CN114203315A - 一种压水堆堆腔液位监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压水堆堆腔液位监测系统，包括压力容器组件、测量组件和信号处理设备；所述测量组件包括冷却水液位监测组件；所述冷却水液位监测组件用于测量所述压力容器组件的压力容器外壁和压力容器保温层之间的堆腔流道的压差数据；所述冷却水液位监测组件将测量得到的压差数据传递给所述信号处理设备进行处理，得到堆腔流道冷却水的装量数据。本发明能够准确获得堆腔液位信息，为严重事故监管提供更为可靠全面的信息。

Description

一种压水堆堆腔液位监测系统

技术领域

本发明属于压水堆核电站技术领域，具体涉及一种压水堆堆腔液位监测系 统。

背景技术

反应堆发生堆芯熔化的严重事故后，堆芯熔融物掉入反应堆压力容器下封 头，如果高温熔融物进一步熔化压力容器下封头，熔融物将与堆坑混凝土结构 发生化学反应，破坏安全壳的完整性；并且由于该反应会生成大量不可凝气体， 存在安全壳内爆炸隐患，可能造成大量放射性物质外泄的严重后果。因此，如 何在严重事故后保持压力容器下封头的完整性并避免熔融物坠入堆坑地面，是 缓解严重事故并且避免大量放射性物质外泄的关键。

法国EPR堆型和俄罗斯VVER堆型采用了熔融物容器外滞留(Inside VesselRetention,IVR)的缓解策略，即在压力容器下封头和堆腔混凝土地面之间设置 一个专用于滞留堆芯熔融物的装置，名为堆芯捕集器，用以防止堆芯熔融物坠 入堆坑区域。美国AP1000堆型和中国的华龙一号堆型则采用了另外一种解决方 案即设置堆腔注水冷却系统，用于在反应堆发生严重事故后向堆腔注水，以冷 却压力容器下封头以及堆芯熔融物。

在这一事故序列中，如何有效监测压力容器下封头的完整性，以及判断堆 腔注水策略实施的成效，也成为了严重事故管理中需要重点关注的问题。由于 国外三代堆型只关注堆腔熔融物的滞留，但未详细分析事故发展序列下的仪控 系统设计，无法判断严重事故下堆腔状态的事故进程以及堆腔注水策略启动后 的执行效果。

发明内容

针对设置了堆腔注水冷却系统的压水堆核电厂而言，堆腔液位信息可反映 堆腔注水冷却策略实施的成功与否，以及堆腔流道(压力容器外壁面与压力容 器保温层之间的流道)的液位淹没状态，因此堆腔液位信息作为严重事故下必 须使用的参数，为严重事故管理相关规程提供了重要的状态信息。

由于严重事故下堆腔状态复杂，为了准确获得堆腔液位信息，需要结合其 他参数信息，综合获得堆腔液位信息。对此，本发明提供了一种压水堆堆腔液 位监测系统，本发明基于差压式变送器，结合堆腔温度测量信息以及安全壳压 力信息，能够获得较为准确的堆腔液位信息。

本发明通过下述技术方案实现：

一种压水堆堆腔液位监测系统，包括压力容器组件、测量组件和信号处理 设备；

所述测量组件包括冷却水液位监测组件；

所述冷却水液位监测组件用于测量所述压力容器组件的压力容器外壁和压 力容器保温层之间的堆腔流道的压差数据；

所述冷却水液位监测组件将测量得到的压差数据传递给所述信号处理设备 进行处理，得到堆腔流道冷却水的装量数据。

优选的，本发明的压力容器组件包括压力容器；

所述压力容器外侧由内至外依次设置有保温层和堆腔生物屏蔽墙；

所述压力容器外壁与所述保温层之间形成堆腔。

优选的，本发明的冷却水液位监测组件采用差压式变送器测量堆腔流道的 压差数据；

所述差压式变送器的正压口设置在堆腔流道底部，通过在压力容器保温层 底部设置取压管嘴实现；

所述差压式变送器的负压口设置为敞开式，用于测量安全壳内大气绝对压 力，从而获得正压口和负压口之间的压力差值。

优选的，本发明的差压式变送器设置在所述堆腔生物屏蔽墙的外侧，其正 压口取压管线穿过所述堆腔生物屏蔽墙伸入所述保温层底部；

采用机械贯穿件实现所述取压管线穿过所述堆腔生物屏蔽墙的导向，同时 保证所述堆腔生物屏蔽墙的生物屏蔽性能。

优选的，本发明的差压式变送器测量得到的压差数据通过连接电缆传送给 安全壳外侧的信号处理设备；

所述连接电缆包括安全壳内连接电缆和安全壳外连接电缆；

且所述安全壳内连接电缆和安全壳外连接电缆通过所述安全壳上的电气贯 穿件连接，所述差压式变送器测量得到的压差信号最终通过所述安全壳外连接 电缆传递给所述信号处理设备。

