核電廠超聲波流量計在主給水流量測量中的應(yīng)用

居法立，陳遠(yuǎn)倫，陶佳林

（三門核電有限公司，浙江??三門??317112?）

核電廠超聲波流量計在主給水流量測量中的應(yīng)用

居法立，陳遠(yuǎn)倫，陶佳林

（三門核電有限公司，浙江??三門??317112?）

文章分析了反應(yīng)堆熱功率計算過程，以及文丘里管差壓式流量計與超聲波流量計在三門核電主給水流量測量中的差異。針對流量測量精度對反應(yīng)堆熱功率計算不確定度的影響開展了分析探討，并總結(jié)了國外核電廠的小幅功率提升的研究成果和實施方式。研究分析表明，通過提高給水流量測量精度進(jìn)行小幅度功率提升是完全可行的，同時可以在保證核電廠安全、穩(wěn)定運行的前提下提高經(jīng)濟效益。

超聲波流量計；文丘里管；給水流量測量；小幅功率提升；熱功率

核電廠中的工作介質(zhì)基本上都是流體，對流量的準(zhǔn)確測量不僅能夠確保核電廠在最佳工況下運行，還能保障核電廠的安全。文丘里管的流量系數(shù)在較寬的范圍內(nèi)變化不大，水頭損失小，測量精度高，廣泛用于核電廠的主給水流量測量[1]。但是國內(nèi)外核電廠的運行經(jīng)驗表明，文丘里管在長期使用過程中由于磨損和結(jié)垢等原因，測量精度會逐漸變差，影響測量結(jié)果。

主給水流量不僅是三門核電給水“三沖量”控制之一的重要測量參數(shù)，也是核電廠運行期間，反應(yīng)堆堆芯功率計算的關(guān)鍵參數(shù)。因此，精確的給水流量測量值，對于優(yōu)化蒸汽發(fā)生器液位控制和反應(yīng)堆熱功率計算，以及核電廠的安全、可靠運行都非常重要。

通過蒸汽發(fā)生器平衡法（熱平衡法）計算反應(yīng)堆堆芯功率是目前工程上行之有效的方法。熱平衡法是根據(jù)蒸汽發(fā)生器中二回路工作介質(zhì)的流量、溫度、壓力、濕度等物理參數(shù)，計算出二回路工質(zhì)通過蒸汽發(fā)生器時產(chǎn)生的焓升，可得到一回路傳遞給二回路的能量，同時考慮反應(yīng)堆冷卻劑泵能量轉(zhuǎn)化、熱損失等，通過能量平衡原理推算出反應(yīng)堆堆芯熱功率[2]。國際上采用熱平衡法計算反應(yīng)堆熱功率的有法國電力公司和美國西屋電氣公司等。核電廠運行期間堆芯功率是十分重要的運行參數(shù)，若堆芯熱功率測量值低于實際值，反應(yīng)堆將在超設(shè)計工況下運行，堆芯容易燒毀，從而引發(fā)反應(yīng)堆事故，危及設(shè)備、工作人員及公眾的安全。反之，如果堆芯熱功率測量值高于實際值，反應(yīng)堆沒有達(dá)到其額定運行條件，反應(yīng)堆釋放出的熱量以及由此導(dǎo)致的發(fā)電量均低于設(shè)計值，機組的經(jīng)濟性將受到影響[3]。

為了更加準(zhǔn)確地測量給水的流量，三門核電采用了不同于一般國內(nèi)核電廠的方法，使用了文丘里管式差壓變送器和超聲波流量計兩套測量方式。文章通過分析文丘里和超聲波流量計差異，以及熱功率計算過程，探討如何提高給水流量測量精度，從而提高反應(yīng)堆熱功率的計算準(zhǔn)確度，為核電廠的安全、穩(wěn)定運行提供可靠保證。

