CPR1000核电厂;燃料水池雷达液位计;导波雷达液位计;

CPR1000核电厂;燃料水池雷达液位计;导波雷达液位计;

导波雷达物位计是基于时间行程原理的测量仪表，雷达波以光速运行，运行时间可以通过电子部件被转换成物位信号，探头发出高频脉冲并沿缆式或杆式探头传播，当脉冲遇到物料表面时反射回来被仪表内的接收器接收，并将距离信号转化为物位信号。

导波雷达物位计类型：

CPR1000核电厂乏燃料水池严重事故监测系统选型及应用：

根据日本福岛核事故反馈, CPR1000核电厂新增一套乏燃料水池严重事故监测系统, 通过对各类液位计进行换型研究, 终选择导波雷达液位计和热扩散式液位计分别作为在运和在建核电厂换型仪表, 应用证明监测系统整体运行情况良好。
1 引言
2011年日本福岛核事故中，受强震及海啸影响，福岛核电厂丧失全部厂外电源及备用应急电源，造成乏池失去补水和冷却功能，4号机组乏燃料厂房发生严重的 爆炸，造成大量放射物质外泄。由于缺乏必要监测手段，导致无法准确判断乏池实际水位和温度，从而无法为事故后决策提供有效数据信息，因此，深刻吸收福岛核事故的反馈，CPR1000核电厂改进或新增一套满足抗震和严重事故环境条件的乏池监测系统非常必要。
2 现状分析
为进一步提高我国核电厂的核安全水平，2012年6月，国家核安全局根据日本福岛核事故反馈 《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求（试行）》（以下简称《通用技术要求》），对乏池监测的技术要求规定如下:（1）液位测量区间应包括乏燃料开始裸露的水位到满水位，同时应能够连续测量乏池温度；（2）液位和温度测量应在主控室或其他适当位置设置相关的指示信息，并设置相应的报警；（3）液位和温度测量应在设计基准地震下保证其功能；（4）应考虑丧失全部交流电源（包括厂址附加柴油机）供电情况下对液位和温度测量系统的供电；（5）液位和温度测量应保证在相应环境条件下的设备可用性。
CPR1000核电厂乏池监测系统当前仪表选型均为非安全级仪表，其在液位测量范围、显示、抗震、供电、设备鉴定等方面均不满足《通用技术要求》。
3 选型方案
3.1 总体设计要求
根据《通用技术要求》，液位测量区间需包括乏燃料开始裸露的水位（11.5m）至满水位（20m），温度测量区间为0～120℃，系统设备及相关电缆、支架均需通过抗震和严重事故下环境条件（K1）鉴定，在丧失全部交流电源（包括应急柴油发电机）的情况下，乏池液位和温度监测系统需具备UPS应急电源。
3.2 选型研究
在核电及工业领域中，温度测量主要采用热电阻或热电偶，二者均有很强的适用性和各种环境条件下的应用经验，而液位测量领域应用较广泛的则有差压式液位计、浮子液位计、超声波液位计、雷达液位计、导波雷达液位计、热扩散式液位计[1]。
1）差压式液位计通过测量容器底部与顶部压差来计算实际液位，在核电领域应用非常广泛，产品可靠性很高。但对于乏池液位测量，其高压侧取压点的确定和安装非常困难，同时，差压变送器的安装位置一般要低于取压口，若发生类似福岛事故（地震导致海啸），变送器极易因水淹而失效。
2）浮子液位计利用浮力平衡原理，通过检测液面浮子位移来测量实际液位，其主要应用于液面波动小、液相稳定的普通工况，难以通过核级鉴定，对于乏池事故工况下高温沸腾、强辐照的恶劣环境不能适用。
3）超声波液位计利用声波在不同传播介质的分界面发生反射的原理，通过测量反射回波被探头接受时间从而计算介质液位，属于典型的非接触式液位计，通常应用于常温常压容器，不适用被测介质含有大量水汽、粉尘等情况，主要因为声波遇到该类物质会产生散射和反射，造成声波衰减，从而产生测量误差甚至虚假液位，所以对乏池事故工况下的高温蒸汽环境无法适用。