优选的，本发明的测量组件还包括堆腔水温监测组件；

所述堆腔水温监测组件用于测量堆腔内冷却水温度，实现堆腔水温变化时， 冷却水的密度补偿。

优选的，本发明的测量组件还包括大气压力监测组件；

所述大气压力监测组件用于测量安全壳大气压力，实现堆腔冷却水温度测 量超过安全壳饱和温度时的温度修正。

优选的，本发明的信号处理设备采用下式计算得到堆腔流道冷却水的装量h：

h＝ΔP/ρ_w/g

式中，ΔP为差压式变送器测量到的压差，ρ_w为冷却水密度，g为重力加速 度。

优选的，本发明的信号处理设备采用下式计算堆腔流道冷却水密度ρ_w：

H_L＞650，ρ_W＝D₄+D₅/(H_L-D₆)

H_L＝H₁+H₂T+H₃(428-T_M)+H₄/(T_M-399)

D₁＝999.5997，D₂＝2.5843825×10^-4

D₃＝1.269508×10^-10，D₄＝1488.6338

D₅＝1470385.49，D₆＝3204.9245

H₁＝-38.3408，H₂＝4.0426973

H₃＝-11273.08，H₄＝-26227.09

式中，T_M为所述堆腔水温监测组件测量得到的堆腔冷却水温度，H₁、H₂、 H₃、H₄、D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆为常量，H_L为计算用中间变量。

优选的，本发明的信号处理设备通过下式计算安全壳饱和温度T_SAT：

I＝log₁₀P_ABS

T_SAT＝179.895+99.86I+24.38I²+5.67I³+0.935I⁴

式中，P_ABS为安全壳大气绝对压力；I为计算用中间变量；

所述信号处理设备通过下式得到用于计算冷却水密度的温度T：

T_SAT-T_M＞T_TH，T＝T_M

T_SAT-T_M≤T_TH，T＝T_SAT

式中，T_SAT为安全壳饱和温度，T_M为测量得到的堆腔冷却水温度，T_TH为温 度阈值。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明能够准确获得堆腔液位信息，为严重事故监管提供更为可靠全面的 信息。

本发明能够更好的监测严重事故下堆腔注水冷却策略的执行效果，便于相 关人员能够给出有效的应急措施，对于提升核电厂安全性有着重要意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的 一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的堆腔液位监测测点分布示意图。

图2为本发明的监测系统结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-压力容器，2-压力容器支承，3-竖直筒体段，4-下封头，5-堆腔，6-保温 层，7-堆腔生物屏蔽墙，8-冷却水液位监测组件，9-堆腔水温监测组件，10-取压 管线，11-机械贯穿件，12-差压式变送器，13-安全壳内连接电缆，14-电气贯穿 件，15-安全壳，16-安全壳外连接电缆。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括” 指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作 或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具 有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述 项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、 操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步 骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括 同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中 的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰 在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表 述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元 件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽 管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下， 第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第 一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件 之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一 组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元 件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并 非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形 式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包 括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通 常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将 被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具 有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限 定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附 图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于 解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例提供了一种压水堆堆腔液位监测系统，本实施例通过在堆腔位置 设置液位测量变送器和温度计实现严重事故后堆腔注入冷却水是否淹没压力容 器下封头和竖直筒体段的状态监测，可全面掌握事故发生后堆腔状态的变化情 况，为核电厂安全性能提升有较强的技术支撑作用。

