超聲波流量計(jì)用于核電廠主給水測(cè)量問題探討

核電廠應(yīng)用超聲波流量計(jì)可以提高主給水流量的測(cè)量精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小幅功率提升，對(duì)提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。國(guó)內(nèi)核電廠只有AP1000正在使用此技術(shù)，缺乏充分的使用實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)安全監(jiān)管提出了全新的挑戰(zhàn)。上海自動(dòng)化儀表有限公司研究了主給水超聲波流量計(jì)在核電廠的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和出現(xiàn)的問題，從安全監(jiān)管的角度，指出了核電廠在使用過程中應(yīng)關(guān)注的問題，并提出了相應(yīng)的意見和建議。

主給水流量是核電廠熱平衡計(jì)算中的重要參數(shù)之一。對(duì)給水流量進(jìn)行精確的測(cè)量，無論是對(duì)堆芯熱功率的計(jì)算還是對(duì)核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性，都至關(guān)重要。以往核電廠大多采用文丘里管、噴嘴和孔板等差壓式流量測(cè)量裝置，實(shí)踐表明，在長(zhǎng)期使用過程中，測(cè)量精度會(huì)逐漸降低，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。美國(guó)核電廠在 1981—1999 年的超功率事件調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，主給水流量測(cè)量誤差過大是導(dǎo)致核電廠超功率的主要原因之一。

為了進(jìn)行更加精確的測(cè)量，我國(guó)三門、海陽等AP1000核電廠采用不同于一般核電廠的方式，在主給水流量測(cè)量中同時(shí)使用了超聲波流量計(jì)和文丘里管差壓變動(dòng)器兩種測(cè)量裝置，從而提高反應(yīng)堆熱功率的計(jì)算精度，如圖2所示。由于AP1000核電廠剛剛投入運(yùn)行，超聲波流量計(jì)的使用經(jīng)驗(yàn)尚不充足，且在使用過程中出現(xiàn)了一些問題。國(guó)內(nèi)多家核電廠和設(shè)計(jì)院正在開展相關(guān)研究，擬在M310、CPR1000、CP1000等核電機(jī)組安裝主給水超聲波流量計(jì)，以提高主給水流量的測(cè)量精度，進(jìn)而小幅提升核電廠熱功率，對(duì)我國(guó)核安全監(jiān)管提出了新的要求和挑戰(zhàn)。本文通過梳理主給水超聲波流量計(jì)在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題和經(jīng)驗(yàn)反饋，總結(jié)了需要關(guān)注的問題，并提出了相應(yīng)的意見和建議。

1 超聲波流量計(jì)工作原理

美國(guó) Cameron 公司制造的 LEFM （LeadingEdge Flow Meter） 超聲波流量計(jì)在核電廠主給水測(cè)量中普遍被采用，其原理是利用超聲波在流體中逆流傳播與順流傳播的速度變化測(cè)量流體流速［1］。LEFM技術(shù)系列產(chǎn)品具有精度高、可靠性強(qiáng)、故障率低等特點(diǎn)，在國(guó)外核電廠的應(yīng)用中，可以利用主給水流量測(cè)量的高精度安全、可靠地適度降低一回路控制裕量，從而提高核電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

我國(guó) AP1000 核電廠使用的 LEFM 超聲波流量計(jì)采用交叉的八聲道傳感器，能夠大幅度提高測(cè)量精度。

由于流場(chǎng)在各個(gè)軸向剖面上的分布是不均勻的，采用八聲道同時(shí)工作，可以有效提高測(cè)量精 度，減小誤差，將測(cè)量不確定度控制在±0.3%以 內(nèi)。各項(xiàng)不確定性的典型數(shù)值。

2 主給水超聲波流量計(jì)的應(yīng)用實(shí)踐

通過提高給水流量的測(cè)量精度降低熱功率計(jì)算的不確定度，進(jìn)而提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性是國(guó)際核電領(lǐng)域的通用做法。美國(guó)聯(lián)邦法規(guī) 10CFR 50 Appendix K 規(guī)定，設(shè)計(jì)者可以在失水事故分析中采用低于2%的功率不確定性，但必須證明上述不確定性是由計(jì)算和測(cè)量誤差帶來的，還必須證明核電廠采用了行之有效的設(shè)備和方法［4］。核電廠通過使用超聲波流量計(jì)，能夠?qū)⒔o水流量測(cè)量值的不確定性由2%降至0.3%，從而降低熱功率計(jì)算的不確定性，非常終可以將功率提升到101.7%［5］。