1 反應(yīng)堆熱功率計算及不確定度分析

反應(yīng)堆熱功率分布是核電廠安全運行的重要參數(shù)，也是進(jìn)行堆芯及燃料組件燃耗統(tǒng)計必不可少的物理量。三門核電反應(yīng)堆釋熱量統(tǒng)計以二回路熱平衡功率測量值為依據(jù)進(jìn)行，此方法認(rèn)為冷卻劑獲得的輸入熱功率等于蒸汽發(fā)生器輸出的熱功率，即：

式中：Qcore——反應(yīng)堆熱功率；

QNHI——除堆芯外的熱源向冷卻劑輸入的熱功率，如冷卻劑主泵、穩(wěn)壓器電加熱器、化容系統(tǒng)運行帶走的熱量，冷卻劑的熱損失等；

QSG——蒸汽發(fā)生器熱功率。

通過測量二回路給水壓力、溫度、流量、蒸汽壓力、蒸汽發(fā)生器排污流量、溫度等，利用熱量平衡法可計算QSG，通過公式轉(zhuǎn)換得到堆芯熱功率Qcore：

式中：hs——蒸汽發(fā)生器出口比焓；

hfw——給水比焓（蒸汽發(fā)生器入口）；

hbd——蒸汽發(fā)生器排污比焓；

Gfw——給水流量；

Gbd——蒸汽發(fā)生器排污流量。

式中：hg——蒸汽發(fā)生器飽和蒸汽比焓；

hw——蒸汽發(fā)生器飽和水比焓；

X——蒸汽發(fā)生器出口蒸汽濕度（三門核電約為0.4%）。

結(jié)合式（1）和式（2）可知，蒸汽、給水和排污的比焓是可以準(zhǔn)確得到的，蒸汽發(fā)生器的排污流量（2.11～21.1?m3/h）僅占0.061%～0.61%最大蒸汽流量（影響較小），因此熱功率計算的不確定度主要取決于給水流量的測量精度。以法國電力公司給出的計算分析結(jié)果為例，熱功率的不確定度有83.18%是由于給水流量測量的不確定度造成的[4]，由此可見提高給水流量測量的不確定度對于熱功率計算的重要性。

2 文丘里管差壓式流量計存在的問題及測量不確定度計算

三門核電主給水差壓式流量計配置為文丘里管+差壓變送器，每臺文丘里管配備6臺羅斯蒙特差壓變送器，其中3臺為窄量程（用于低功率測量，量程范圍約為滿功率時給水流量的20%），3臺為寬量程（量程可達(dá)為滿功率時給水流量的120%），流量數(shù)據(jù)用于主給水流量控制和啟動給水流量控制，以及穩(wěn)態(tài)工況時的熱功率計算[5]。三門核電為了保證給水流量0.91%的不確定度要求，在文丘里管的上游安裝了流量調(diào)整裝置，并使用超聲波流量計對其進(jìn)行定期標(biāo)定。

2.1 差壓式流量計存在的問題

國內(nèi)外大量在役核電廠的給水流量測量使用的都是文丘里管流量計，與其他節(jié)流裝置類似，長期運行節(jié)流元件取壓口附近容易結(jié)垢和過流面磨損（造成開孔直徑d變大），導(dǎo)致測量到的差壓值大于真實的差壓值，使得到的流量值大于實際的流量，同時造成使用該流量值計算的熱功率大于真實的熱功率數(shù)值。核電廠為了在核安全監(jiān)管部門批準(zhǔn)的限值內(nèi)運行，實際上處于一種非滿負(fù)荷狀態(tài)下運行[4]。據(jù)EPRI報告相關(guān)描述，文丘里管的取壓口結(jié)垢問題是導(dǎo)致美國核電廠不能滿負(fù)荷運行的最常見因素，造成的發(fā)電功率損失最大可達(dá)滿負(fù)荷的3%[6]。現(xiàn)有的國內(nèi)外資料和設(shè)計文件顯示，文丘里管取壓口結(jié)垢的原因：主要是核電廠二回路系統(tǒng)中使用的銅或銅合金壓析在文丘里管內(nèi)壁上引起的壓降；給水中含有鐵的氧化物等。文丘里管的除垢可采用機械方法和化學(xué)方法，但都需要在核電站停堆期間清除污垢，由于文丘里管與給水管道均采取焊接方式連接，給清除結(jié)垢工作帶來很大困難，取壓口處的污垢清除后，運行一段時間又會聚積。