本实施例的系统包括压力容器组件、测量组件和信号处理设备。

如图1-2所示，本实施例的压力容器组件包括压力容器1、以及从内向外依 次设置在压力容器1外侧的保温层6和堆腔生物屏蔽墙7。

压力容器1的外侧与保温层6之间形成堆腔5。

压力容器1通过压力容器支承2安装在堆腔生物屏蔽墙7内。

本实施例的测量组件包括冷却水液位监测组件8，其用于测量堆腔流道的压 差数据。

测量组件将测量信号传递给信号处理设备进行处理，以完成测量。

本实施例的测量组件还包括堆腔水温监测组件9，其用于测量堆腔内冷却水 温度，实现堆腔水温变化时，冷却水的密度补偿。

本实施例的测量组件还包括大气压力监测组件，其用于测量安全壳大气压 力，实现堆腔冷却水温度计测量超过安全壳饱和温度时的温度修正。

本实施例对测量组件进行具体说明：

(1)冷却水液位监测组件8

本实施例采用差压式变送器12测量堆腔流道的压差数据。该差压式变送器 12的正压口设置在堆腔流道底部，通过在压力容器保温层底部设置取压管嘴实 现；该差压式变送器12的负压口设置为敞开式，测量安全壳内大气绝对压力。 通过正压口和负压口之间的压力差值，获得堆腔流道冷却水的装量数据。

本实施例的差压式变送器12设置在堆腔生物屏蔽墙7的外侧，其正压口取 压管线10穿过堆腔生物屏蔽墙7伸入保温层6底部。为了保证堆腔生物屏蔽墙 7的生物屏蔽性能，本实施例采用机械贯穿件11，实现取压管线10穿过的导向， 同时保证该屏蔽墙的生物屏蔽性能。

差压式变送器12测量得到的压差信号通过连接电缆传送给安全壳15外侧 的信号处理设备。

连接电缆分为两部分：安全壳内连接电缆13和安全壳外连接电缆16，且两 者通过安全壳15上的电气贯穿件14连接，差压式变送器12测量得到的压差信 号最终由安全壳外连接电缆16传递给信号处理设备，以实现堆腔液位测量。

(2)堆腔水温监测组件9

由于使用液柱压力实现水装量的测量方式依赖于液体密度作为数据输入， 而液体密度随液体温度的变化较大，而严重事故条件下，堆腔状态复杂，温度 变化较快。因此，需要通过密度补偿算法实现严重事故条件下差压式变送器水 装量测量的精确测量。

故本实施例采用堆腔水温监测组件9采集堆腔内流体温度对堆腔流道冷却 水的装量进行密度补偿，具体过程为：

通过设置在堆腔流道内的温度计，测量得到堆腔冷却水温度T_M；

采用下式(1)计算堆腔内冷却水的密度：

H_L＞650，ρ_W＝D₄+D₅/(H_L-D₆)

H_L＝H₁+H₂T+H₃(428-T_M)+H₄/(T_M-399)

D₁＝999.5997，D₂＝2.5843825×10^-4

D₃＝1.269508×10^-10，D₄＝1488.6338

D₅＝1470385.49，D₆＝3204.9245

H₁＝-38.3408，H₂＝4.0426973

H₃＝-11273.08，H₄＝-26227.09 (1)

其中，T_M为测量得到的堆腔冷却水温度，单位为℃；ρ_w为冷却水密度，单 位为kg/m³，H₁、H₂、H₃、H₄、D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆为常量，H_L为计算用 中间变量。

由于严重事故条件下，堆腔冷却水可能存在过热状态，因此为了避免计算 失效，针对过热状态下的处理为：

a)通过其他系统设置的绝对压力表获得安全壳大气绝对压力；

b)通过式(2)计算安全壳饱和温度；

I＝log₁₀P_ABS

T_SAT＝179.895+99.86I+24.38I²+5.67I³+0.935I⁴ (2)

其中，P_ABS为安全壳大气绝对压力，单位为MPa；T_SAT为安全壳饱和温度， 单位为℃，I为计算用中间变量。

c)通过式(3)给出适用于计算冷却水密度的温度：

其中，T_SAT为安全壳饱和温度，T_M为测量得到的堆腔冷却水温度，T为最终 用于计算冷却水密度的温度，T_TH为温度阈值。

(4)堆腔流道冷却水装量

通过式(4)计算得到冷却水的装量：

h＝ΔP/ρ_w/g (4)

其中，ΔP为差压式变送器测量到的压差，ρ_w为冷却水密度，g为重力加速 度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了 进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已， 并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何 修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压水堆堆腔液位监测系统，其特征在于，包括压力容器组件、测量组件和信号处理设备；

