雷達液位計在乏燃料水池監測中的應用
日期:2013-12-30 10:23:23 來源:杭州供(gong)電公司,.中科華(hua)核電技(ji)術(shu)研究(jiu)院 作者:黃玥,張(zhang)麗芹
【引言】福(fu)(fu)島核(he)(he)事故(gu)后(hou),在國(guo)家(jia)核(he)(he)安(an)全局、能(neng)源(yuan)局等5大部委(wei)聯合下(xia)發的(de)(de)《核(he)(he)安(an)全與放射(she)性污(wu)染防(fang)治“十(shi)二(er)五(wu)”規劃(hua)及2020年遠景目標》的(de)(de)基本原則中提(ti)出(chu)了(le)“預防(fang)為主,縱深防(fang)御”和(he)“依靠科技(ji)(ji)、持續改(gai)進”兩項基本原則,并(bing)在重點(dian)任務中提(ti)出(chu)了(le)需要增強乏燃料水(shui)(shui)(shui)池(chi)(以下(xia)簡稱(cheng)“乏池(chi)”)的(de)(de)補水(shui)(shui)(shui)和(he)監(jian)測(ce)能(neng)力。2012年,國(guo)家(jia)核(he)(he)安(an)全局提(ti)出(chu)了(le)《福(fu)(fu)島核(he)(he)事故(gu)后(hou)核(he)(he)電(dian)廠改(gai)進行動通用(yong)技(ji)(ji)術(shu)要求》(以下(xia)簡稱(cheng)“改(gai)進要求”),明確(que)定義“乏池(chi)監(jian)測(ce)”應針對各種(zhong)工況(kuang)下(xia)的(de)(de)乏池(chi)參數(如溫度(du)、液位、放射(she)性水(shui)(shui)(shui)平(ping)等)進行監(jian)測(ce),以獲取事故(gu)后(hou)乏燃料水(shui)(shui)(shui)池(chi)的(de)(de)信息,并(bing)要求考慮喪失廠外(wai)電(dian)和(he)應急柴油(you)機供電(dian)情(qing)況(kuang)下(xia)對液位和(he)溫度(du)測(ce)量的(de)(de)供電(dian)。
1 液位計選型
目前工業領域已被成熟應用的水位測量的技術方式有壓差式、電接點式、熱效應式、非接觸式等多種原理型式。然而對于核電站已經運營的機組,由于乏池中已充滿冷卻水并儲存有乏燃料,故水池中的水不能排空,水池中輻射劑量較大,因此對于壓差式、電接點式、熱效應式等接觸式液位計,現場無法提供安裝條件,故無法應用。(相關文章推薦:工藝現場根據什么原則選擇何(he)種液位(wei)計)
目前新型的非接觸式液位計超聲波及雷達液位計得到(dao)廣泛應(ying)用。其測量原理是通(tong)過發(fa)射(she)一束(shu)(shu)波(bo)束(shu)(shu)到(dao)液(ye)面并接收從液(ye)面反射(she)回(hui)來的該波(bo)束(shu)(shu),通(tong)過檢測該波(bo)束(shu)(shu)往返所需的時(shi)(shi)間來確定液(ye)體(ti)的液(ye)位。超聲(sheng)波(bo)是機械波(bo),因聲(sheng)波(bo)要靠振動(dong)發(fa)聲(sheng),環境(jing)壓(ya)力大(da)時(shi)(shi)發(fa)聲(sheng)部件受(shou)影(ying)響(xiang);且其傳播速度(du)(du)(du)與傳播媒(mei)介的狀態密切(qie)相關,故(gu)受(shou)影(ying)響(xiang)的條件(溫度(du)(du)(du)、壓(ya)力等)較(jiao)多(duo);另外超聲(sheng)波(bo)頻率(lv)一般(ban)(ban)為(wei)幾萬赫茲,故(gu)其穿透能力差,在信號傳輸過程中,衰減較(jiao)大(da);此(ci)外超聲(sheng)波(bo)發(fa)射(she)器(qi)不能耐受(shou)高溫。三暢雷達液(ye)位計(ji)發(fa)射(she)的是電磁波(bo),頻率(lv)一般(ban)(ban)在6G~26GHz之(zhi)間,波(bo)速與環境(jing)溫度(du)(du)(du)、煙霧、壓(ya)力等沒有關系,傳播速度(du)(du)(du)始終為(wei)光速。
