Многозонный уровнемер кондуктометрического типа для измерения уровня жидкого натрия

Внедрение: 2017 г.

Жидкий натрий широко используется в атомной энергетике в качестве теплоносителя для реакторов на быстрых нейтронах типа БН, что связано с преимуществами физико-химических свойств натрия по сравнению с другими теплоносителями.  

В филиале Института атомной энергии РГП НЯЦ РК проведена разработка многозонного уровнемера кондуктометрического типа, предназначенного для измерения уровня жидкого натрия в экспериментальных емкостях при проведении внутриреакторных и внереакторных экспериментов с жидким натрием [1]. В разработке был задействован крейт LTR. 

Принцип действия многозонного уровнемера УН‑800 основан на измерении электрического сопротивления чувствительного элемента, шунтируемого измеряемой средой – жидким натрием. Первичный измерительный преобразователь уровня выполнен в виде трубы (поз. 2). Труба разбита на 9 участков. На границах зон, начиная от нулевого уровня до максимального измеряемого уровня, приварены 10 измерительных электродов (поз. 6), покрытых термостойкой электроизоляцией. Измерительные электроды разделяют уровнемер на восемь зон и служат для измерения падения напряжения на зонах. Электропитание на датчик подводится по внутреннему токовводу (поз. 4) и к корпусу уровнемера (поз. 5) от источника постоянного тока. Внутренний токоввод выполнен из медного провода, приваренного к заглушке (поз. 1). Для герметизации датчика уровня при установке в ёмкость предусмотрен фланец, который выполнен единой конструкцией с чувствительным элементом уровнемера (поз. 3).

Рисунок 1. Структурная схема уровнемера УН-800: 1 – заглушка; 2 – первичный измерительный преобразователь; 3 – чувствительный элемент; 4 – внутренний токоввод; 5 – корпус; 6 – измерительные электроды.

На рисунке 2 показан общий вид уровнемера УН‑800. Начальными координатами уровня жидкого натрия является начало первой зоны.

Рисунок 2. Общий вид уровнемера УН‑800.

Пропускался ток порядка 20‑30 А через первичный преобразователь (труба диаметром 14 мм). Измерением падения напряжения в зонах определялся уровень жидкого натрия. Для регистрации рабочих сигналов уровнемера УН‑800 и контроля уровня в экспериментальной емкости с жидким натрием, разогретым до 200 °C, была разработана и собрана локальная система регистрации параметров жидкого натрия. Данная измерительная система включает в себя следующее оборудование: датчики пустот (3 шт.); уровнемер уровня жидкого натрия УН-800; пульт управления локальной системой регистрации (компьютер) и панель с блоками ADAM для управления источниками тока датчиков пустот; блоки с нормирующими усилителями и источниками тока; портативный крейт L‑CARD LTR‑EU‑2 c модулем LTR11 для оцифровки сигналов. На рисунке 3 показана фотография локальной системы измерения в сборе.

Рисунок 3. Локальная система измерения параметров жидкого натрия в сборе.

Для проведения экспериментальных работ по проверке работоспособности уровнемера УН‑800 использована следующая схема: уровнемер УН‑800 установлен в крышку экспериментальной ёмкости, которая соединена трубопроводом с разделительной ёмкостью. Предварительно натрий в разделительной ёмкости равномерно нагревался до температуры 200 °С, трубопровод и экспериментальная ёмкость также нагревались до температуры 200 °С. Затем жидкий натрий вытесняется из разделительной ёмкости в экспериментальную инертным газом под давлением до 2 атм. Заполнение экспериментальной ёмкости выполняется снизу вверх и регулируется открытием/закрытием вентиля. Слив жидкого натрия осуществляется сбросом давления из разделительной ёмкости и подачей давления до 2 атм. инертного газа в экспериментальную ёмкость. Слив жидкого натрия также регулируется открытием/закрытием вентиля. Общий вид схемы эксперимента показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Общий вид схемы эксперимента (трубопровод и экспериментальная ёмкость без теплоизоляции).

Заполнение экспериментальной ёмкости до уровня 630 мм контролировалось датчиками пустот в количестве 3 шт. Схема расположения уровнемера УН‑800 и датчиков пустот в экспериментальной ёмкости приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема расположения уровнемера УН‑800 и датчиков пустот в экспериментальной ёмкости.

На рисунке 6 представлены экспериментальные результаты изменения сигналов напряжения с датчиков пустот и уровня жидкого натрия в процессе заполнения и слива экспериментальной ёмкости.

Рисунок 6. Графики изменения сигналов напряжения с датчиков пустот и уровня жидкого натрия с уровнемера УН-800 в процессе заполнения (а, в, д) и слива (б, г, е) экспериментальной ёмкости.

Приводим полностью заключение данной работы: 

В ходе экспериментальных работ по проверке работоспособности уровнемера УН‑800 было установлено следующее:

1. Измерительная система параметров жидкого натрия в составе стабилизированного источника питания, нормирующих усилителей, блока сбора данных (L‑CARD LTR‑EU‑2 с модулем LTR11, ПК с программным обеспечением обработки измерительных данных) работоспособна и соответствует заявленным техническим характеристикам технического задания.
2. Погрешность измерения при «сухой» калибровке уровнемера УН‑800 совместно с измерительной системой параметров жидкого натрия составляет не более 2 мм во всем диапазоне измерения уровнемера УН‑800.
3. По результатам проведенного эксперимента с жидким натрием установлено, что уровнемер УН‑800 с измерительной системой параметров жидкого натрия обеспечивает измерение уровня жидкого натрия (при температуре от 150 °C до 200 °C) в диапазоне от 0 мм до 800 мм с приведенной погрешностью не более 1,2 % от верхнего диапазона измерения. На показания датчиков пустот и уровнемера УН‑800 оказывает влияние пленка окислов и гидроокислов натрия в экспериментальной ёмкости, что увеличивает погрешность измерения уровнемера УН‑800. Пленка окислов и гидроокислов натрия в меньшей степени влияет на уровнемер, чем на датчики пустот, что связано с меньшим активным сопротивлением чувствительного элемента датчика уровня УН‑800.

Таким образом, на погрешность измерения при измерении уровня жидкого натрия уровнемером УН‑800 влияют следующие основные факторы: неточность определения места расположения уровнемера УН‑800 относительно точки отсчета в экспериментальной ёмкости, скорость заполнения/слива жидкого натрия (что влияет на скорость растворения пленки окислов и гидроокислов натрия на поверхности уровнемера) и погрешность измерительной системы, которая по оценке «сухой» калибровки находится на уровне ±2 мм.  

Источник:
Тарасенко Е.В., Райханов М.Б., Сарсембаев Е.А. Разработка и исследование многозонного уровнемера кондуктометрического типа для измерения уровня жидкого натрия // Вестник НЯЦ РК. – 2017. – Вып. 3. – С. 76‑83.

Разработчик: Тарасенко Е.В., Райханов М.Б., Сарсембаев Е.А. (Филиал Института атомной энергии РГП НЯЦ РК, Курчатов, Казахстан)