核電廠熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)商品級(jí)物項(xiàng)適用性確認(rèn)技術(shù)研究

符 江，胡喜慶，韓洪寶，劉勝智，練 鍇（蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518002）

圖1 典型熱式質(zhì)量測(cè)量開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Structure design diagram of typical thermal mass measurement switch

圖2 分體式多探頭熱式流量開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of split multi-probe thermal flow switch structure

0 引言

美國(guó)電力研究會(huì)最早建立CGD（CGD－Commercial Grade Dedication，商品級(jí)物項(xiàng)適用性確認(rèn)）在安全相關(guān)領(lǐng)域運(yùn)用導(dǎo)則NP-5652，已在美國(guó)核電業(yè)界廣泛采用，美國(guó)核管會(huì)經(jīng)過(guò)評(píng)估，也基本認(rèn)可該導(dǎo)則。商品級(jí)物項(xiàng)適用性確認(rèn)具有經(jīng)濟(jì)便捷、針對(duì)性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)，尤為適用于電氣儀控設(shè)備、大宗材料等安全級(jí)物項(xiàng)的采購(gòu)。根據(jù)美國(guó)核管會(huì)NRC相關(guān)法規(guī)的規(guī)定，商品級(jí)物項(xiàng)適用性確認(rèn)也有禁區(qū)，不可以應(yīng)用于核燃料組件、控制棒組件以及壓力邊界組件[1,2]。

在國(guó)內(nèi)，沒(méi)有成熟的商品級(jí)物項(xiàng)適用性確認(rèn)相關(guān)的法規(guī)和導(dǎo)則，不可以繞開(kāi)HAF601以及HAF604的取證要求，亦不適用于國(guó)家核安全局民用核安全監(jiān)管設(shè)備清單中涉及的設(shè)備或工序。所以，目前在國(guó)內(nèi)可開(kāi)展商品級(jí)物項(xiàng)適用性確認(rèn)的對(duì)象，主要是針對(duì)不屬于國(guó)家核安全局民用核安全監(jiān)管設(shè)備范圍，但又設(shè)計(jì)為安全級(jí)的物項(xiàng)。

國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟的安全級(jí)分體式多探頭熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)，現(xiàn)有的機(jī)械式壓差流量開(kāi)關(guān)存在故障頻繁及定值不準(zhǔn)的問(wèn)題，目前沒(méi)有較好的可供替代選擇的滿足K3級(jí)質(zhì)量鑒定等級(jí)的安全功能要求的流量開(kāi)關(guān)。為了解決上述問(wèn)題，本研究所選取的研究對(duì)象為商品級(jí)分體式多探頭熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)，采取CGD的方法體系，通過(guò)一系列的鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了滿足安全功能要求的多探頭熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)零的突破。

1 熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)工作原理

熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)基于金氏定律，選擇恒定溫差法原理方案設(shè)計(jì)，計(jì)算原理如式（1）所示，典型熱式質(zhì)量測(cè)量開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

式（1）中：

K1、K2、K3——設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)參數(shù)。

△T——溫差（T2-T1），K。

P——輸入加熱功率，W。

qm——質(zhì)量流量，kg/s。

其中，K1、K2取決于傳感器的尺寸和氣體特性，如熱導(dǎo)率、粘度和比熱容。K3與雷諾數(shù)有關(guān)[3]。

熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)的測(cè)量組件含有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的RTD，一個(gè)測(cè)量介質(zhì)溫度，一個(gè)測(cè)量介質(zhì)流速。流速RTD經(jīng)功率可調(diào)的電橋加熱，儀表工作時(shí)，測(cè)溫RTD不間斷地測(cè)量介質(zhì)溫度T1；流速RTD自加熱到高于介質(zhì)的溫度T2。溫度差ΔT=T2-T1，T2＞ T1，當(dāng)有流體流過(guò)時(shí)，由于氣體分子碰撞流速RTD并帶走熱量，使T2下降，若要使ΔT保持不變，就要提高流速RTD的供電電流。氣體流動(dòng)速度越快，帶走的熱量越多，氣體流速和增加的熱量存在固定的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)計(jì)算控制模塊，將測(cè)量的實(shí)際流速值和設(shè)定值進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果以開(kāi)關(guān)量的形式輸出。由于熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其用于測(cè)量空氣流量有非常好的穩(wěn)定性和可靠性，可選擇作為CGD的商品級(jí)對(duì)象。

