取消旁路后的冷卻劑溫度測量通道調試研究

朱加良，何正熙，杜 茂，陳 靜，余俊輝，李小芬，李紅霞，何 鵬，徐 濤

(1.中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術國家級重點實驗室，四川 成都 610213; 2.福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

0 引言

冷卻劑溫度包括熱段和冷段冷卻劑溫度，該參數體現堆芯的功率水平。在I類和 II類工況下，若堆芯發生偏離泡核沸騰(DNB)和燃料棒中心熔化事故，反應堆冷卻劑溫度會觸發超溫和超功率ΔT保護停堆，以保證堆芯的安全[1]。因此其屬于核電廠特別重要的安全保護參數，對測量的準確性要求極高(需達到0.1℃的級別)。由于燃料組件富集度不一致，從不同的燃料通道流出的冷卻劑溫度不同，在主管道熱段會形成流體熱分層的現象，因此需對測量方法進行特殊設計。

在傳統的M310核電廠中，通過從主管道引出3路流體進入測溫旁路[2]；測溫旁路設置3支溫度計進行熱段冷卻劑溫度的測量，1支用于保護、1支用于控制、1支備用。這種方式能夠準確測量熱段冷卻劑溫度，但工藝回路十分復雜且主管道上接管數量多不利于維持壓力邊界，另外檢修劑量大不利于電廠的運行維護。在華龍一號中，采用主管道直接測溫方式[3]代替測溫旁路，即在主管熱段上直接插入4支溫度計，通過4支溫度計信號取平均后獲得熱段溫度。這種通過多樣本采集的方式在一定程度上消除了熱分層的影響。但由于樣本數量的有限性，其最終測量的準確性取決于測溫截面選取、溫度計的插入深度和插入角度，故需在調試時進行特殊設計。

本文深入研究分析了這些變化的原因，并提出了針對這些變化的新調試方案，最后對新的調試方案進行分析論證。

1 M310核電廠溫度測量通道調試研究

傳統M310核電廠的反應堆冷卻劑溫度測量通道調試主要包含不同功率平臺下平均溫度(TAVG)和溫差(ΔT)相關的保護和控制通道校準[4]，主要包含以下4個階段。

第一階段為熱態功能試驗階段(0%FP,未裝料)。此階段主要是在反應堆冷卻劑升溫階段的各個溫度平臺進行溫度計的校準。溫度計校準依據溫度計供貨商提供的標定曲線人工計算出每支溫度計的測量值，然后通過計算溫度計之間的偏差(0.28 ℃)以及單個溫度計與平均值的偏差(0.35 ℃)，以判斷溫度計是否能夠準確執行測量功能。另外，還需在DCS中讀取校準后的單個溫度值，并計算其與平均值的偏差(0.46 ℃)。除溫度計校準外，還需在該平臺下驗證2個安全準則：每個ΔT與0 ℃的差異不超過0.5 ℃，每個TAVG與所有TAVG的平均值差異不超過0.5 ℃。

第二階段為臨界前試驗階段(0%FP，裝料)。此階段與第一階段內容一致。

第三階段為從臨界到到50%FP階段。此階段主要是在30%FP和50%FP記錄相關溫度數據，以備后續使用，并不進行運行準則和安全準則的驗證。

第四階段為50%FP到100%FP階段。此階段主要是在75%FP、87%FP和100%FP下記錄相關溫度數據，并在75%FP下進行預校準，需修改溫差轉換系數A1值和平均溫度轉換系數A2、B2值，使其滿足安全準則的要求。在100%功率平臺進行正式校準，需修改溫差轉換系數A1值和平均溫度轉換系數A2、B2值，使其滿足安全準則的要求(每個ΔT與35.22 ℃的差異不超過0.5 ℃，每個TAVG與所有TAVG的平均值差異不超過0.5 ℃)。在87%FP下，僅記錄相關溫度數據以備后續使用。

其中需特別注意的是，第三和第四階段至少包含兩次升功率。第一次升功率完成A1和A2、B2的正式校準，第二次升功率驗證第一次校準的A1和A2、B2是否滿足安全準則的要求。若第二次驗證不滿足，則需在第二次升功率進行校準，并需進行第三次升功率來驗證，依次類推。

2 取消測溫旁路后的調試差異

由于各燃料組件富集度不一致，主管道熱段的流體存在分層現象[5]。據統計，壓水堆堆芯出口的熱分層溫差可達到幾十攝氏度，離堆芯出口一定距離的主管道截面熱分層溫差可達到數十度。華龍一號測溫截面距離堆芯約3 m，選取特定工況通過CFD建模計算。該截面的溫差可達到10℃左右,4支溫度取平均后的平均溫度測量值與截面溫度平均值(理論值)最大偏差可達0.73℃。由于計算時選取的特定工況有限，實際上測量值和理論值的偏差可能會更大。因此，在調試過程中，需根據理論溫度值對熱段溫度測量值進行修正，并且修正方式需考慮電廠運行的便利性。

