反應堆溫差法液位傳感器的研究

摘要：國內新建的三代核電技術(shù)基于安全考慮，提出了溫差法液位測量技術(shù)。本文據此設計了一種基于溫差法的液位傳感器。其根據水與水蒸氣的傳熱系數的顯著(zhù)差異，通過(guò)安裝于電加熱器加熱區處熱電偶與遠離加熱區熱電偶之間的測量溫度差值，判斷測點(diǎn)處液位情況。通過(guò)軟件模擬計算和試驗實(shí)測數據，證實(shí)了所設計的液位傳感器結構設計合理，性能可靠，能夠有效地判斷反應堆內液位變化情況。
       反應堆壓力容器內液位是涉及反應堆安全保護和反應堆事故后監測的重要參數。目前，國內新建的第三代核電技術(shù)基于更高的安全要求，放棄了需要在壓力容器上開(kāi)孔的壓差式液位測量方法。傳統的工業(yè)液位計種類(lèi)很多，如浮力式水位計、超聲波水位計、電接點(diǎn)式水位計、電容和電感式水位計等，然而能夠在具有高溫、高壓以及高輻照環(huán)境的反應堆壓力容器內部，實(shí)現液位測量的傳感器較少。溫差法液位傳感器作為一種成熟技術(shù)，能夠實(shí)現反應堆液位的定點(diǎn)測量，其結構簡(jiǎn)單，主要由電加熱器和熱電偶組成，受環(huán)境影響較小，具有很高的可靠性，目前廣泛被第三代核電技術(shù)所采用。
1液位傳感器原理與設計
1.1傳感器測量原理
       液位傳感器通過(guò)ΔT的方法進(jìn)行液位測量，主要由1個(gè)電加熱器和2個(gè)熱電偶組成。其中，一個(gè)熱電偶處于電加熱器的加熱區內，用于進(jìn)行水位判讀（水位測點(diǎn)）；一個(gè)熱電偶處于距離加熱區一定距離的非加熱區內，用于測量環(huán)境溫度。
       由水和水蒸氣或空氣的物性參數可知，水的換熱系數與水蒸氣的換熱系數存在著(zhù)較為明顯的差別，當水位測點(diǎn)（電加熱器加熱區的熱電偶）位于水中時(shí)，由于水具有更高的換熱系數，熱電偶測得的溫度值相對較低，而當水位測點(diǎn)處于水蒸氣中時(shí)，水蒸氣換熱系數較低，熱電偶測得的溫度值相對較高。
在進(jìn)行水位測量時(shí)，將加熱熱電偶和非加熱熱電偶共同組成一個(gè)水位測點(diǎn)，采用溫差輸出值ΔT來(lái)判定水位，即
ΔT=（Tch-Tcr）（1）
       式中：Tch為位于加熱區域的熱電偶溫度；Tcr為遠離加熱區域的熱電偶溫度。通過(guò)水位測點(diǎn)在水中和水蒸氣中的溫度差別，可設定一個(gè)合理的溫差值20℃，當ΔT的數值大于該溫差值時(shí)，表明水位測點(diǎn)處于水蒸氣中；如果ΔT的數值小于該溫差值時(shí)，則水位測點(diǎn)處于水中。如果沿水位高度布置若干個(gè)液位傳感器，便可判斷出壓力容器內部液位所處的高度范圍。液位傳感器測量原理如圖1所示。
1.2傳感器結構設計
       根據液位傳感器的測量原理，其結構主要包括1個(gè)電加熱器、1個(gè)作為測點(diǎn)的位于加熱器加熱區的熱電偶和1個(gè)作為參考點(diǎn)的位于非加熱區的熱電偶。由于傳感器位于反應堆壓力容器內部，傳感器外部有對傳感器進(jìn)行固定的不銹鋼外殼，不銹鋼外殼將一回路的水隔離開(kāi)，外殼內部為導熱系數特別低的空氣。為增加加熱區部位測點(diǎn)的熱量傳導效率，提升傳感器的響應時(shí)間，在熱電偶的熱端設計了導熱塊結構，液位傳感器的結構設計如圖1所示。

