主給水超聲波流量計在核電的應用研究

王志偉，蒲增浩，張文濤，高本祥

（1.山東核電有限公司，山東 煙臺 265116；2.美核電氣（濟南）股份有限公司，山東 濟南 250100）

主給水流量是一項非常重要的參數，其能準確測量出給水流量，此對核電廠的安全與經濟性都有密切的聯系，以往的核電多使用文丘里管和噴嘴以及孔板等進行測量，而實際的使用發現，隨著長時間的使用而導致測量的精度下降。國外相關的超功率事件分析研究表明，主給水流量在實際測量時出現的誤差較大是引起超功率最關鍵的原因。國內為提升測量的準確度，在AP1000核電廠中使用了超聲波流量計與文丘里管差壓變動器的測量裝置，以此來提升計算的準確度，圖1 即為主給水流量測量裝置示意圖。

圖1 主給水流量測量裝置

由于剛剛使用而導致超聲波流量計應用經驗低下，所以本文則針對實際使用中存在的問題進行分析，并總結相關的經驗，針對問題提出合理的對策和建議。

1 超聲波流量計工作原理分析

國產AH-UFM-1182 超聲波流量計得到了廣泛的使用，其工作原理主要是運用超聲波，以此測量于流體中的逆流和順流實際的傳播速度變化的流速。AH-UFM-1182 超聲波流量計技術的產品質量高，并且準確度非常高，不易出現故障，在國內的大多數核電廠中得到廣泛的使用，此可運用主給水流量測量帶來的高精度、安全性來適當的減少一回路控制的相應裕量，進而可以有效的增加實際的效益。國內在核電廠中運用超聲波流量計運用了交叉形式的八聲道傳感器，此項措施可以有效的提高測量時的精準程度，具體原理見圖2。

圖2 超聲波流量計測量原理圖

流場于軸向的剖面呈現出不同的分布，當以八聲道開展相應的工作時即能增加測量的準確程度，降低誤差的出現，并把測量的不確定度有效控制±0.3%之下。

2 主給水超聲波流量計的應用分析

在當前核電的國際領域范圍內，通常是采取提升給水流量測量的精度，進而減少熱功率在計算過程中的不確定度，由此最終提升核電廠的經濟性。例如，使用核電技術較為先進的美國，其聯邦法則明確規定了設計人員針對失水事故進行原因分析時可使用＜2%的功率不確定性，但使用的前提則需要證明不確定性是因為計算與測量時產生的誤差導致的，還需要證明核電廠使用的設備及方法是有效的。運用超聲波流量計可以將實際測量的水流測量值不確定性從原先的2%有效減少到0.3%左右，由此高效地減少了熱功率進行計算時的不確定性，此能提高功率至101.7%。而在美國針對核電功率進行相應提升功率的工程中證明了，139 個功率提升項目中有52 個為小幅功率提升，并且功率有效地提升0.4 ～1.7%。

在我國使用的主給水超聲波流量計的核電廠非常少，因此在實際的使用中沒有充足的經驗，而且在安裝和調試方面也出現了一些問題，而目前國內的核電建設中，均在積極針對主給水超聲波流量計進行分析和研究，進而提升測量的精度，提高堆芯的功率。

3 主給水超聲波流量計使用中需要關注的問題分析

（1）超聲波與差壓式流量計（文丘里）的聯合應用。當前所使用的超聲波與差壓式的流量計聯合模式主要是因為兩者各有優點和缺點，此對于核電安全具有重要的作用，并且可以促進經濟性的提高。在對系統進行設計過程中不能只重視超聲波流量計帶來的優點，更要理解其存在的缺點，例如，電子元件會出現不穩定的狀態，還會出現死機的情況，并且受周邊其他部件及電磁信號干擾而導致測量的準確度不高等缺點。例如，在國內某核電廠中，其完工的兩臺機組在半年的正常運行中出現了多次的超聲波流量計故障和報警的現象，進而導致測量的結果無法使用，如果在12 小時未能恢復則機組下降到99%功率，此對核電廠的經濟性造成非常嚴重的影響，同時給運維人員工作造成了一定的負擔。另外，在1 號機組開展相關的性能試驗時，期間發現在使用超聲波流量計后所測量的給水溫度嚴重偏低，由此引起了100%功率下的汽輪機出力低下，不符合標準的情況，通過實際的調查分析顯示，是因為軟件配置的錯誤而引起，通過調整系統后則完全恢復，如表1 所示。

由于超聲波流量計會有不穩定性的存在，所以不能使用于控制和保護及聯鎖等功能中，如果出現故障，則不能觸發系統的相應動作，又或者不能執行安全功能，進而則對核電安全產生非常不利的影響。所以，在設計過程中，不可以把超聲波流量計運用在核電控制和保護等功能之中，只可以與國外的使用方法一樣，只運用在反應堆熱功率的計算，以及標定差壓式流量計中。