各個階段的影響分析如下。

對于第一階段試驗，由于此時未裝料，流經堆芯內的流體較為均勻，主管道熱段流體不存在熱分層的現象。因此4支溫度計之間測量到的對象可視為同一個。各溫度計之間的偏差僅考慮儀表本身的測量誤差即可，故這部分調試試驗與測溫旁路方式無區別。

對于第二階段試驗，此時雖已裝料，但堆芯燃料組件都處于未激活狀態，流經各燃料組件的流體溫度一致，故主管道熱段不存在熱分層現象。而此階段的試驗內容和第一階段一致，故這部分調試試驗與取消測溫旁路前無區別。

對于第三階段試驗，根據第1節的描述，此階段無需進行安全準則和運行準則的驗證，但此時的試驗平臺在30%FP和50%FP，堆芯燃料組件已處于激活狀態，冷卻劑流經各組件后的流束溫度不一致，經過上部堆內構件有限的混合后進入主管道熱段。此時，熱段已存在流體分層的現象。為保證在這些功率平臺下熱段溫度測量的準確性，需進行修正，以便其能夠準確測量反應堆冷卻劑熱段溫度。

對于第四階段試驗，功率平臺包含75%FP、87%FP和100%FP，此時的熱分層現象更加明顯。為保證在這些功率平臺下熱段溫度測量的準確性，需進行修正。

綜上所述，由于功率平臺下存在熱分層現象，取消測溫旁路后的調試最大差異在于需在30%FP、50%FP、75%FP、87%FP和100%FP功率平臺下執行熱段溫度測量的修正。

3 取消測溫旁路后的調試方案

3.1 修正基準

由于存在熱分層的現象且樣本的數量有限，以4支溫度計的平均值作為修正基準不夠精確，應通過精確的熱平衡方法[6]來獲得溫度修正基準-理論混合平均溫度Thot，具體如下。

通過現場傳感器獲取一回路壓力P、冷段體積流量V和冷段溫度Tcold(由于無熱分層現象，冷段溫度可以準確測量到)，然后通過P和Tcold獲得冷段冷卻劑的焓值Hcold和密度ρ。

通過現場傳感器獲得給水流量、給水溫度、排污流量和出口蒸汽壓力，通過二回路熱平衡計算得到一回路的熱功率W。

由熱段冷卻劑焓值Hhot和一回路壓力P，可推出理論混合平均溫度Thot。

上述方法得到的混合平均溫度Thot的最大偏差在于熱平衡時給水流量的精度。如能在給水流量測量時采用在線式超聲波流量計進行測量，則可以獲得高精度的Thot。

3.2 修正方案

取消測溫旁路后，華龍一號熱段溫度計布置如圖1所示。

圖1 華龍一號熱段溫度計布置圖

圖1中，4支溫度計(P1、P2、P3、P4)分別從測溫截面的45 ℃、135 ℃、225 ℃和315 ℃插入主管道。DCS對4支溫度計信號進行采集，并獲得熱段平均溫度(為便于后續修正方法描述，這里把這4個溫度值分別計為T1、T2、T3和T4)。為了使4個溫度值的平均值接近理論平均溫度，在DCS中分別設置溫度修正偏置a1、a2、a3、a4，并在調試時對這4個溫度修正偏置進行調整。具體的修正步驟如下。

4 調試方案論證

從3.2節可以看出，調試中的修正方法就是將4個單獨的溫度值修正到理論平均溫度，使其能準確測量熱段反應冷卻劑溫度，論證過程如下。

假定目前的熱段混合平均溫度為328 ℃，由于熱分層現象導致4支單獨溫度計測量到的溫度值T1、T2、T3、T4分別為326 ℃、327 ℃、329 ℃和332 ℃。若不進行修正直接進行平均，此時測量到的溫度信號為328.5 ℃。可以看出，未進行平均前單個溫度測量值的最大偏差達到4 ℃，進行平均有效地減少了測量誤差，此時溫度偏差為0.5 ℃，但仍不符合測量精度0.1 ℃的要求。

在運行階段，由于堆芯的狀態會發生變化，調試階段的溫度修正偏置a1、a2、a3、a4也需定期根據熱平衡結果進行更新。溫度修正偏置更新的條件為功率大于一定水平且4支溫度計的質量位均有效，以預防溫度計失效時導致溫度測量精度迅速變差，且能夠正確執行超溫超功率保護功能。

5 結束語

為達到三代核電技術要求，相對于M310核電廠，華龍一號核電廠取消測溫旁路，使用主管道直接測溫技術來測量重要安全保護參數反應堆冷卻劑溫度。但這種測量方式會由于主管道的熱段存在熱分層現象而造成冷卻劑溫度測量精度不夠。因此，需在反應堆冷卻劑溫度測量通道調試中進行特殊考慮。本文首先研究了熱分層產生的機理，并細致地進行了反應堆冷卻劑溫度測量通道調試，提出了基于熱平衡的改進調試修正方案。方案論證表明，該調試方案可以較好地提高熱分層下冷卻劑溫度測量精度，同時有利于電廠的安全運行。