1.3傳感器理論分析
       液位傳感器的測點(diǎn)可以近似地看作一個(gè)圓柱體的傳熱結構。由于液位傳感器的結構相對復雜，包含了各種不同的材料，同時(shí)導熱塊需要通過(guò)熱電偶，其結構為異形結構，從而導致液位傳感器無(wú)法簡(jiǎn)單地利用傳熱公式進(jìn)行計算。為保證液位傳感器計算的正確率，在此使用ANSYS有限元分析軟件對液位傳感器進(jìn)行建模分析，傳感器內部的材料傳熱系數可以通過(guò)查詢(xún)相關(guān)資料進(jìn)行確定，此時(shí)僅需要對外殼與環(huán)境之間的換熱系數進(jìn)行確定。
       液位傳感器在正常工作時(shí)，測點(diǎn)不銹鋼外殼外部的水或水蒸氣無(wú)強制對流，因此測點(diǎn)外部的水或水蒸氣可視為自然對流，測點(diǎn)外殼的換熱系數為相應的自然對流換熱系數。相應地自然對流換熱系數[1]為

       式中：h為對流換熱系數，W/（m2·℃）；Pr為普朗特數，表示流體傳遞動(dòng)量與傳遞熱量的能力之比；Gr為格拉曉夫數，表示自然對流中的驅動(dòng)力，浮升力與黏性力之比；C，n為常數，依據Gr和Pr取值；λ為流體的熱導率，W/（m·K）；l為特征長(cháng)度，液位傳感器加熱區長(cháng)度；g為重力加速度，m/s2；α為流體的力膨脹系數；ν為運動(dòng)黏度；m2/s；ΔT為流體與壁面的溫差，K。
      由于探測器實(shí)際工作時(shí)位于內徑為13mm的導向管中，而非在無(wú)限大空間中。因此，通過(guò)式（2）計算出的自然對流系數需要考慮有限空間的影響，對傳熱系數進(jìn)行相應修正。
2軟件仿真計算
       反應堆正常工作時(shí)液位傳感器外部的水處于高溫高壓狀態(tài)，其設計工作溫度為343℃。當反應堆出現泄漏事故時(shí)，壓力容器內部由于壓力減小，水持續蒸發(fā)導致水位不斷下降，在傳感器測點(diǎn)露出水面后，傳感器的溫差值將迅速上升超過(guò)報警閾值，從而引發(fā)報警信號。
       為驗證液位傳感器設計的合理性，使用ANSYS有限元分析軟件將液位傳感器進(jìn)行建模仿真計算，分別計算液位傳感器位于水中和位于水蒸氣中時(shí)的測點(diǎn)溫度分布。
       反應堆正在工作時(shí)其壓力容器內部溫度為343℃，根據式（2）計算該溫度下測點(diǎn)位于水中和水蒸氣中的換熱系數，同時(shí)考慮傳感器工作于內徑13mm的導管內部，相應的導熱系數需要進(jìn)行修正，其中水蒸氣由于有限空間的影響，其導熱系數需要相應地降低。在計算水的導熱系數時(shí)，考慮到反應堆在出現泄漏后，由于壓力降低，并且測點(diǎn)的電加熱器處于持續加熱狀態(tài)，測點(diǎn)部位的水將處于沸騰狀態(tài)，而水沸騰將極大的提高導熱系數。因此，在進(jìn)行仿真計算時(shí)，綜合式（2）自然對流換熱系數計算數據，以及液位傳感器的實(shí)際工作狀態(tài)，設定傳感器分別位于水蒸氣與水中時(shí)的換熱系數。
將相應的數據輸入軟件后，根據模擬結果與性能要求對比，將加熱功率穩定為20W時(shí)液位傳感器性能最佳，所得計算結果如圖2所示。

       為驗證液位傳感器的響應特性，對測點(diǎn)進(jìn)行瞬態(tài)分析。由于軟件較難模擬水位下降的過(guò)程，模擬時(shí)假定測點(diǎn)外部的環(huán)境瞬時(shí)由水變?yōu)樗魵?，測點(diǎn)相應的溫差值變化曲線(xiàn)如圖3所示。

