第二变送器用于将第二压力信号转换为第二电流信号，
所述DCS系统(1)与第一变送器和第二变送器均电连接，用于采集第一电流信号和第二电流信号，并将二者转换为数字信号后计算得到压力差，且根据其内存储的液位和压力差的逻辑公式，计算得出换热水箱(8)内的液位。
2.根据权利要求1所述的换热水箱液位测量系统，其特征在于，所述液位和压力差的逻辑公式为：
Figure FDA0003140210660000011
其中：
ΔP为换热水箱(8)内液位的底部和顶部的压力差；
ρ为换热水箱(8)内介质的密度，g为重力加速度。
3.根据权利要求1或2所述的换热水箱液位测量系统，其特征在于，所述第一压力检测仪表和第一变送器集成形成第一一体式绝对压力变送器(2)。
4.根据权利要求3所述的换热水箱液位测量系统，其特征在于，所述第一一体式绝对压力变送器(2)设于一第一取压管(4)上，所述第一取压管(4)通过第一取压管(4)嘴与换热水箱底部的出水管道(5)相连通。
5.根据权利要求1或2所述的换热水箱液位测量系统，其特征在于，所述第二压力检测仪表和第二变送器集成形成第二一体式绝对压力变送器(3)。
6.根据权利要求5所述的换热水箱液位测量系统，其特征在于，所述第二一体式绝对压力变送器(3)设于一第二取压管(6)上，所述第二取压管(6)通过第二取压管(6)嘴与换热水箱顶部的人孔通道(7)相连通。
7.一种核电厂PCS系统，其特征在于，包括换热水箱(8)，以及如权利要求1-6任一项所述的换热水箱液位测量系统。
8.一种利用如权利要求1-6任一项所述的系统进行换热水箱液位测量的方法，包括以下步骤：
所述第一压力检测仪表检测换热水箱底部的水压并将检测到的第一压力信号传递给所述第一变送器，所述第一变送器将第一压力信号转换为第一电流信号，
所述第二压力检测仪表检测换热水箱顶部的水压，并将检测到的第二压力信号传递给所述第二变送器，所述第二变送器将第二压力信号转换为第二电流信号，
所述DCS系统(1)采集第一电流信号和第二电流信号，并将二者转换为数字信号后计算得到压力差，且根据其内存储的液位和压力差的逻辑公式，计算得出换热水箱内的液位。
9.根据权利要求8所述的换热水箱液位测量方法，其特征在于，还包括：
当计算得出的换热水箱内的液位低于设定阈值时，所述DCS系统(1)提示低阈值报警。
10.根据权利要求8或9所述的换热水箱液位测量方法，其特征在于，所述液位和压力差的逻辑公式为：
Figure FDA0003140210660000031
其中：
ΔP为换热水箱内液位的底部和顶部的压力差；
ρ为换热水箱内介质的密度，g为重力加速度。
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WO2023273250A1 (zh) * 2021-06-30 2023-01-05 中国核电工程有限公司 换热水箱液位测量系统及方法、核电厂pcs系统

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