取消旁路后的冷却剂温度测量通道调试研究

朱加良，何正熙，杜 茂，陈 静，余俊辉，李小芬，李红霞，何 鹏，徐 涛

(1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家级重点实验室，四川 成都 610213; 2.福建福清核电有限公司，福建 福清 350318)

0 引言

冷却剂温度包括热段和冷段冷却剂温度，该参数体现堆芯的功率水平。在I类和 II类工况下，若堆芯发生偏离泡核沸腾(DNB)和燃料棒中心熔化事故，反应堆冷却剂温度会触发超温和超功率ΔT保护停堆，以保证堆芯的安全[1]。因此其属于核电厂特别重要的安全保护参数，对测量的准确性要求极高(需达到0.1℃的级别)。由于燃料组件富集度不一致，从不同的燃料通道流出的冷却剂温度不同，在主管道热段会形成流体热分层的现象，因此需对测量方法进行特殊设计。

在传统的M310核电厂中，通过从主管道引出3路流体进入测温旁路[2]；测温旁路设置3支温度计进行热段冷却剂温度的测量，1支用于保护、1支用于控制、1支备用。这种方式能够准确测量热段冷却剂温度，但工艺回路十分复杂且主管道上接管数量多不利于维持压力边界，另外检修剂量大不利于电厂的运行维护。在华龙一号中，采用主管道直接测温方式[3]代替测温旁路，即在主管热段上直接插入4支温度计，通过4支温度计信号取平均后获得热段温度。这种通过多样本采集的方式在一定程度上消除了热分层的影响。但由于样本数量的有限性，其最终测量的准确性取决于测温截面选取、温度计的插入深度和插入角度，故需在调试时进行特殊设计。

本文深入研究分析了这些变化的原因，并提出了针对这些变化的新调试方案，最后对新的调试方案进行分析论证。

1 M310核电厂温度测量通道调试研究

传统M310核电厂的反应堆冷却剂温度测量通道调试主要包含不同功率平台下平均温度(TAVG)和温差(ΔT)相关的保护和控制通道校准[4]，主要包含以下4个阶段。

第一阶段为热态功能试验阶段(0%FP,未装料)。此阶段主要是在反应堆冷却剂升温阶段的各个温度平台进行温度计的校准。温度计校准依据温度计供货商提供的标定曲线人工计算出每支温度计的测量值，然后通过计算温度计之间的偏差(0.28 ℃)以及单个温度计与平均值的偏差(0.35 ℃)，以判断温度计是否能够准确执行测量功能。另外，还需在DCS中读取校准后的单个温度值，并计算其与平均值的偏差(0.46 ℃)。除温度计校准外，还需在该平台下验证2个安全准则：每个ΔT与0 ℃的差异不超过0.5 ℃，每个TAVG与所有TAVG的平均值差异不超过0.5 ℃。

第二阶段为临界前试验阶段(0%FP，装料)。此阶段与第一阶段内容一致。

第三阶段为从临界到到50%FP阶段。此阶段主要是在30%FP和50%FP记录相关温度数据，以备后续使用，并不进行运行准则和安全准则的验证。

第四阶段为50%FP到100%FP阶段。此阶段主要是在75%FP、87%FP和100%FP下记录相关温度数据，并在75%FP下进行预校准，需修改温差转换系数A1值和平均温度转换系数A2、B2值，使其满足安全准则的要求。在100%功率平台进行正式校准，需修改温差转换系数A1值和平均温度转换系数A2、B2值，使其满足安全准则的要求(每个ΔT与35.22 ℃的差异不超过0.5 ℃，每个TAVG与所有TAVG的平均值差异不超过0.5 ℃)。在87%FP下，仅记录相关温度数据以备后续使用。

其中需特别注意的是，第三和第四阶段至少包含两次升功率。第一次升功率完成A1和A2、B2的正式校准，第二次升功率验证第一次校准的A1和A2、B2是否满足安全准则的要求。若第二次验证不满足，则需在第二次升功率进行校准，并需进行第三次升功率来验证，依次类推。

2 取消测温旁路后的调试差异

由于各燃料组件富集度不一致，主管道热段的流体存在分层现象[5]。据统计，压水堆堆芯出口的热分层温差可达到几十摄氏度，离堆芯出口一定距离的主管道截面热分层温差可达到数十度。华龙一号测温截面距离堆芯约3 m，选取特定工况通过CFD建模计算。该截面的温差可达到10℃左右,4支温度取平均后的平均温度测量值与截面温度平均值(理论值)最大偏差可达0.73℃。由于计算时选取的特定工况有限，实际上测量值和理论值的偏差可能会更大。因此，在调试过程中，需根据理论温度值对热段温度测量值进行修正，并且修正方式需考虑电厂运行的便利性。

