一回路壓差式流量計對調試試驗的影響及改進

楊 抒

（中核國電漳州能源有限公司，福建漳州 363300）

0 引言

某核電機組調試啟動過程中，熱停堆平臺時，在停運一臺主泵后準備執行穩壓器連續噴霧調節試驗時，因為兩個主泵運行中的環路流量出現波動，制約了試驗需要停運第二臺主泵的操作，同時影響到后續主泵冷卻劑流量驗證等調試試驗的執行。

1 某核電廠一回路流量測量和顯示原理

某核電廠一回路流量計以百分比數的形式參與DCS 邏輯閾值判斷和主控室顯示，顯示量程范圍為0～120%。一回路流量測量通過在每臺主泵進出口并聯4 個正式壓差測量傳感器以及一個調試時使用的試驗儀表，測量主泵進出口壓差。

在這種設計特性下，能夠采用基于主泵電功率計算流量的方法計算出主泵穩定運行時的出口體積流量，即該環路的體積流量Q=P有效功率/（ρgH）。其中，P有效功率=ηPe，Pe為主泵電功率，通過現場功率表測量；η 為主泵效率，由廠家提供數據；H 為主泵揚程，通過壓差表測量到的主泵進、出口壓差，結合主泵進、出口引壓管高度差，以及阻力修正計算得出。

在該回路體積流量Q 工況下，以此時壓差測量傳感器測量的主泵進出口壓差數值基準，通過修正系數k 標定壓差傳感器輸出的控制電流，使其在DCS 上輸出顯示為100%，并用于邏輯判斷的控制信號。

2 異常情況及分析排查

熱停平臺，3 臺主泵同時運行，一回路流量表顯示約為105%FP（此時修正系數k 尚未最終標定，流量顯示數值略大）。為配合調試試驗RCS51 穩壓器連續噴霧調節試驗和RCS59 反應堆流量驗證試驗執行，需要停運一、二環路的主泵，維持三環主泵運行工況。在停運一環主泵后，發現停運的一環路顯示流量從約105%FP 降低至35%FP，而另外兩臺主泵環路顯示流量從105%FP 降至約96%FP、降幅約8%～9%（FP 為滿功率）。

假設每停一臺主泵會導致在運行的環路流量計下降9%，此時若再停運一臺主泵則有可能導致3 個環路流量均低于88.8%FP 低定值，觸發防誤稀釋保護信號。

3 一回路實際流量變化分析

首先需要判斷停運一臺主泵后，另外兩個主泵運行中的環路的流量真實變化情況如何。通過一回路2.8 MPa 平臺試驗執行RCS59 的試驗數據，主泵功率法計算環路流量與實測的流量計壓差見表1。

表1 主泵功率法計算環路流量與實測流量計壓差

以RCS001PO 為例，當一環路上RCS001PO 單泵運行時，此時單臺主泵運行在一回路流道結構中的最大機械流量為Qmax；三泵運行時，形成3 臺泵并聯運行的工況，此時單臺主泵運行在當前流場下的最低流量為Qmin。Qmax實測的本環路主泵進出口壓差ΔP三泵運行小于Qmin時實測的本環路主泵進出口壓差ΔP單泵運行，相應地壓差表的輸出電流I1小于I3，反映到DCS 示數中即QDCS1小于QDCS3。因此，在主泵逐臺啟動的過程中，運行中的主泵流量逐漸降低：Qmin=Q3

兩臺泵同時運行時，運行中的兩個環路，每個環路的流量Q2分別小于單臺主泵運行時的流量Q1。

因此當熱停堆平臺從3 臺主泵運行的工況下停運一臺主泵時，對應另外兩個有主泵運行的環路，應有每環流量Q2'>Q3。

在現場確認主泵轉速正常、母線電壓正常，并排除一回路流量儀表遷移、充水排氣不充分等影響儀表測量的問題后，還需要從主泵和儀表設計特性上進一步查明和佐證流量顯示變化的原因。

3.1 主泵流量特性排查

主泵為軸流式泵，具有流量上升、揚程降低的特性（表2）。

表2 測量主泵一環路停運前后的輸出功率變化 kW

停運一臺主泵后，在運行的兩臺主泵輸出功率下降。結合前文中對一回路實際流量變化情況的分析結果，主泵因流量上升導致輸出功率下降，符合主泵特性曲線。

3.2 儀表特性排查

5 號機組一回路差壓測量傳感器低壓側從主泵入口管線引出壓力測點，高壓側從主泵出口管線引出壓力測點，該布置下測量的壓差近似等于主泵運行時的進出口壓差ΔP。通過軸流泵揚程簡化公式H=ΔP/ρg 可知，ΔP 與H 存在正相關性：當主泵流量增大，揚程減小，ΔP 降低，儀表測量的壓差減小，儀表輸出電流減小，在比例系數k 不變時，在主控顯示和參與邏輯控制的流量百分比數降低。

3.3 分析結論

采用的主泵進、出口壓差測量儀表換算的一回路測量流量，在3 個環路主泵均正常運行時，能夠較好地測量一回路的流量。但是當一回路出現偏環運行時，有主泵運行的環路中壓差式流量計的流量顯示變化與實際流量變化可能呈現相反的變化趨勢。

