超声波流量计用于核电厂主给水测量的问题探讨

2020-01-06王列辉甄飞强

核安全 2019年6期

付浩，王列辉，甄飞强

（1. 生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082；2. 上海交通大学，上海 200240；3. 生态环境部华东核与辐射安全监督站，上海 200030）

主给水流量是核电厂热平衡计算中的重要参数之一。对给水流量进行精确的测量，无论是对堆芯热功率的计算还是对核电厂的安全性和经济性，都至关重要。以往核电厂大多采用文丘里管、喷嘴和孔板等差压式流量测量装置，实践表明，在长期使用过程中，测量精度会逐渐降低，影响测量结果的准确性。美国核电厂在1981—1999 年的超功率事件调查中发现，主给水流量测量误差过大是导致核电厂超功率的主要原因之一（如图1所示）。

为了进行更加精确的测量，我国三门、海阳等AP1000 核电厂采用不同于一般核电厂的方式，在主给水流量测量中同时使用了超声波流量计和文丘里管差压变动器两种测量装置，从而提高反应堆热功率的计算精度，如图2 所示。由于AP1000 核电厂刚刚投入运行，超声波流量计的使用经验尚不充足，且在使用过程中出现了一些问题。国内多家核电厂和设计院正在开展相关研究，拟在M310、CPR1000、CP1000 等核电机组安装主给水超声波流量计，以提高主给水流量的测量精度，进而小幅提升核电厂热功率，对我国核安全监管提出了新的要求和挑战。本文通过梳理主给水超声波流量计在应用中出现的问题和经验反馈，总结了需要关注的问题，并提出了相应的意见和建议。

图1 美国1981—1999年超功率事件调查Fig.1 Survey of super power incidents in U.S.from 1981 to 1999

图2 AP1000主给水流量测量装置Fig.2 Measuring device of main feedwater in AP1000

1 超声波流量计工作原理

美国Cameron 公司制造的LEFM （Leading Edge Flow Meter）超声波流量计在核电厂主给水测量中普遍被采用，其原理是利用超声波在流体中逆流传播与顺流传播的速度变化测量流体流速[1]。LEFM技术系列产品具有精度高、可靠性强、故障率低等特点，在国外核电厂的应用中，可以利用主给水流量测量的高精度安全、可靠地适度降低一回路控制裕量，从而提高核电厂的经济效益[2]。

我国AP1000 核电厂使用的LEFM 超声波流量计采用交叉的八声道传感器，能够大幅度提高测量精度，其原理如图3所示[3]。

图3 超声波流量计测量原理图Fig.3 Measuring principle of the ultrasonic flow meter

由于流场在各个轴向剖面上的分布是不均匀的，采用八声道同时工作，可以有效提高测量精度，减小误差，将测量不确定度控制在±0.3%以内。各项不确定性的典型数值如图4所示。

2 主给水超声波流量计的应用实践

通过提高给水流量的测量精度降低热功率计算的不确定度，进而提高核电厂的经济性是国际核电领域的通用做法。美国联邦法规10 CFR 50 Appendix K 规定，设计者可以在失水事故分析中采用低于2%的功率不确定性，但必须证明上述不确定性是由计算和测量误差带来的，还必须证明核电厂采用了行之有效的设备和方法[4]。

图4 LEFM超声波流量计不确定性典型数值Fig.4 Typical uncertainty value of ultrasonic flow meter

核电厂通过使用超声波流量计，能够将给水流量测量值的不确定性由2%降至0.3%，从而降低热功率计算的不确定性，最终可以将功率提升到101.7%[5]，如图5所示。

图5 降低功率不确定度可以提高功率水平Fig.5 Reduce power uncertainty to increase power levels

截至2014年1月，美国核管会批准了139个核电厂功率提升项目，其中，52 个是小幅功率提升项目，核电厂功率提高了0.4%～1.7%[6]。

国内大陆核电厂只有4 台AP1000 机组使用了主给水超声波流量计，使用经验较为缺乏，在安装、调试和使用过程中曾多次出现问题，同时，相应的审评和监管经验也较少。当前，国内多家核电厂和设计院正在积极开展相关研究，拟在M310、CRP1000、CP1000 以及华龙一号等核电厂安装使用主给水超声波流量计，以提高主给水流量的测量精度，进而小幅提升堆芯功率。

3 主给水超声波流量计在核电厂应用需关注的问题

鉴于超声波流量计在AP1000 核电厂使用过程中曾经多次出现缺陷和异常，通过梳理各类问题以及在问题处理过程中的经验反馈，笔者认为，在核电厂进行应用时，需要关注以下几个方面。