因此兩者主要區別有:
1)超聲波液位計精度不如雷達。
2)三暢超聲波液位計不能應用于真空、蒸汽含量過高或液面有泡沫等工況,而電磁波可以滿足很多種狀態下測量,外部環境(霧氣等)不會影響被測物體的測量范圍和精度;
3)三暢雷達液位計測量范圍要比超聲波大很多,方式多樣,相對超聲波能夠應用于更復雜的工況。
2、調頻連續波FMCW
應用頻差原理如圖2所示。雷達天線發射的雷達波是被調制成圍繞基本工作頻率、以固定速率連續變化的GHz級的高頻信號。雷達信號被液體表面反射后,天線接收回波,由于雷達波頻率按固定規律變化,使回波與發射波的頻率不同,從而形成頻率差Δf 。Δf 與發射天線到液面的距離H成正比。這種調頻信號能有效地提高信噪比,并獲得更高的精度。
如果設定雷達波(bo)發(fa)射(she)頻率隨時(shi)間線性增(zeng)加(jia),增(zeng)加(jia)的斜率為k,當遇到(dao)液面發(fa)生(sheng)反射(she)時(shi),反射(she)回(hui)來的信(xin)號比發(fa)射(she)信(xin)號滯后了一(yi)定時(shi)間t。根據電磁波(bo)傳播原理可知(zhi):t=2R/C (6)
式中:
C為微波在空間中的傳播速度;
R為液面距雷達液位儀的距離。
信號反射頻(pin)率與發(fa)射頻(pin)率間(jian)的差(cha)頻(pin)為:Δf =kt (7)
將以上兩式合并后可以得到:R = C *f / 2k (8),
因此R與Δf 是成正比的(de),故反射液面(mian)離雷(lei)達天(tian)線(xian)的(de)距離越(yue)遠,則所(suo)產(chan)生的(de)差頻頻率Δf 越(yue)大,由(you)此可計算天(tian)線(xian)到(dao)反射面(mian)的(de)距離。
3、適用性評價
運行核電廠的乏燃料水池在正常情況下,由于儲存有乏燃料時,水位均保持在安全高度狀態,同時也為操作人員提供良好的生物防護。由于恐怖襲擊、自然災害、系統本身故障、衰變熱等原因使得乏池水溫升高、水位下降,可能導致乏燃料組件裸露甚至熔化等事故的發生。為保證乏燃料的正常冷卻和及時采取相應措施,乏池中水位必須進行實時監測。
乏燃料儲存水池位于核電站燃料廠房內,燃料廠房用于燃料裝卸、運輸、貯存系統(PMC)的設備布置及操作,同時也用于反應堆換料水池和乏池冷卻和處理系統(PTR)、燃料廠房通風系統(DVK)的布置。乏燃料儲存水池所在的房間為輻射控制區,在燃料廠房區域的+7.50m至+20.OOm標高處,水池所處的燃料廠房長50m左右、寬24m、屋頂zui高為38.5m,距池水表面0.5m處的劑量率≤0.5μSv /h ,因此離乏燃料池水表面更高處的輻照劑量率會更低,接近于天然本底輻照劑量率,因此可通過在水池上部的廠房頂部加裝一個安裝平臺,其上安裝雷達液位計以實現對乏池的水位測量。
乏(fa)池液(ye)位(wei)(wei)在(zai)19.3m時(shi)為其液(ye)位(wei)(wei)低(di)報(bao)警,正常(chang)運行期(qi)間提(ti)示正常(chang)補水;19.55m時(shi)液(ye)位(wei)(wei)高報(bao)警,停止所有補水操作。因此其液(ye)位(wei)(wei)高度固(gu)定,處(chu)于室(shi)內,也不(bu)(bu)會(hui)出現(xian)由于風吹而(er)產(chan)生(sheng)液(ye)位(wei)(wei)波(bo)動的情況(kuang),因此基本不(bu)(bu)會(hui)出現(xian)由于液(ye)位(wei)(wei)大(da)幅(fu)(fu)增加、而(er)產(chan)生(sheng)雷達(da)波(bo)發射到接收的時(shi)間大(da)幅(fu)(fu)變短(duan)、從而(er)引起(qi)計時(shi)困難的情形(xing),即(ji)利用脈沖(chong)-時(shi)間法測量精度不(bu)(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)大(da)幅(fu)(fu)降低(di)的情況(kuang)。