2.2 保證1%給水流量測量不確定度的方法及計算過程

為了提高給水流量測量不確定度，三門核電采用了以下方法。

1）增加流量調(diào)整裝置。流量調(diào)整裝置的安裝直管段要求：上游直管段2（L/D，長度/管道直徑），下游直管段18（L/D，長度/管道直徑），下游足夠長的直管段是為了保證給水更加平穩(wěn)，有利于提高文丘里流量計的測量精度。

2）為了保證更高的溫度測量精度，在原有給水溫度測量元件基礎(chǔ)上，增加1只熱電偶（安裝在原有熱電偶的對面，且有足夠遠(yuǎn)的距離）組成冗余溫度測量單元。

3）高精度超聲波流量計用于定期校準(zhǔn)文丘里流量計。

4）選用精度高的差壓變送器，目羅斯蒙特變送器的精度已達(dá)0.075%。窄量程和寬量程各有3臺變送器，有利于低流量時提高測量精度。

熱功率計算不確定度分析過程如下：

1）文丘里管測量精度分析，0.5%為系統(tǒng)誤差（直管段等對流場的影響），0.25%的隨機誤差（實驗室標(biāo)定的不確定度），同時考慮2條給水管線相互影響，則文丘里管的綜合誤差為0.5%+

2）主蒸汽壓力對熱功率計算不確定度的影響不超過0.1%（理論計算分析和試驗）。

3）蒸汽發(fā)生器排污量和溫度的影響，對熱功率計算的不確定度的影響不超過0.1%。

4）綜合考慮冷卻劑主泵產(chǎn)生的熱量和核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的熱量損失，則其熱功率計算的不確定度的影響亦不超過0.1%。

結(jié)合以上分析和相應(yīng)設(shè)計文件，熱功率計算不確定度為：式中：0.54%——差壓變送器誤差對熱功率計算的影響（理論分析+試驗數(shù)據(jù)）；

0.21%——給水溫度對熱功率計算的影響。

通過式（4）也可以看出，文丘里管和差壓變送器綜合不確定度，是對熱功率計算的影響最大的因素。

3 超聲波流量計在三門核電給水測量中的應(yīng)用

三門核電二回路主給水的測量采用差壓式流量計和超聲波流量計相結(jié)合的方法，其測量示意圖如圖1所示。二回路主給水由給水泵輸出后經(jīng)6、7號高加→超聲波流量計→流量調(diào)節(jié)裝置（flow?conditioner）→文丘里管→調(diào)節(jié)閥→隔離閥→蒸汽發(fā)生器。超聲波流量計精度可達(dá)±0.3%，主要用于校準(zhǔn)下游的文丘里管差壓式流量計；流量調(diào)節(jié)裝置是一個多孔的節(jié)流孔板，主要用于減小紊流，提高下游文丘里管的測量精度；文丘里管流量測量裝置提供給水流量測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，信號用于調(diào)節(jié)主給水控制閥和計算反應(yīng)堆熱功率。

3.1 超聲波流量測量裝置工作原理

超聲波流量計利用超聲波在流體中的傳播特性，采用時差法和頻率變化來測量流體流速。三門核電主給水流量測量，采用Cameron公司的LEFM技術(shù)（Leading?Edge?Flow?Meter，傳播速度差原理超聲波流量計），傳播速度差法是利用超聲波在流體中順流傳播與逆流傳播的速度變化來測量流體流速[7]。