3.1 超声波流量计和差压式流量计结合使用

目前，国内外核电厂普遍采用超声波流量计和差压式流量计（文丘里）相结合的方法，原因是二者各有优缺点，对核电厂的安全性和经济性发挥着不可替代的作用。

进行系统设计时，不应只关注超声波流量计的优点，还应充分认识到其缺点，如电子元件的不稳定性，可能会发生死机，且容易受到周边部件和电磁信号的干扰，导致测量不准确等。以三门核电厂为例，自一期工程的两台机组运行以来，在不到半年的时间里，已多次发生主给水超声波流量计故障或报警的情况，导致超声波流量计的测量结果不可用，若12 h 内没有恢复正常，机组必须降至99%功率，对机组的经济性带来不利影响，也给运行人员和维修人员带来了一定的负担。例如，三门核电厂1号机组在某性能试验期间，发现配置超声波流量计后测得的给水温度偏低，导致100%功率下汽轮机出力不满足要求，经现场调查后发现是由于软件中的相关配置错误导致的，修改后系统恢复正常，见表1。

表1 三门核电厂1号机组超声波流量计温度偏差问题Table 1 Temperature deviation of ultrasonic flow meter in Sanmen nuclear plant Unit 1

鉴于超声波流量计存在电子元件特有的不稳定性，如果使其参与执行控制、保护和联锁等功能，一旦发生故障，将无法触发相关系统动作，或无法执行相关安全功能，严重影响核电厂的安全。因此，在系统设计时，不能将超声波流量计用于参与核电厂的控制、保护和联锁等影响机组安全的相关功能，只能用于计算反应堆热功率和标定差压式流量计（文丘里）。这也是国外使用超声波流量计的核电厂的一致做法。

差压式流量计与超声波流量计相比，测量精度较低，且在运行过程中容易发生磨损和结垢，导致精度越来越低。但是，差压式流量计是核电厂不可或缺的部件。因为作为机械部件，差压式流量计不会发生类似电子元件的死机现象，具有特有的可靠性。因此，在核电厂的系统设计中，应充分利用差压式流量计的特性，将其作为主给水流量测量的备用，在超声波流量计出现故障不可用时，为核电厂提供有效的流量测量值，加强纵深防御功能[7]。同时，利用差压式流量计的可靠性，将其作为参与相关控制、保护和联锁动作的重要部件。

因此，超声波流量计和差压式流量计由于其自身特性，各有优缺点，在核电厂的系统设计中，应充分考虑二者的特点，在保障安全性和提高经济性方面发挥各自的作用。

3.2 质量保证和控制

在AP1000 核电厂中，虽然超声波流量计不参与控制，但是当超声波流量计不可用超过12 h后，机组必须降至99%热功率，对电厂的经济性会产生不利影响。超声波流量计的设计较为复杂，其可用性需要在安装、测试等各个过程中进行控制和保证。

图6 超声波流量计设备配置Fig.6 Device configuration of the ultrasonic flow meter

例如，国内应用超声波流量计的核电厂曾发生电缆敷设不满足要求造成超声波流量计报警、机柜内板卡未插紧造成超声波流量计不可用、镍质线鼻子被铜质线鼻子替换造成超声波流量计频繁报警等多种问题。此外，鉴于超声波流量计的高精度，其对清洁度的要求非常高。根据超声波流量计的设备特点，监督检查人员应在安装、检查和维护中重点关注以下方面。

3.2.1 安装

鉴于超声波流量计的高精度要求，其安装过程需要更加严格的把控。超声波流量计的安装过程主要包括下列步骤：

（1）超声波流量计机柜的安装；

（2）传感器和温度探头的安装；

（3）接线盒的安装；

（4）电缆的安装，包含传感器至接线盒的电缆、压力变送器至接线盒的电缆、接线盒至机柜的电缆；

（5）安装完成后的检查和测试。

超声波流量计的安装对人员的安排、工器具的检查、安装过程的控制等方面都有一定的要求。在安装前，监督检查人员尤其需要关注以下4个方面：

（1）所有尖锐的边缘都确认被磨平，包括所有螺栓孔的毛刺已被去除；

（2）安装时观察是否引入了其他物体或材料；

（3）检查所有扳手，确认都经过标定；

（4）检查人员的资质授权，确定安装人员都经过培训，并且熟悉设备图纸和安装要求。

此外，由于主给水超声波流量计的时间计量为纳秒（ns）级，安装质量会直接影响超声波流量计的精度，所以，整个安装过程应在受控的状态下进行。在安装过程中，监督检查人员应特别注意下列事项：