所述测量组件包括冷却水液位监测组件(8)；

所述冷却水液位监测组件(8)用于测量所述压力容器组件的压力容器外壁和压力容器保温层之间的堆腔流道的压差数据；

所述冷却水液位监测组件(8)将测量得到的压差数据传递给所述信号处理设备进行处理，得到堆腔流道冷却水的装量数据。

2.根据权利要求1所述的一种压水堆堆腔液位监测系统，其特征在于，所述压力容器组件包括压力容器(1)；

所述压力容器外侧由内至外依次设置有保温层(6)和堆腔生物屏蔽墙(7)；

所述压力容器(1)外壁与所述保温层(6)之间形成堆腔(5)。

3.根据权利要求2所述的一种压水堆堆腔液位监测系统，其特征在于，所述冷却水液位监测组件(8)采用差压式变送器(12)测量堆腔流道的压差数据；

所述差压式变送器(12)的正压口设置在堆腔流道底部，通过在压力容器保温层底部设置取压管嘴实现；

所述差压式变送器(8)的负压口设置为敞开式，用于测量安全壳内大气绝对压力，从而获得正压口和负压口之间的压力差值。

4.根据权利要求3所述的一种压水堆堆腔液位监测系统，其特征在于，所述差压式变送器(12)设置在所述堆腔生物屏蔽墙(7)的外侧，其正压口取压管线(10)穿过所述堆腔生物屏蔽墙(7)伸入所述保温层(6)底部；

采用机械贯穿件实现所述取压管线(10)穿过所述堆腔生物屏蔽墙(7)的导向，同时保证所述堆腔生物屏蔽墙(7)的生物屏蔽性能。

5.根据权利要求3所述的一种压水堆堆腔液位监测系统，其特征在于，所述差压式变送器(12)测量得到的压差数据通过连接电缆传送给安全壳(15)外侧的信号处理设备；

所述连接电缆包括安全壳内连接电缆(13)和安全壳外连接电缆(16)；

且所述安全壳内连接电缆(13)和安全壳外连接电缆(16)通过所述安全壳(15)上的电气贯穿件(14)连接，所述差压式变送器(12)测量得到的压差信号最终通过所述安全壳外连接电缆(16)传递给所述信号处理设备。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种压水堆堆腔液位监测系统，其特征在于，所述测量组件还包括堆腔水温监测组件(9)；

所述堆腔水温监测组件(9)用于测量堆腔内冷却水温度，实现堆腔水温变化时，冷却水的密度补偿。

7.根据权利要求6所述的一种压水堆堆腔液位监测系统，其特征在于，所述测量组件还包括大气压力监测组件；

所述大气压力监测组件用于测量安全壳大气压力，实现堆腔冷却水温度测量超过安全壳饱和温度时的温度修正。

8.根据权利要求7所述的一种压水堆堆腔液位监测系统，其特征在于，所述信号处理设备采用下式计算得到堆腔流道冷却水的装量h：

h＝ΔP/ρ_w/g

式中，ΔP为差压式变送器测量到的压差，ρ_w为冷却水密度，g为重力加速度。

9.根据权利要求所述8的一种压水堆堆腔液位监测系统，其特征在于，所述信号处理设备采用下式计算堆腔流道冷却水密度ρ_w：

H_L＞650，ρ_W＝D₄+D₅/(H_L-D₆)

H_L＝H₁+H₂T+H₃(428-T_M)+H₄/(T_M-399)

D₁＝999.5997，D₂＝2.5843825×10^-4

D₃＝1.269508×10^-10，D₄＝1488.6338

D₅＝1470385.49，D₆＝3204.9245

H₁＝-38.3408，H₂＝4.0426973

H₃＝-11273.08，H₄＝-26227.09

式中，T_M为所述堆腔水温监测组件测量得到的堆腔冷却水温度，H₁、H₂、H₃、H₄、D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆为常量，H_L为计算用中间变量。

10.根据权利要求9所述的一种压水堆堆腔液位监测系统，其特征在于，所述信号处理设备通过下式计算安全壳饱和温度T_SAT：

I＝log₁₀P_ABS

T_SAT＝179.895+99.86I+24.38I²+5.67I³+0.935I⁴

式中，P_ABS为安全壳大气绝对压力；I为计算用中间变量；

所述信号处理设备通过下式得到用于计算冷却水密度的温度T：

T_SAT-T_M＞T_TH，T＝T_M

T_SAT-T_M≤T_TH，T＝T_SAT

式中，T_SAT为安全壳饱和温度，T_M为测量得到的堆腔冷却水温度，T_TH为温度阈值。

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