圖1 主給水流量測量示意圖Fig.1 Schematic of flow measurement for the main feedwater

三門核電采用的LEFM超聲波流量計傳感器部分采用了交叉的八聲道設(shè)計（8對探頭），可以提高測量精度，在超聲波流量計的管段上還配有一個壓力變送器和一個RTD，用作流體流量計算的補償；另外配備一臺專用的超聲波流量計處理機柜，用于接收、處理數(shù)據(jù)和故障診斷。

以單聲道為例的超聲波流量計的流量裝置原理如圖2所示。

通過計算可知，管道上布置一對探頭即可得到管道介質(zhì)軸向平均流速，由于流場在各個軸向剖面上分布不均勻，采用八聲道同時工作，再通過高斯積分算法，能夠有效提高測量精度，減小誤差。目前公開的資料顯示八聲道超聲波流量計可將測量不確定度控制在±0.3%以內(nèi)，當(dāng)測量數(shù)值用于熱功率計算時精度在±0.4%以內(nèi)。

圖2 單聲道超聲波流量裝置原理示意圖Fig.2 Schematic of measurement of single track ultrasonic flow meter

3.2 三門核電超聲波流量計情況介紹

三門核電主給水超聲波流量計測量系統(tǒng)主要包含：超聲波流量計（2臺）、接線盒、處理器柜等，超聲波流量計設(shè)計壽命60年，無抗震需求。超聲波流量計通過焊接方式與主給水管道連接。安裝直管段上游直管段3L/D（長度/管道直徑），下游直管段4L/D（長度/管道直徑）。超聲波的4個角對稱布置16只探頭，組成8對測量路徑，每對探頭對應(yīng)的路徑與管道軸心線約成45°。

處理器機柜采用的是標(biāo)準(zhǔn)的Ovation（艾默生）7721機柜，柜內(nèi)布置CPU、發(fā)送器、網(wǎng)關(guān)、硬盤、防火墻、鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏顯示器、電源、輸入輸出卡件等，其中，CPU、網(wǎng)關(guān)、硬盤、電源均為冗余配置。處理后的給水流量信號通過Modbus方式傳輸?shù)诫姀S控制系統(tǒng)（PLS）。發(fā)送器主要用于控制超聲波的發(fā)送和接收，共計4臺，每個基座的A側(cè)和B側(cè)各對應(yīng)1臺，此種配置降低了單一故障率，提高測量的可靠性[8]。機柜配套的數(shù)據(jù)處理軟件是Cameron公司開發(fā)的LEFM√+C軟件，該軟件對測量到的給水流量、壓力、溫度信號進(jìn)行處理、顯示、報警并記錄，同時還能提供報表、趨勢圖、診斷信息等，與測量探頭、壓力變送器、RTD等組成一個小型測量系統(tǒng)。

3.3 超聲波流量計校正文丘里管差壓式流量計

文丘里管節(jié)流式流量測量元件質(zhì)量流量計算公式：

式中：κ——校正因子；

ε——流體壓縮系數(shù)；

d——節(jié)流原件的開孔直徑；

pΔ——前后取壓口的差壓。

通過超聲波流量計測量的主給水流量確定文丘里的校正因子，調(diào)整系數(shù)κ的方法進(jìn)行文丘里管校驗，此校正需在控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。

4 功率提升的探討和分析

功率提升（Power?Uprates），提高核電廠的發(fā)電量，挖掘核電廠發(fā)電潛能，提高電廠經(jīng)濟效益。目前美國核電廠主要采用3種方式來提升在役核電站的功率[9]：測量不確定度再俘獲即小幅度功率提升（Measurement?Uncertainty?Recapture），可使功率提升約2%，通過采用最先進(jìn)的給水流量測量裝置，降低熱功率計算的不確定度的方式實現(xiàn)；中幅度功率提升（Stretch?Power?Uprates）一般可提升功率2%～7%；大幅度功率提升（Extend?Power?Uprates）一般可提升功率7%～20%。