2 關(guān)鍵特性參數(shù)分析

本文研究?jī)?nèi)容為蘇州熱工研究院有限公司2019-2020年度院級(jí)科研專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目，目的在于通過(guò)熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)CGD鑒定驗(yàn)證過(guò)程，證明CGD的方法體系是成熟的，可實(shí)現(xiàn)商品級(jí)物項(xiàng)的安全級(jí)轉(zhuǎn)化。本文研究?jī)?nèi)容主要探討CGD中的檢驗(yàn)與驗(yàn)證部分[4,5]。

本文選擇的商品級(jí)熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)為分體式多探頭熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)，由信號(hào)處理組件、測(cè)量組件和電纜組成。分體式多探頭熱式流量開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

表1 熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)的特性參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of thermal mass flow switch

表2 鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目及順序表Table 2 Identify test items and sequence table

信號(hào)處理組件，主要由以下幾部分構(gòu)成：

①機(jī)箱；② 24V開(kāi)關(guān)電源；③接線端子；④電源板；⑤流量測(cè)量主控板；⑥信號(hào)處理驅(qū)動(dòng)板。

信號(hào)測(cè)量組件，主要由以下幾部分構(gòu)成：

① 鎧裝熱敏元件；② 插入式探桿管段；③ 探桿式接線盒。

信號(hào)處理組件和測(cè)量組件通過(guò)電纜相連。

根據(jù)CGD的方法體系，需對(duì)選擇的商品級(jí)熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)進(jìn)行關(guān)鍵特性參數(shù)分析，其目的在于確定原流量開(kāi)關(guān)所在環(huán)境下應(yīng)具備哪些關(guān)鍵特性參數(shù)以符合安全功能要求。根據(jù)確定的參數(shù)信息，初步判斷選擇的商品級(jí)熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)具備能夠符合安全功能要求的能力，熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)的特性參數(shù)見(jiàn)表1。

上述熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)特性參數(shù)確定可滿足基本功能需求，下一步工作將開(kāi)展環(huán)境條件甄別和鑒定試驗(yàn)類(lèi)型選擇及程序制定。

3 鑒定環(huán)境條件

根據(jù)現(xiàn)有流量開(kāi)關(guān)安裝環(huán)境，判斷環(huán)境條件為和緩環(huán)境，如下：

①溫度范圍：+15℃～+35℃；②相對(duì)濕度：35%RH～75%RH；③輻 照 條 件：＜0.010msv/h；④大 氣 壓 力：86kPa～106kPa；⑤附近設(shè)施：電機(jī)、風(fēng)機(jī)。

上述環(huán)境條件被定義為后續(xù)一系列鑒定試驗(yàn)的基準(zhǔn)環(huán)境，在進(jìn)行各項(xiàng)鑒定試驗(yàn)之前，設(shè)備應(yīng)在上述條件下放置24h。如沒(méi)有特殊說(shuō)明，這些條件也是鑒定試驗(yàn)樣機(jī)恢復(fù)和預(yù)處理的條件。

4 鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目及順序

參考《NB/T 20344-2015核電廠安全級(jí)電子設(shè)備鑒定規(guī)程》《GB12727－2017核電廠安全級(jí)電氣設(shè)備鑒定》《EJT1197-2007核電廠安全級(jí)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定試驗(yàn)方法與環(huán)境條件》《HAF J0053-1995核電設(shè)備抗震鑒定試驗(yàn)指南》等規(guī)范的相關(guān)要求以及設(shè)備鑒定經(jīng)驗(yàn)反饋，對(duì)商品級(jí)熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目及順序制定見(jiàn)表2[6-9]。