差壓式流量計實際測量的精度要低于超聲波流量計，并且在運行時易磨損、結垢，由此則造成測量的精度會越來越低。但差壓式流量計也是一個非常重要且不可或缺的部分，其作為機械部件不會出現死機的情況，此是與電子元件最大的區別，可靠性非常高。所以，在核電系統進行設計時，要充分利用此特點，將差壓式流量計當作主給水流量的測量備用，當超聲波流量計產生故障無法使用時即使用差壓式流量計提供流量的測量，由此可以提高核電安全的防御功能。與此同時，運用差壓式流量計可靠性來參與控制和保護等功能。所以，兩者各自均有自身的特性存在，并且優缺點也不同，國在線在設計中充分重視兩者的差異性，進而在確保核電安全和提升經濟方面中發揮自身的作用。

（2）質量保證和控制。核電所使用的超聲波流量計未參與相關的控制功能，但其出現無法使用12 小時后降低了機組熱功率，進而嚴重影響了核電經濟性。由于超聲波流量計過于復雜，因此，在實際安裝和測試過程中必須確保完全符合標準。比如，在國內某核電廠中，其使用的超聲波流量計出現了電纜敷設未達到標準，進而導致超聲波流量計出現報警，還有機柜內的板卡未完全插入而導致流量計無法使用等情況。另外，超聲波流量計具有高精度的要求，所以對清潔度具有非常嚴重的標準和要求。依據超聲波流量計的特點，在實際安裝和檢查及維護時，要求監督人員重視以下方面。

①安裝。由于對精度方面的要求非常高，所以在安裝必須確保整個安裝符合標準，并且針對安裝對人員、工器具、安裝控制等具有非常明確的要求。監督人員在安裝前應當重視以下問題，即確認尖銳邊緣均磨平，確認所有安裝人員均通過相關的培訓，確診安裝過程中是否引入了其他材料等。另外，主給水超聲波流量計對于時間的計量為納秒級，所以安裝的質量好壞對測量的精度具有非常直接的影響，因此要確保安裝處于受控狀態。安裝時，要確保機柜處于水平，安裝到位后，檢查機柜底部和基座間距，確保超聲波流量計機柜和其他相關物體的距離在標準范圍。在安裝傳感器與探頭前確診套管煤接完成，并經過相關處理。檢查電纜敷設符合標準，確診查其他設備與電纜間距，并向安裝人員確認會不會產生信號干擾。安裝結束要對超聲波流量計開展相關的檢測。絕緣檢測要求試驗處于500VDC 電壓下測試，電阻值符合標準則保證探頭安裝符合標準。另外，超聲波流量計對單個電纜長度有明確標準，所以要求檢查人員在安裝結束后對電纜的長度進行檢查，確保符合標準。

②檢查和維護。由于制造超聲波流量計使用大量的電子元件，所以容易出現老化和不穩定的情況，監督人員在巡檢時，要確認日常對超聲波流量計開展的相關檢查及維護工作是否到位，主要是機柜和計量及傳感器等部分的檢維工作。針對機柜部分的檢查要求監督人員重點查看設備外觀和清潔度，以及接線的狀態。針對超聲波流量計計量與傳感器等部分要求確認進行檢維工作的頻率是否每12 ～16 個月進行一次。針對超聲波流量計計量要求監督人員重點查看套管部分，確診套管是否出現物理的損傷情況，然后再對比將安裝前和檢查時套管的厚度，確認是否出現腐蝕的情況，當檢查時顯示壁厚變化高于0.127mm 時，則需要針對超聲波流量計性能重新開展相關的評估。針對傳感器檢查與維護時要求監督人員重點查看傳感器的本體和電纜及傳感器的信號，檢查過程中首先查看傳感器與接線端子有無損傷、灰塵、污漬等情況，并檢查傳感器電纜絕緣性是否符合標準。另外，還要重點關注傳感器信號，監督人員一定要核實對傳感器信號是否開展了定期的有效測試，以及測試評估的過程是否嚴格按照標準進行，在對傳感器信號進行強度評估過程中，一定要把傳感器表面灰塵完全清理干凈，再運用專業的儀器設備進行測試，當信號檢測的強度不可接受時可在后續更換傳感器，并在完成處理后加以驗證。

（3）小幅功率提升的審評和監管。根據國外的相關小幅功率提升項目中，其均向相關的問題進行優化方案的審批，通過相應的部門進行論證和審批后才可實施。例如，美國針對小幅功率提升建立了專業的審查指導文件，國內相關部門也可以以此為參考制定符合我國實際的指導文件。

4 結語

在核電廠中，主給水流量是一項非常重要的控制參數，同時還是計算堆芯功率的核心參數，而使用超聲波流量計能夠增加測量給水流量的準確度，進而有利于反應堆熱功率的相關計算，能夠有效地增加核電安全性。在上文的研究中總結了相關的經驗和需要重視的問題，基于提出以下相關的建議，進而為后續相關的應用提供一些參考的價值：（1）要針對超聲波與差壓式流量計各自的優點，在設計時合理的結合運用，進而確保兩者各自的特點能夠發揮出來；（2）針對安裝和檢查及運維，通過確保安裝的質量，并對系統開展有效的檢查和維護，進而保障測量時的精準度；（3）可借鑒國外的一些成熟經驗運用在核電的小幅功率提升中，但需要經過相關的審批才能進行優化。