4.1 小幅度功率提升(MUR)

三門核電設(shè)計遵循10?CFR?50?Appendix?K的規(guī)定，即與應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)（E C C S）有關(guān)的核電廠安全分析必須在102%或以上的額定功率下進(jìn)行，保持2%的功率裕量，同時設(shè)計文件指出，給水流量測量支持1%的功率不確定度（通過第2部分的計算可知），但是為了與傳統(tǒng)方式保持一致，還是使用102%的熱功率做相應(yīng)的安全分析。

壓水堆核電站采用MUR，必須進(jìn)行安全分析，但是不需要對主要設(shè)備改造，也不改變?nèi)剂显O(shè)計，只需要對核電廠的技術(shù)規(guī)格書進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模鋵Ψ磻?yīng)堆熱工水力影響非常小。功率提升后，反應(yīng)堆運行時偏離泡核沸騰（DNBR）將略有下降，但仍在設(shè)計要求范圍之內(nèi)[10]。通過前文計算和分析可知，使用精度更高的超聲波流量計，能使給水測量不確定由傳統(tǒng)的2%降低至0.3%，功率可以提升到當(dāng)前功率水平的101.7%，也能滿足反應(yīng)堆安全分析的裕度，這就為功率提升創(chuàng)造了條件。計算表明，提高給水流量測量不確定度，進(jìn)而使計算得到的熱功率不確定度在±0.3%以內(nèi)。

美國核管理委員會（NRC）批準(zhǔn)的核電廠功率提升項目已達(dá)149個，總?cè)萘??938.4?MW，相當(dāng)于7臺1?000?MW的核電機組（超過目前在建的方家山和福清核電的總裝機容量），其中涉及MUR的55個之多，最大的功率提升1.7%，最小的功率提升0.4%（詳見NRC網(wǎng)站關(guān)于Power-Uprates的相關(guān)介紹）。

我國臺灣省臺電自2003年開始推動功率提升研究工作，并于2005年與臺灣核能研究所簽訂“核二廠小幅功率提升技術(shù)服務(wù)”計劃，委托該所開展為期3年的MUR相關(guān)技術(shù)服務(wù)，將核電廠的熱功率由2?894?MW提升至2?943?MW，提升幅度約1.7%[10]。臺電的核一、二、三廠均已完成MUR，且都采用Cameron公司的超聲波流量計（與三門核電超聲波流量計同屬一家公司供貨），相關(guān)資料表明6臺機組每年可增加發(fā)電量約4.4億度。

目前進(jìn)行MUR的核電廠仍然保留原有的差壓式流量測量裝置用于給水控制，一是為了測量手段的多樣性，二是在低流量和變工況時差壓式流量測量更可靠，準(zhǔn)確性更高。

4.2 進(jìn)行MUR需要開展的工作

目前，NRC的做法是在開展MUR之前，需要給水測量裝置供貨商向核安全監(jiān)管部門提交設(shè)備專題報告，最終核安全監(jiān)管部門以安全評估報告的方式對其進(jìn)行批準(zhǔn)[11]。三門核電使用的Cameron公司提供的超聲波流量計，已于1999年獲得NRC審核批準(zhǔn)的安全評估報告。

進(jìn)行功率提升工作，必須經(jīng)設(shè)計方對NSSS進(jìn)行安全分析，同時評估發(fā)電機、汽輪機等相關(guān)運行參數(shù)是否有足夠的裕量可用于功率的提升，系統(tǒng)參數(shù)和整定值調(diào)整后是否滿足安全分析要求，最重要的是功率提升方案需要國家核安全局批復(fù)后才能實施。

今后國內(nèi)核電站開展小幅功率提升工作，可以參考NRC制定的RIS[12]作為MUR的審查指導(dǎo)文件，也可以參考臺電的核一、二、三廠方式進(jìn)行，還可以參考國外已經(jīng)完成MUR核電站的成功經(jīng)驗。