根據(jù)《IEEE323-2003 核電站1E級(jí)設(shè)備鑒定標(biāo)準(zhǔn)》4.1章節(jié)“Qualification objective”所述，對(duì)于安裝在和緩環(huán)境（IEEE 323-2003中3.14章節(jié)定義：“和緩環(huán)境為任何時(shí)候都不會(huì)比電廠正常運(yùn)行期間，包括預(yù)計(jì)運(yùn)行事件期間所出現(xiàn)的明顯嚴(yán)酷的環(huán)境）中并且沒(méi)有顯著老化機(jī)理的設(shè)備，不要求確定其鑒定壽命，當(dāng)用試驗(yàn)方法對(duì)安裝在和緩環(huán)境中的設(shè)備進(jìn)行地震試驗(yàn)時(shí)，只有當(dāng)存在顯著老化機(jī)理時(shí)，才要求進(jìn)行地震試驗(yàn)前的預(yù)老化”。

在美國(guó)電力研究所EPRI NP-3326和EPRI NP-5024報(bào)告中，對(duì)大量的并排的人工老化（包括熱老化、運(yùn)行循環(huán)老化和輻照老化）和未老化的電氣部件進(jìn)行了地震臺(tái)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：對(duì)于核電廠所用的許多型式的電氣電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，老化所產(chǎn)生的劣化不會(huì)明顯地影響設(shè)備在地震事件期間和之后執(zhí)行其功能的能力。這一結(jié)論已經(jīng)被美國(guó)核管會(huì)和IEEE所接受。

此外，IEEE627-1980標(biāo)準(zhǔn)第4.4.1章節(jié)Aging中，給出了判定老化機(jī)理是否顯著的4條準(zhǔn)則：

1）在正常工作環(huán)境中，老化機(jī)理所導(dǎo)致的失效模式與發(fā)生異常或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件工作條件時(shí)產(chǎn)生的失效模式相同。

2）老化機(jī)理嚴(yán)重地影響設(shè)備執(zhí)行其規(guī)格書(shū)要求的安全功能。

3）由老化機(jī)理導(dǎo)致的退化，不能通過(guò)工作期間檢查或監(jiān)督行為（設(shè)備可依照技術(shù)規(guī)格書(shū)執(zhí)行其功能提供把握的監(jiān)督行為）來(lái)評(píng)估。

4）在正常工作環(huán)境中，老化機(jī)理在設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命期間引起設(shè)備降級(jí)，與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件引起的設(shè)備降級(jí)相比，這種降級(jí)是明顯的。

如果一種老化機(jī)理全部滿足這4條準(zhǔn)則時(shí)，認(rèn)為這種老化機(jī)理是顯著的。

定期的設(shè)備運(yùn)行檢查和設(shè)備自診斷檢查，可以確認(rèn)裝置在正常環(huán)境下執(zhí)行功能的能力。由于安裝在和緩環(huán)境中的電氣設(shè)備的老化與地震之間不具有相關(guān)性，所以如果通過(guò)定期試驗(yàn)和檢查確認(rèn)了設(shè)備在正常環(huán)境條件下運(yùn)行的能力，也就意味著設(shè)備在發(fā)生地震事件時(shí)執(zhí)行其功能的能力得到了確認(rèn)。因此，對(duì)于安裝在和緩環(huán)境中的這類(lèi)設(shè)備來(lái)說(shuō)，第3條準(zhǔn)則通常是不滿足的。

綜上，流量開(kāi)關(guān)運(yùn)行在和緩環(huán)境當(dāng)中，并且由前面所述得出其不具有顯著老化機(jī)理。因此，根據(jù)IEEE323-2003標(biāo)準(zhǔn)中的要求，決定取消了流量開(kāi)關(guān)的熱老化試驗(yàn)。

