喉部取压喷嘴在核电厂主给水系统中的应用

奚玮君 陆祖祥

(上海核工程研究设计院，上海 200233)

恰希玛核电厂工程2号机组(C-2)项目是我国自主设计出口到巴基斯坦的第二座300MW压水堆核电厂。主给水流量测量装置是核电厂中性能要求和重要程度最高的仪表之一。在设计选型过程中，查阅大量国内外已建成核电厂的主给水流量测量方式的资料，结合笔者所在单位自主设计的秦山I期和C-1的工程经验，分析其中的利弊。此外在国产化的前提下，充分调研目前国内流量仪表的制造能力和流量试验台架的标定能力，最终确定采用低β值的喉部取压喷嘴测量主给水流量。

1 核电厂主给水系统介绍①

核电厂主给水系统的主要功能是为蒸汽发生器供水。蒸汽发生器的给水是由给水流量控制阀进行调节的，它将蒸汽发生器二次侧的水位维持在一个参照值内，这个参照值是汽轮机负荷的函数。在电站零功率、热停堆、正常启动和停堆工况下，蒸汽发生器的水位是由电站启停给水系统调节的。

主给水每条管线为一台蒸汽发生器供水，主要的设备包括一台(或两台)测量给水流量的节流装置、一台主给水流量调节阀以及隔离阀等部件。其中主给水调节阀为气动控制阀，它适用于0%～100%额定功率的工况下运行。主给水系统的正常运行对应于发电机与电网相连时电厂机组运行功率在额定功率15%以上。在此功率范围内反应堆功率与汽轮机负荷需求相平衡。主给水流量控制系统投自动，并且采用蒸汽发生器的液位为主测量信号、蒸汽流量和主给水流量为补偿信号的三冲量控制方式控制主给水调节阀。

一般电站中，主给水流量测量采用节流装置来实现。在实际使用过程中，由于节流装置过流面积的变化，会产生较大的压力损耗；同时所输送的介质也不可避免地对其造成冲蚀磨损[1]，但节流装置具有测量介质适应性强、耐高温高压、标准化程度最高及可以免实流标定等优点，在流量测量中占据统治地位。

2 主给水节流装置的选用条件

节流装置的使用受管径大小、所允许的压损、直管段长度及介质的雷诺数等条件的限制，选用合适的节流装置需综合考虑各种制约因素。由于主给水系统中介质温度较高，压力较大，流量也比较大，而且主给水流量的测量精度直接影响核电厂运行的安全性和经济性，因此测量核电站主给水流量对节流装置的要求更为特殊和苛刻。

2.1 雷诺数的限制

雷诺数表征流体流动特性，从雷诺数的大小可以判断出流体的流动状态。对于选定的节流装置，如果在各种工况下流体的雷诺数范围内流出系数近似不变或变化很小，该节流装置才能用于测量。因此流体的雷诺数是选取节流装置的先决条件。不可压缩流体流量方程式为[2,3]：

(1)

式中A0——节流件喉部开孔面积；

C——流出系数；

qm——质量流量；

Δp——差压值；

β——直径比d/D；

ρ1——流体工作状态下的密度。

式(1)是从伯努利方程和连续性方程推导出来的，由式(1)可见，不可压缩流体的流量是关于C、d、ρ1、Δp、β这5个参数的函数，其中d、ρ1、Δp、β为实测量，若能保证流出系数C不变或近似不变，则流量与差压就能形成一一对应的函数关系。在一定的安装条件下对于给定的节流装置，C值仅与雷诺数有关，因此雷诺数是选取节流装置的关键。

2.2 测量精度的限制

出于安全考虑，核电站设计中必须要考虑所有影响因素，包括仪表测量误差、随机误差及系统误差等引入的测量不确定度。以AP1000依托项目设计为例，对于压水反应堆堆芯热功率，西屋公司采用热平衡法进行测量。压水堆存在两个循环水回路：一回路工作介质(反应堆冷却剂)吸收反应堆释热，并通过蒸汽发生器把热量传给二回路的水；二回路的水吸收热量并经处理后成为干度很高的饱和蒸汽，推动汽轮机做功带动发电机运转，最终把热能变成电能[4]。其中，蒸汽发生器的热平衡如图1所示，热平衡法核电站热功率的计算式为：

Qcore=Wfw×(Hs-Hfw)-Wbd×(Hs-Hbd)+Qlo

(2)