（1）安装过程中，机柜一直保持水平不倾斜，机柜门处于关闭状态。机柜放置完成后，确认机柜底部和基座的距离，并且核实超声波流量计机柜与其他机柜、墙或构筑物的距离保持在规定范围内；

（2）传感器和探头安装之前，核实套管已经焊接完成，并且完成了无损检测和焊接后热处理；

（3）确认安装人员用内窥镜检查了传感器和探头表面是否有灰尘或者沾污，并使用专用工具进行了清理；

（4）确认安装人员使用干净空气，如压缩空气，清理了传感器和探头的安装孔；

（5）对于电缆的敷设，核实最小的弯曲半径。检查其他设备和电缆的距离，向安装人员确认不会产生信号干扰。

（6）检查螺母和螺栓的紧固程度，保证满足要求。

超声波流量计安装完成后需要进行测试和检查。针对绝缘测试，监督检查人员确认试验是在500VDC的电压下进行，电阻值在规定范围内已保证探头的安装满足要求。另外，超声波流量计对于单个电缆的长度也有要求，因此，监督检查人员需要在安装完成后进行单根电缆长度的核查。

3.2.2 检查和维护

超声波流量计的主要部件是电子元件，电子元件具有易老化、不稳定等特点，监督检查人员对超声波流量计进行巡检时，应确认超声波流量计的日常检查和维护是否到位，主要包括机柜、计量部分和传感器部分的检查和维护。

对于机柜部分，监督检查人员着重关注设备的外观、清洁度和接线，主要有下列内容：

（1）检查机柜的外表面是否有损坏、积灰的情况；

（2）检查机柜门的开启/关闭情况正常；

（3）确认设备垫圈的表面是否有灰尘和污渍；

（4）检查机柜内所有电缆的进线端和转折处，确认电缆的绝缘未被破坏，并且检查电缆连接处的紧固是否满足要求；

（5）检查所有部件的连接处是否有松动；

（6）检查电路板和熔丝是否有损坏；

（7）确认网卡和芯片是否进行了定期更换。

对于超声波流量计的计量部分和传感器部分的检查和维护，监督检查人员应确认检查维护频率是否为12～16个月一次。

对于超声波流量计的计量部分，监督检查人员主要关注套管。监督检查人员应检查套管是否有物理损伤，并将安装前的套管厚度与检查时的套管厚度进行对比，以确定是否发生了腐蚀，如果检查发现壁厚变化超过0.127 mm，应对超声波流量计的性能进行重新评估。

对于传感器部分的检查和维护，监督检查人员应关注传感器本体、电缆和传感器信号。检查时，监督检查人员应确认传感器和接线端子是否有损伤、是否有灰尘和污渍，并确认传感器电缆的完整性和绝缘性能否满足要求。除此之外，需要特别关注传感器的信号。监督检查人员核实传感器的信号以及是否进行了定期测试评估，测试评估过程是否满足要求。对传感器的信号强度进行评估时，需要将传感器表面的灰尘清理干净，并使用专用仪器测试传感器信号。如果信号强度不可接受，应在后续过程中更换传感器或采取其他措施，并且在完成处理措施后进行重新验证。

制造厂家按照每个核电厂的实际情况对超声波流量计进行了针对性的设计，需要进行多项基准数据的测量及相关试验，以获取对比数据，在后续运行过程中确认其性能是否发生了变化。必要时，可借助该部分数据核实超声波流量计的可用性，保障机组的安全经济运行。

3.3 小幅功率提升的审评和监管

使用主给水超声波流量计实施小幅功率提升，首先应向国家核安全局提交申请，在获得核安全监管和审评部门的认可后方可执行。根据美国核管会的审评实践，设备供应商应在实施小幅功率提升之前向核安全监管部门提交系统和设备的专题报告，经过核安全审评认可后，由核安全监管部门审核批准[8]。以Cameron公司超声波流量计的应用为例，申请者于1997年向美国核管会提交关于该测量系统和设备的专题报告，于1999年获得批准[9]。

在测量系统和设备获得批准后，申请者应对研究功率提升进行全面且详细的安全分析论证。2002 年，美国核管会制定了专门针对小幅功率提升项目的审查指导文件[10]，可为我国的相关研究工作提供参考。同时，西班牙等国已完成小幅功率提升的核电厂的实践，其经验也具有一定的参考意义。