根據(jù)確定的鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目、順序、深度編制鑒定大綱，鑒定大綱通過(guò)專(zhuān)家評(píng)審，作為后續(xù)鑒定試驗(yàn)的依據(jù)。

5 鑒定試驗(yàn)裕度要求

在實(shí)施鑒定試驗(yàn)時(shí)，還應(yīng)在已有鑒定試驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上考慮一定的裕度，以確保鑒定試驗(yàn)的保守性。施加裕度的方法有：提高試驗(yàn)水平，增加試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，增加循環(huán)次數(shù)，提高試驗(yàn)溫度，增加壓力或上述幾種方法的組合。根據(jù)《GB/T 12727核電廠安全級(jí)電氣設(shè)備鑒定》第6.3.1.7章節(jié)所述，基準(zhǔn)事件的鑒定裕度值取值如下：

1）峰值溫度：+8℃。

2）電源電壓：額定值的±10%。

3）頻率：額定值的±5%。

4）地震載荷：+10%設(shè)備安裝處的要求加速度。

6 鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

目前，根據(jù)鑒定大綱的要求，已完成全部鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目。當(dāng)完成所有鑒定試驗(yàn)后基準(zhǔn)功能試驗(yàn)無(wú)異常，充分說(shuō)明了鑒定試驗(yàn)結(jié)果滿足鑒定試驗(yàn)的預(yù)期要求，該商品級(jí)分體式多探頭熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)具備執(zhí)行與現(xiàn)有安全級(jí)、質(zhì)量鑒定等級(jí)為K3的機(jī)械式壓差流量開(kāi)關(guān)相同的安全功能。鑒定總結(jié)報(bào)告已通過(guò)專(zhuān)家評(píng)審認(rèn)定，同時(shí)也為該多探頭熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)申請(qǐng)專(zhuān)利：《一種核電廠用符合安全功能要求的分體式多探頭流量測(cè)量裝置》。

7 結(jié)束語(yǔ)

CGD是切實(shí)可行的一系列方法和鑒定體系，主要目的是解決核電廠中不屬于核安全局監(jiān)管設(shè)備名錄而又設(shè)計(jì)為安全級(jí)的設(shè)備的安全級(jí)認(rèn)定問(wèn)題，該方法和體系在國(guó)外核電廠已有成熟的研究先例和應(yīng)用先例，但是在國(guó)內(nèi)尚未有明確的技術(shù)優(yōu)勢(shì)的單位。其實(shí)，CGD不是通用的方法論，是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需求，通過(guò)一系列試驗(yàn)和評(píng)定，將商品級(jí)設(shè)備鑒定為安全級(jí)的過(guò)程。本文研究?jī)?nèi)容包括詳細(xì)分析商品級(jí)分體式多探頭熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)進(jìn)行安全級(jí)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)分析、鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目及順序制定等內(nèi)容，鑒定大綱的評(píng)審為鑒定試驗(yàn)提供依據(jù)，鑒定總結(jié)報(bào)告評(píng)審確定了鑒定試驗(yàn)的合理性和合規(guī)性。最終，證明該商品級(jí)分體式多探頭熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)能夠執(zhí)行核電廠通風(fēng)系統(tǒng)中的安全相關(guān)功能。本文研究實(shí)現(xiàn)了滿足安全功能要求的熱式質(zhì)量流量開(kāi)關(guān)零的突破。

通過(guò)本文研究過(guò)程的論證，未來(lái)在法規(guī)的允許下，提供了核電廠亟需的滿足CGD評(píng)定要求的安全級(jí)備件供貨的新渠道，可在不降低可靠性的前提下，擴(kuò)寬采購(gòu)選擇，降低采購(gòu)價(jià)格，縮短供貨周期，對(duì)于一些采購(gòu)量小、利潤(rùn)小、又設(shè)計(jì)成安全級(jí)的設(shè)備，相比于目前無(wú)廠商可供貨的情況有巨大優(yōu)勢(shì)。