4）雷达液位计是基于微波技术的非接触式仪表，通过测量电磁波发射与接收的时间差计算介质液位，电磁波频率高、穿透能力强，相比超声波液位计，其能适用于蒸汽、粉尘、烟雾等外部环境，但由于雷达液位计的电磁波发射口存在一定发射角，当容器内结构复杂、障碍物较多时，易产生虚假回波，所以雷达液位计对探头安装高度和附近条件要求较高，而乏池上部安装空间狭小，液位计需安装于靠近池壁的固定支架，难以满足电磁波发射角度要求。
5）导波雷达液位计同样利用微波的时域反射技术，测量时微波脉冲沿导波杆向下传播，碰到介质分界面时产生反射回波，从而根据回波的行程时间测出液位，导波雷达液位计属于接触式液位计，由于电磁波沿导波杆传输，衰减程度小、抗干扰能力强、测量精准，同时，测量不受介质密度、导电率和温度的影响，高温蒸汽、泡沫、液位波动等复杂工况都能有效测量，其安装方式多样，可以选择顶装或者侧装。
6）热扩散式液位计起步较晚，但发展迅速，其基本元件为热电阻（RTD），每个元件由2组热电阻组成，其中，一组被加热，另一组测量介质温度，利用气、液两相的导热系数不同，通过测量二者的电阻差来测量实际液位，该液位计能够集成液位监测与温度监测的功能，并且能满足K1类鉴定要求。
综合上述选型分析，初步明确导波雷达液位计和热扩散式液位计能够满足严重事故下的环境条件及设备鉴定要求，由于在选型研究阶段，CPR1000核电厂同时存在在运和在建机组，对于在运机组，由于乏池中已充满硼水，故必须避免水下作业，由于热扩散式液位计顶部固定的同时需通过乏池侧壁上的预埋件焊接固定，而导波雷达液位计可以直接通过顶部固定，故 终确定在运机组选择导波雷达液位计，在建机组选择热扩散式液位计。
4 方案应用
4.1 在运机组方案中的应用
在运机组乏池严重事故监测系统一次单元采用缆式导波雷达液位计和铂热电阻，液位与温度传感器采用一体化缆式设计，为保证整套传感器受力平衡，导波杆两侧设置了2块温度传感器，3块仪表共用一个支架，支架固定于乏池顶部。就地单元（PTR015CR）安装于乏燃料厂房，对乏池液位和温度进行就地显示和报警并将现场信号转换后通过硬接线送至远程单元（PTR017CR），远程单元（PTR017CR）位于主控室旁的计算机房内，实现乏池液位和温度的远端显示与报警。系统供电采用安全级仪控系统电源LNA并同时配置72h UPS，其中，就地单元单独设置UPS电源箱（PTR016CR），远程单元UPS则直接置于远程单元箱内，能有效保证监测系统在全厂失电后72h的持续正常运行。
4.2 在建机组方案中的应用
经调研，CPR1000在建机组 终选用美国FCI CL86+型连续液位监测系统，可实现液位连续、断续监测及温度连续监测的功能，其主要设备包括一体式热电阻组件、信号处理机柜及其专用连接电缆，设备均满足核级鉴定要求，仪表组件通过现有乏燃料水池侧壁预埋件焊接固定，相关支架均满足抗震要求，信号处理机柜位于主控室下层的电气厂房，机柜盘面能显示液位、温度及开关报警等信息，同时将转换后的标准信号送至主控计算机终端显示和BUP后备盘显示。信号处理柜供电为应急电源（LLS）和UPS电源（LVS），满足事故后监测要求。
5 结语
通过对各类型液位计进行研究，综合分析仪表适用环境、鉴定情况、安装要求及在建/在运核电厂乏池运行状态， 终选择导波雷达液位计和热扩散式液位计分别应用于在运和在建核电机组，经应用证明，系统整体运行情况良好，为后续核电机组提供了很好的经验反馈。