4.3 采用MUR經(jīng)濟性分析

以三門核電為例來說明100萬千瓦機組開展M U R帶來的經(jīng)濟效益。功率提升保守考慮為1.5%，每臺機組平均每年連續(xù)運行330天[13]，則三門核電1、2號機組可增加發(fā)電量2.97億度[1.5 %×1?250(MW)×24×330×2=2.97×109(MW· h)]，按照目前0.43元/度的標(biāo)桿電價計算，每年將增加約1.277?1億元的收入，可見進(jìn)行MUR帶來的收益是相當(dāng)可觀的。

三門核電已采用了高精度的超聲波流量計，雖然目前其僅作為校準(zhǔn)文丘里管的使用，但是已為今后開展MUR提供了設(shè)備和技術(shù)上的保證。相信隨著三門核電建成發(fā)電，和國家核安全局對小幅功率提升的認(rèn)可，以及設(shè)計、科研單位對MUR工作的推動，國內(nèi)超聲波流量計用于熱功率計算也將會被提上日程，不久的將來三門核電和國內(nèi)大多的核電站一樣，將開展小幅度功率提升工作，提高電廠的經(jīng)濟效益。

實現(xiàn)MUR后，給核電廠帶來經(jīng)濟效益的同時，也可能帶來一定的潛在風(fēng)險，因此必須加強核電站的監(jiān)測工作，多途徑監(jiān)測超功率事件的發(fā)生[11]。

5 結(jié)束語

本文闡述了超聲波流量計原理和在三門核電的應(yīng)用情況，以及其測量值用于熱功率計算時，能夠提高核電站熱功率計算不確定度，進(jìn)行小幅功率提升，提高電廠的經(jīng)濟效益。同時論述了國外核電站開展小幅功率提升的方式、成功案例和需要開展哪些工作等。以期本文能為三門核電和國內(nèi)核電站開展小幅功率提升工作提供一些借鑒和指導(dǎo)意義，使核電站更加安全、穩(wěn)定、有效的運行。

隨著三門核電站建成發(fā)電，設(shè)計、科研人員對三代核電技術(shù)的掌握，在后續(xù)的核電建設(shè)項目中，實現(xiàn)基于超聲波流量計的小幅度功率提升是完全可行和可能的。我國核電廠在進(jìn)行小幅度功率提升過程中，要充分的借鑒國外核電站的成功經(jīng)驗，同時，也要吸取失敗教訓(xùn)，掌握自主的小幅度功率提升技術(shù)，使我國成為真正意義上的核電技術(shù)強國。

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Application of Ultrasonic Flow Meter in Flow Measurement for the Main Feedwater of Sanmen Nuclear Power Plant

JU?Fa-li，CHEN?Yuan-lun，TAO?Jia-lin
(Sanmen?Nuclear?Power?Co.，Ltd.，Sanmen?of?Zhejiang?Prov.?317112，China)

Based?on?the?flow?measurement?for?main?feedwater?in?Sanmen?Nuclear?Power?Plant?and?summary?of?the?research?results?and?implementation?mode?of?recapture?power?uprates?(MUR)?in?foreign?nuclear?power?plant,?effects?of?measuring?accuracy?on?reactor?thermal?power?calculation?and?uncertainty?are?analyzed.?Analysis?indicates?that?MUR?by?improving?the?measurement?accuracy?of?main?feedwater?is?feasible,?which?will?increase?the?economic?returns?without?influencing?the?safe?and?stable?operation?of?plant.

ultrasonic?flow?meter;?venture；feedwater?flow?measurement；recapture?power?uprates；thermal?power

TL35??Article character：A? Article ID：1674-1617(2014)02-0118-06

TL35

A

1674-1617(2014)02-0118-06

2014-01-21

居法立（1981—），男，陜西人，工程師，注冊核安全工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事三門核電儀控調(diào)試工作。