各个阶段的影响分析如下。

对于第一阶段试验，由于此时未装料，流经堆芯内的流体较为均匀，主管道热段流体不存在热分层的现象。因此4支温度计之间测量到的对象可视为同一个。各温度计之间的偏差仅考虑仪表本身的测量误差即可，故这部分调试试验与测温旁路方式无区别。

对于第二阶段试验，此时虽已装料，但堆芯燃料组件都处于未激活状态，流经各燃料组件的流体温度一致，故主管道热段不存在热分层现象。而此阶段的试验内容和第一阶段一致，故这部分调试试验与取消测温旁路前无区别。

对于第三阶段试验，根据第1节的描述，此阶段无需进行安全准则和运行准则的验证，但此时的试验平台在30%FP和50%FP，堆芯燃料组件已处于激活状态，冷却剂流经各组件后的流束温度不一致，经过上部堆内构件有限的混合后进入主管道热段。此时，热段已存在流体分层的现象。为保证在这些功率平台下热段温度测量的准确性，需进行修正，以便其能够准确测量反应堆冷却剂热段温度。

对于第四阶段试验，功率平台包含75%FP、87%FP和100%FP，此时的热分层现象更加明显。为保证在这些功率平台下热段温度测量的准确性，需进行修正。

综上所述，由于功率平台下存在热分层现象，取消测温旁路后的调试最大差异在于需在30%FP、50%FP、75%FP、87%FP和100%FP功率平台下执行热段温度测量的修正。

3 取消测温旁路后的调试方案

3.1 修正基准

由于存在热分层的现象且样本的数量有限，以4支温度计的平均值作为修正基准不够精确，应通过精确的热平衡方法[6]来获得温度修正基准-理论混合平均温度Thot，具体如下。

通过现场传感器获取一回路压力P、冷段体积流量V和冷段温度Tcold(由于无热分层现象，冷段温度可以准确测量到)，然后通过P和Tcold获得冷段冷却剂的焓值Hcold和密度ρ。

通过现场传感器获得给水流量、给水温度、排污流量和出口蒸汽压力，通过二回路热平衡计算得到一回路的热功率W。

由热段冷却剂焓值Hhot和一回路压力P，可推出理论混合平均温度Thot。

上述方法得到的混合平均温度Thot的最大偏差在于热平衡时给水流量的精度。如能在给水流量测量时采用在线式超声波流量计进行测量，则可以获得高精度的Thot。

3.2 修正方案

取消测温旁路后，华龙一号热段温度计布置如图1所示。

图1 华龙一号热段温度计布置图

图1中，4支温度计(P1、P2、P3、P4)分别从测温截面的45 ℃、135 ℃、225 ℃和315 ℃插入主管道。DCS对4支温度计信号进行采集，并获得热段平均温度(为便于后续修正方法描述，这里把这4个温度值分别计为T1、T2、T3和T4)。为了使4个温度值的平均值接近理论平均温度，在DCS中分别设置温度修正偏置a1、a2、a3、a4，并在调试时对这4个温度修正偏置进行调整。具体的修正步骤如下。

4 调试方案论证

从3.2节可以看出，调试中的修正方法就是将4个单独的温度值修正到理论平均温度，使其能准确测量热段反应冷却剂温度，论证过程如下。

假定目前的热段混合平均温度为328 ℃，由于热分层现象导致4支单独温度计测量到的温度值T1、T2、T3、T4分别为326 ℃、327 ℃、329 ℃和332 ℃。若不进行修正直接进行平均，此时测量到的温度信号为328.5 ℃。可以看出，未进行平均前单个温度测量值的最大偏差达到4 ℃，进行平均有效地减少了测量误差，此时温度偏差为0.5 ℃，但仍不符合测量精度0.1 ℃的要求。

在运行阶段，由于堆芯的状态会发生变化，调试阶段的温度修正偏置a1、a2、a3、a4也需定期根据热平衡结果进行更新。温度修正偏置更新的条件为功率大于一定水平且4支温度计的质量位均有效，以预防温度计失效时导致温度测量精度迅速变差，且能够正确执行超温超功率保护功能。

5 结束语

为达到三代核电技术要求，相对于M310核电厂，华龙一号核电厂取消测温旁路，使用主管道直接测温技术来测量重要安全保护参数反应堆冷却剂温度。但这种测量方式会由于主管道的热段存在热分层现象而造成冷却剂温度测量精度不够。因此，需在反应堆冷却剂温度测量通道调试中进行特殊考虑。本文首先研究了热分层产生的机理，并细致地进行了反应堆冷却剂温度测量通道调试，提出了基于热平衡的改进调试修正方案。方案论证表明，该调试方案可以较好地提高热分层下冷却剂温度测量精度，同时有利于电厂的安全运行。