4 流量計特性對調試試驗的影響

熱停堆平臺時執行的調試試驗RCS51 穩壓器連續噴霧調節試驗。該試驗為標定穩壓器噴淋閥控制開度、測量穩壓器熱損失，需停運兩個與穩壓器噴淋管線所在的環路的主泵，維持三環主泵單泵運行工況。根據主泵運行趨勢，單臺主泵停運后運行中的兩個環路的流量變化趨勢，停一臺主泵導致另外兩個環顯示流量減低8%～9%。若再停運一臺主泵，兩個環路已經產生冷卻劑流量低信號，此時受壓差式流量計測量特性的影響，主泵在運行的環路的顯示流量將進一步降低，從而三環流量讀數均低于88.8%FP，產生失去強迫循環信號，疊加RHR（余排系統）隔離信號，P16 非（功率量程＜40%）信號將觸發ADP 防誤稀釋保護信號，防誤稀釋保護邏輯動作，RCV 泵入口從容控箱切換至內置換料水箱，破壞機組正常運行工況，影響機組運行控制和RCS51試驗的進行。

同時，RCS59 試驗也需要單臺主泵輪流運行的工況來測量主泵單泵運行時的ΔP 參數和電機功率參數，用于計算單臺主泵的機械流量。

為避免因停運第二臺主泵觸發防誤稀釋保護信號，調試時通過臨時調整k 值，增大流量測量的輸出結果，避免單泵運行環路的流量低于88.8%FP，并通過TMOD（臨時控制變更）手動閉鎖防誤稀釋保護功能，造成試驗期間防誤稀釋保護功能不可用，進入運行限制條件。

嚴格限制RCS51 和RCS59 的試驗時間，這在一定程度上增加了試驗的風險，對試驗準備提出更高的要求。RCS59 要求單泵下主要是記錄壓差、主泵電氣數據，所需時間較短，影響較小。RCS51 要求三環主泵單泵穩定運行30 min 以上，勉強滿足運行限制條件的1 h 內回復防誤稀釋保護可用的要求。

5 優化改進方向

分析可采用“主泵壓差測量+彎管式流量計”的方式，消除壓差式流量計在偏環運行工況對調試試驗的影響。

5.1 彎管流量計特性

彎管流量計的本質是測量管道彎頭處同一截面上內徑流體與外徑流體的動壓差。當流體流過管道彎頭時，彎管上同一截面上內外側流體所受的向心力不同，通過彎管內徑的流體與彎管外徑的流體將產生壓差，彎管內徑與外徑的壓差與流過該截面的體積流量存在比例關系。因此，在彎管處同一截面的內徑和外徑處引出壓力測量口，精確測量內、外徑之間的壓差便可以計算出該回路的體積流量。

彎管流量計測量的壓差變化能直接反應該回路流量的變化，且不受該回路主泵運行與否的影響。我國從嶺澳核電站開始在M310 和AP1000 堆型上普遍采用彎管式流量計，有成熟的設計、工程經驗和優秀的運行業績，且彎管式流量有耐高溫、可靠性強等優點。

5.2 優化方案設想

5.2.1 增設主管道彎管處流量測量

在每個環路主管道過渡段彎管處同一截面位置的內側引出取壓管線，外側引出一個取壓管線，設置流量傳感器進行流量測量，分別由對應保護子組供電。在每個環路上，形成本環路的“冷卻劑流量低1（88.8%FP）”與“冷卻劑流量低2（50%FP）”信號：P8 信號存在時，任意一個環路觸發冷卻劑流量低1 信號，產生反應堆自動停堆信號；P7 信號存在時，任意兩個環路觸發冷卻劑流量低1 信號，產生反應堆自動停堆信號；當3 個環路都出現冷卻劑流量低1 信號，產生“失去強迫循環”信號；當3 個環路都出現冷卻劑流量低2 信號，疊加一回路壓力低和熱段溫度低信號，產生P15 信號。

5.2.2 優化主泵進出口壓差測量儀表數量

在有彎管式流量計的情況下，可以減少主泵進出口壓差測量儀表。例如，每個回路保留2 個主泵進出口壓差測量傳感器，分別由兩個保護子組供電，當一個子組下3 個壓力測量傳感器中的任意2 個低于設定值時，產生主泵壓差低信號。在中破口以上事故工況中，安注信號和停堆信號同時存在，任意一個保護子組的主泵壓差低信號產生都將觸發主泵自動停運信號。

5.3 優化方案的分析

壓差式流量計+彎管式流量計的優化，實現了3 種計算一回路冷卻劑流量的方式。本文原來的方法仍具有可行性，改進后的兩個主泵進、出口壓差表仍然可以用于測量主泵進、出口壓差，基于主泵電功率得到一回路流量。同時，新增的彎管式流量計也提供了兩種M310 堆型傳統的計算一回路流量的方案：

5.3.1 在彎管式流量計下基于反應堆冷卻劑泵電功率

通過近似公式W=a-bQ2，其中W 為主泵電功率、a 和b 為廠家提供的試驗系數。單臺主泵運行時，有W1=a-bQ12，3 臺主泵同時運行時，有W3=a-bQ32。因為Q12/Q32=ΔP1/ΔP3，而ΔP1和ΔP3分別是單環主泵運行和3 個環路主泵全運行時從彎管流量計處測得的平均壓降，所以Q32=（W3-W1）/［b（ΔP1/ΔP3-1）］。

因此，只要從測量主泵電功率和彎管式流量計讀取內徑和外徑之間的壓差，便可得到主泵的流量。

5.3.2 基于彎管式流量計主管道內外徑之間壓差ΔP 計算流量

6 結論

采用主泵進出口壓差表加彎管流量計的設計改進，增加了調試期間一回路流量測量試驗的多樣性。降低調試期間停運主泵觸發保護信號的風險，調試期間執行RCS51 和RCS59 試驗時不用額外閉鎖防誤稀釋保護信號，減少機組記錄運行限制條件的情況，同時為調試期間一回路流量測量提供多種對比手段，增加調試試驗靈活性。