截至2014年1月，美國(guó)核管會(huì)批準(zhǔn)了139個(gè)核電廠功率提升項(xiàng)目，其中，52個(gè)是小幅功率提升項(xiàng)目，核電廠功率提高了0.4%～1.7% ［6］。國(guó)內(nèi)大陸核電廠只有 4 臺(tái) AP1000 機(jī)組使用了主給水超聲波流量計(jì)，使用經(jīng)驗(yàn)較為缺乏，在安裝、調(diào)試和使用過程中曾多次出現(xiàn)問題，同 時(shí)，相應(yīng)的審評(píng)和監(jiān)管經(jīng)驗(yàn)也較少。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)多家核電廠和設(shè)計(jì)院正在積極開展相關(guān)研究，擬 在M310、CRP1000、CP1000以及華龍一號(hào)等核電廠安裝使用主給水超聲波流量計(jì)，以提高主給水流量的測(cè)量精度，進(jìn)而小幅提升堆芯功率。

3 主給水超聲波流量計(jì)在核電廠應(yīng)用需關(guān)注的問題

鑒于超聲波流量計(jì)在AP1000核電廠使用過程中曾經(jīng)多次出現(xiàn)缺陷和異常，通過梳理各類問題以及在問題處理過程中的經(jīng)驗(yàn)反饋，筆者認(rèn)為，在核電廠進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，需要關(guān)注以下幾個(gè)方面。

3. 1 超聲波流量計(jì)和差壓式流量計(jì)結(jié)合使用

目前，國(guó)內(nèi)外核電廠普遍采用超聲波流量計(jì)和差壓式流量計(jì) （文丘里） 相結(jié)合的方法，原因是二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性發(fā)揮著不可替代的作用。

進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)只關(guān)注超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，還應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到其缺點(diǎn)，如電子元件的不穩(wěn)定性，可能會(huì)發(fā)生死機(jī)，且容易受到周邊部件和電磁信號(hào)的干擾，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確等。以三門核電廠為例，自一期工程的兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行以來，在不到半年的時(shí)間里，已多次發(fā)生主給水超聲波流量計(jì)故障或報(bào)警的情況，導(dǎo)致超聲波流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果不可用，若 12 h 內(nèi)沒有恢復(fù)正常，機(jī)組必須降至 99%功率，對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性帶來不利影響，也給運(yùn)行人員和維修人員帶來了一定的負(fù)擔(dān)。例如，三門核電廠1號(hào)機(jī)組在某性能試驗(yàn)期間，發(fā)現(xiàn)配置超聲波流量計(jì)后測(cè)得的給水溫度偏低，導(dǎo)致100%功率下汽輪機(jī)出力不滿足要求，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)是由于軟件中的相關(guān)配置錯(cuò)誤導(dǎo)致的，修改后系統(tǒng)恢復(fù)正常。

4 總結(jié)

主給水流量不僅是核電廠給水控制的重要參數(shù)，也是反應(yīng)堆堆芯功率計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)。超聲波流量計(jì)可以提高給水流量測(cè)量的精確度，有利于優(yōu)化蒸汽發(fā)生器液位控制和反應(yīng)堆熱功率計(jì)算，為提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性提供幫助。

上海自動(dòng)化儀表有限公司通過梳理超聲波流量計(jì)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)反饋，總結(jié)了在設(shè)計(jì)、安裝、檢查和維護(hù)、質(zhì)量保證和質(zhì)量控制、項(xiàng)目審評(píng)和監(jiān)管等方面需要關(guān)注的問題，并提出了以下意見和建議，為將來我國(guó)核電廠應(yīng)用主給水超聲波流量計(jì)提供借鑒和參考：

（1） 充分利用超聲波流量計(jì)和差壓式流量計(jì)的特點(diǎn)，將二者結(jié)合使用，在保障安全性和提高經(jīng)濟(jì)性方面發(fā)揮各自的作用；

（2） 在安裝、檢查和維護(hù)過程中，應(yīng)保障系統(tǒng)部件的安裝質(zhì)量，檢查和維護(hù)系統(tǒng)的精度，維持系統(tǒng)工作面的清潔度，以確保超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度；

（3） 充分借鑒國(guó)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)小幅功率提升項(xiàng)目進(jìn)行全面且詳細(xì)的安全分析，并向核安全監(jiān)管部門提交申請(qǐng)，經(jīng)批準(zhǔn)后方可實(shí)施。