式中Hbd——蒸汽发生器出口处排污水的比焓，Hbd=h(ps) ；

Hfw——蒸汽发生器入口处给水比焓，由给水温度和压力决定；

Hs——蒸汽发生器出口处蒸汽的比焓，由蒸汽压力和蒸汽发生器的水分残留量决定(通常保守的假定该残留量为0或介于0与测试值之间)；

ps——蒸汽母管压力；

Qcore——反应堆堆芯热功率；

Qlo——其他向反应堆冷却剂传热的功率或热功率损失；

Wbd——排污流量；

Wfw——给水流量。

图1 蒸汽发生器热平衡示意图

实际工程中给水质量流量测量通常比蒸汽流量测量更精确，并且在长期运行条件下，这两个流量与排污水流量形成平衡。排污水和其他热量损失在热功率计算时仅作为很小的修正项，而且蒸汽和给水的比焓相对来说是比较准确的，因此热功率的计算结果的不确定度主要取决于给水流量测量的不确定度[5]。以法国电力公司(EdF)给出的计算分析结果为例，热功率的不确定度有83.18%是由给水流量测量的不确定度造成的[6]，因此，提高给水流量测量的准确度对于获得准确的热功率计算值非常重要。

根据美国核管会导则RG 1.49的规定[7,8]，与应急堆芯冷却系统(ECCS)有关的电厂安全分析必须在102%或高于102%额定功率下进行，即保留2%功率不确定度裕量。当电站处于100%满负荷运行时，功率计算的不确定度应小于2%，否则极易引起超功率运行事故，而对于功率计算不确定度贡献最大的主给水流量的不确定度应尽可能小，以保证该限值。

2.3 工艺系统的限制

系统设计及管道布置等因素也是限制节流装置选型的重要因素，包括管道布置时流出节流装置的直管段长度、系统设计时允许节流装置造成的不可恢复压力损失、工艺管道等级及系统设计时提出的各工况下的介质参数等。由于主给水管道流通能力大、压力高，如果采用压力损失高的节流装置，长期运行会造成能量损耗，因此首选压损低的仪表，并且降低压损；而系统各项参数则直接决定被测介质的性质，即雷诺数；管道的设计等级及安全等级及连接方式等也对节流装置选型有一定限制。

3 C-2项目主给水流量测量装置

基于上文的分析，C-2项目最终选用了低β值喉部取压喷嘴来测量主给水流量，该喷嘴永久压力损失非常小，适用于高能管道测量；且如果制造合格，能满足ASME PTC 6-1996的各项要求。经实流标定后，不确定度可以达到±0.25%以内；虽然需要实流标定，但在满足一定条件的前提下，标准允许使用外推，因此对于标定台架的要求也降低了很多；直管段长度也能满足工艺布置的要求。虽然对于制造工艺提出了较高的要求，且对于该设备的制造经验比较缺乏，但目前国内有部分厂家引进了高精度的数控机床等机加工设备，经研究攻关后还是能够完成研制的。

3.1 低β值喉部取压喷嘴

C-2主给水流量测量装置采用了如图2所示的结构，4对取压口隔90°均匀分布，经专业机构严格标定之后，取出符合标准要求的两对取压口，并采用均压环连接，在均压环上配置截止阀，以便截断均压环；制造商在加工喷嘴时也加工了前后直管段，在前直管段安装了整流器，前后直管段的粗糙度符合标准的要求。以上改进措施提高了整套系统的测量精度，根据节流装置的计算书和标定机构的校验报告，C-2主给水节流装置的制造、加工都能满足ASME PTC6-1996的各项要求，其测量精度较C-1有了很大的改进，流出系数不确定度达到了±0.25%。

图2 低β值喉部取压喷嘴示意图

3.2 性能与特点

目前国内核电厂的高精度主给水流量测量装置大多依赖进口，本装置从设计、制造到标定全过程都实现了国产化，对于同类型设备来讲尚属首次，技术水平处于国内领先。大部分法国堆型核电厂的主给水流量测量采用文丘里管作为主测量装置(孔板用于与文丘里管互相标定)，三代核电AP1000堆型采用的主给水流量测量组件也是文丘里管，该组件除了主测量元件(文丘里管)与本装置不同外，其他设计包括前后直管段、整流器的设计以及标定方法均与本装置相同或类似，且本装置的性能指标与AP1000主给水流量测量组件相同，技术上与三代核电并无太大差异，因此技术水平与国外先进设计同步。表1为本装置与AP1000主给水流量测量装置的性能指标对比。

表1 低β值喉部取压喷嘴与AP1000

从经济角度来说，以C-2工程为例，进口的主给水流量测量装置报价是每台300万元以上，且根据质保要求，业主与设计方应对设备的制造与实流标定进行见证，以及其他技术协调会议等所产生的一系列费用也相当可观。而本装置实现国产化之后，总成本控制在每台50万元左右，并且业主与设计方能很方便的对制造过程与试验过程进行全程见证，质量控制得力，从而保证了最终交货产品的性能与可靠性。

3.3 计算与标定

经验表明，对流出系数还不能做出令人满意的预测，因此有必要通过试验对节流装置进行校验。校验应在具有相关资质的设施上进行，且尽量模拟现场的安装情况。2008年4月，在机械工业大型水电设备大型电机产品质量监督检测中心的高水头水力机械通用试验I台上，按照该中心的标准检验程序对用于C-2主给水流量测量的低β值喉部取压喷嘴进行了校验。