       根據仿真計算結果，液位測點(diǎn)在位于水中時(shí)溫差約為8.4℃，遠低于報警閾值20℃，能夠確保液位傳感器不會(huì )出現誤報警；在測點(diǎn)露出水面之后，測點(diǎn)的溫差值僅經(jīng)過(guò)約5.85s就達到報警閾值20℃，具有非常高的響應速度，所設計的液位傳感器滿(mǎn)足相應設計要求，能夠有效反饋液位變化。
3熱工試驗及分析
       根據液位傳感器的軟件仿真計算結果，制作了液位傳感器樣件，并對樣件進(jìn)行熱工臺架試驗。熱工試驗如圖4所示。由圖可見(jiàn)，液位傳感器樣件安裝在模擬反應堆實(shí)際工況的熱工臺架中，熱工臺架通過(guò)電加熱器對壓力容器內的水進(jìn)行加熱升溫，在壓力容器內部的溫度上升到指定溫度后，打開(kāi)底部閥門(mén)排出壓力容器內的水，使壓力容器內部水位下降，模擬反應堆失水事故，此時(shí)對液位傳感器的性能進(jìn)行測試。

       液位傳感器在反應堆正常工作溫度343℃的溫度平臺上進(jìn)行液位下降試驗。試驗測試了2種功率水平下傳感器的工作狀況，分別為與仿真模擬一致的20W加熱功率以及更高的功率25W。2種功率水平下傳感器的溫差曲線(xiàn)如圖5所示。


       試驗過(guò)程中待液位傳感器在水中溫度穩定后，開(kāi)啟壓力容器底部閥門(mén)，壓力容器內部的液位高度開(kāi)始降低，當液位下降到測點(diǎn)露出水面以后，測點(diǎn)的溫差值就開(kāi)始快速上升，最終超過(guò)設定的溫差閾值。相應的試驗數據與模擬計算結果對比見(jiàn)表1。

       由試驗數據可知，液位傳感器在液位降低到測點(diǎn)所在位置后能正確響應。
       在進(jìn)行傳感器25W加熱功率試驗時(shí)，由于電加熱功率的提升，測點(diǎn)水中溫差、水蒸氣中溫差以及升溫速率高于20W加熱功率試驗時(shí)的數據，而傳感器20W加熱功率時(shí)的試驗數據相較于模擬計算得出的數據，其水中溫差更低，水蒸氣中的溫差值更高，而升溫速率遠低于模擬計算結果。結合試驗的實(shí)際情況，分析出產(chǎn)生相應偏差的原因如下：
①傳感器材料的傳熱系數實(shí)際上是隨溫度變化的，計算時(shí)認為其為固定值；
②傳感器外殼的導熱系數為理論計算之后的修正值，實(shí)際傳感器正常工作時(shí)環(huán)境較為復雜，其導熱系數與理論計算具有一定偏差；
③模擬計算時(shí)傳感器整體瞬間從水中變?yōu)樗魵庵?，而?shí)際試驗時(shí)液位是緩慢下降的，測點(diǎn)表面也會(huì )殘留水膜，因此傳感器的實(shí)際升溫速率會(huì )低于理論計算結果。
4結語(yǔ)
       液位傳感器的仿真計算與實(shí)際試驗數據的對比表明，該液位傳感器的測量原理簡(jiǎn)單可靠，結構設計合理，具有較高的可靠性，能夠有效地反應液位變化；仿真計算較為符合工程實(shí)際，較為真實(shí)地反應傳感器特性。液位傳感器位于水中與位于水蒸氣中的溫差值差別大，具備較高的分辨率，能夠有效判斷液位的變化情況，適用于反應堆這種對于液位測量要求較高的場(chǎng)合；測點(diǎn)在露出水面后能夠快速升溫，具有較高的響應速度，能夠及時(shí)反饋液位變化情況；能夠通過(guò)調節加熱功率控制測點(diǎn)溫差的幅度，以此匹配不同水溫情況下的不同導熱系數，保證液位探測器能夠在較廣的溫度范圍內正常工作。