由于核(he)電(dian)(dian)站(zhan)乏燃料(liao)廠(chang)房很少有人進入,在雷(lei)達(da)液位計(ji)(ji)電(dian)(dian)磁(ci)波(bo)(bo)(bo)波(bo)(bo)(bo)束(shu)所輻射的(de)(de)(de)(de)(de)(de)范圍(wei)內或其周圍(wei),鮮(xian)少出(chu)現(xian)數字無線(xian)電(dian)(dian)話系統等(deng)強磁(ci)干擾(rao)(rao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)設備。而核(he)電(dian)(dian)站(zhan)電(dian)(dian)氣室需要實時(shi)獲(huo)知乏池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)液位信(xin)息(xi),故需將(jiang)液位計(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)探(tan)測部分(雷(lei)達(da)表(biao)頭及天(tian)線(xian)部分)通過法(fa)蘭或者螺紋固定在乏池(chi)上方(fang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)安(an)裝(zhuang)平臺上,并保(bao)證天(tian)線(xian)正(zheng)下方(fang)無干擾(rao)(rao)物,而將(jiang)液位計(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)子部分(電(dian)(dian)源和信(xin)號)放(fang)置(zhi)在電(dian)(dian)站(zhan)電(dian)(dian)氣廠(chang)房內,設置(zhi)專門的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)氣柜進行(xing)信(xin)號的(de)(de)(de)(de)(de)(de)顯示和遠(yuan)傳(chuan)(遠(yuan)傳(chuan)到控制(zhi)室,以(yi)進行(xing)乏燃料(liao)池(chi)水位的(de)(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)動控制(zhi)),根據《改進行(xing)動要求》,液位計(ji)(ji)電(dian)(dian)源需設置(zhi)冗余的(de)(de)(de)(de)(de)(de)兩路(lu)來源,一(yi)路(lu)由電(dian)(dian)站(zhan)電(dian)(dian)力供(gong)應系統供(gong)電(dian)(dian)(正(zheng)常情(qing)況(kuang)下),另(ling)一(yi)路(lu)連接于電(dian)(dian)站(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)備用(yong)(yong)電(dian)(dian)源或可替代電(dian)(dian)池(chi),即(ji)應急供(gong)電(dian)(dian)系統(事(shi)故情(qing)況(kuang)下)。綜(zong)上,采用(yong)(yong)三暢二線(xian)制(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)24VDC供(gong)電(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)雷(lei)達(da)脈沖波(bo)(bo)(bo)技術的(de)(de)(de)(de)(de)(de)液位計(ji)(ji),具有功耗低、易實現(xian)且安(an)全可靠等(deng)優(you)點(dian)。
4、 結論
雖然液位計的類型較多,但通過比較分析可知,能適用于已運行核電廠乏燃料水池液位測量的類型卻不多。由于三暢雷達液位計具有非接觸測量優勢,通過相關技術及安裝措施改進,可在非放射性/放射性工況下可靠性的應用,因此可推動雷達液位測量儀表在核電站特殊場所中的使用。
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