3.3.1标定试验简介

喷嘴流量计的检定采用容积法，带有表读数器的120m3金属量器(直径为4.8m，高6.75m)的精度为0.08%。两只气缸带动切换器工作，将流经喷嘴流量计的水切入到120m3金属量器中，同时触发行程开关使计时器开始计时，行程开关的精度为0.001s。当一个测程结束，水流被切回旁通管道中时，计时器同时停止计时，数据采集器记录所用时间。使用铂热电阻温度传感器测量水温，用压力表测量检验管路中的压力，以此计算水密度。取压口的差压测量采用Rosemount高精度的差压变送器。

校验应至少包含20个可接受的点，这20个点在试验台架上的雷诺数范围应尽量覆盖所有工况，若在同一个雷诺数上进行重复试验时结果出现0.1%以上的偏差，则推荐在该雷诺数上再做一次获得一个额外试验点。若这20个点符合要求，但实验雷诺数无法覆盖所要求工况，该标准允许对校验曲线进行外推[9]。所有4组取压口都应进行校验，选出两组能最大程度满足ASME PTC-6要求(包括Cxavg判据、Cx独立性判据、校验数据离散度判据)的取压口。

3.3.2标定结果

本次试验包含了21个可接受的测程，雷诺数变化范围从1.657×106到3.397×106。但实际上根据C-2主给水的工况，设计温度达到220℃，设计流量接近1 000t/h，最大流量更是达到了1 200t/h，由此可以计算出在C-2运行过程中，所要求的雷诺数范围最大值接近1×107，由于该机构的试验台驾无法满足这么高的雷诺数，故需根据标准要求对试验数据进行外推，实验数据的校验结果见表2。

表2 校验结果

表2中Cx为流出系数C与雷诺数Re的函数，无量纲；b±tS(b)为一元线性回归方程a=Cx-b×Re中斜率b的95%置信度，S(b)为斜率b的标准偏差，t为学生分布因子。由表2可知：1#、3#、4#取压口满足Cxavg在[1.006 29，1.007 40]范围之间的要求，1#、3#取压口更为理想一些。另外，1#、3#口的Cx值的95%置信度下的置信区间也没有超过6.000 0×10-4，b±tS(b)的值也满足跨零分布的要求。因此，可以认为1#、3#更大程度上满足ASME PTC6的要求，所以判定为合格，并作为实际使用的取压口。

综上所述，1#和3#取压口校验数据均满足ASME规定的判据，所以对1#和3#取压口进行外推。依照ASME规程的规定，根据上述的校验结果预测当喷嘴流量计的雷诺数分别为4.840×106、7.260×106、9.681×106时的相应流出系数C值，结果见表3。

表3 1#、3#取压口的外推结果

3.3.3差压计算与补偿

由于节流装置的尺寸校验、标定等都是在常温下进行，而实际运行工况的温度高达220℃，与常温20℃左右有巨大的差异，为保证获得高精度的测量结果，因此部分对温度敏感的参数必须经过温度补偿。

在设计工作温度220℃下，计算管道内径D220和节流装置喉部内径d220，其计算式分别为[10,11]：

D220=D20[1+ΛD(t1-20)]

(3)

d220=d20[1+Λd(t1-20)]

(4)

式中d20——20℃下(常温下)实测得到的喷嘴喉部内径；

D20——20℃下(常温下)实测得到的管道内径；

Λd——节流件材料的线膨胀系数；

ΛD——管道材料的线膨胀系数。

直径比β220的计算式为：

β220=d220/D220

(5)

根据标定报告上给出的流出系数C计算流量系数α，其计算式为：

(6)

查表得220℃下介质的密度ρ1，根据以上参数计算不同流量所对应的差压值，其计算式为：

(7)

在不同温度下，同一流量所测的对应差压是不同的。由于系统冷态调试时，温度不会达到220℃的设计温度，相同流量下温度低时差压变送器测得的差压值较220℃时的差压值小。在冷态调试时，可使用上述步骤根据测得的温度值和一定的流量值来标定差压值所对应流量。

4 结束语

在以往的核电厂主给水系统中，使用孔板、文丘里管或长颈喷嘴等节流装置或它们的组合来测量主给水流量，但由于受限于国内厂商的技术能力、机加工水平和实验标定能力，应用于核电厂主给水流量测量的节流装置大部分依赖进口。低β值喉部取压喷嘴节流装置的设计、制造与标定分别由上海核工程研究设计院、江阴宏达仪表有限公司和机械工业大型水电设备大型电机产品质量监督检测中心完成，本装置的设计、制造和标定严格执行了ASME PTC6-1996的各项要求，并按照核电厂设备的质保要求进行制造、流量标定、验收和文件提交，实现了完全的国产化和自主化，对于同类型设备来讲尚属首次，技术水平处于国内领先。