核电站主蒸汽流量测量及标定的研究

全 胜

（中核检修有限公司，连云港222000）

蒸汽发生器作为一回路系统主设备，主要功能包括：①将一回路冷却剂的热量通过传热管传递给二回路的给水，加热给水至沸腾，经过汽水分离后产生驱动汽轮发电机组的干饱和蒸汽；②作为一回路压力边界，承受一回路压力，并与一回路其它压力边界共同构成防止放射性裂变产物逸出的第3道安全屏障；③在预期运行事件、设计基准事故工况以及过渡工况下保证反应堆装置的可靠冷却。田湾核电站采用的蒸汽发生器为卧式，其主要优点：一是可以避免立式蒸汽发生器常见的管板位置腐蚀产物的大量沉积；二是液位波动较小；三是储水量较大。蒸汽发生器主要组成包括：蒸汽发生器壳体、换热表面、一回路冷却剂集流管、主给水分配装置、应急给水分配装置、化学冲洗水分配装置、水下均汽板、上部蒸汽孔板、液位指示装置、液位在线监测装置、蒸汽接管、支承装置、液压阻尼器和液位波动箱。田湾核电站主蒸汽流量设计单环路为1600 t/h，设计采用的是德国SKI 公司生产的全插入式DF32型节流装置，其优点是一次元件节流损耗在同等测量性能节流装置中较小。该装置广泛应用于大流量饱和蒸汽测量，尤其是在核电机组中，是高流速、大流量饱和蒸汽流量测量的一次尝试。机组动态试验期间，对其工作趋势的稳定性、准确度进行了验证，DF32 型流量计的准确度满足要求。但在动态试验期间，受机组负荷瞬态变化产生的水锤冲击和管道本身的振动疲劳等影响，该装置发生断裂，影响了蒸汽发生器液位调节。计算工程标定方法正是鉴于DF32 型节流装置存在的不足，借鉴其它核电机组饱和蒸汽流量的测量方法，同时结合核电站蒸汽发生器蒸汽排出接管上部结构特点，利用已有的差压测点，获得测量值和物理参数的对应关系，实现对饱蒸汽流量的测量。

1 背景

高流速、大流量饱和蒸汽流量直接测量方法多采用节流损耗小的一次装置，是核电机组选择标准测量装置时要慎重考虑的。常见的集中测量节流装置有标准喷嘴、文丘里管和皮托管。蒸汽发生器满负荷液位调节器是三冲量液位调节器，除了液位反馈信号外，在偏差中还引入了汽水失配率（扰动量蒸汽发生器蒸汽流量与内扰量蒸汽发生器正常给水总流量之差的导数），以改善控制性能。主蒸汽流量作为蒸汽发生器满负荷液位调节器的重要参数，需要的是能实时地反映流出蒸汽发生器的蒸汽变化量和变化趋势，作为前馈环节作用到调节回路中。因此，选择合适测点，对蒸汽变化响应灵敏度和重复性是首要考虑的性能指标。

2 主蒸汽流量测量

2.1 蒸汽排出接管的节流特性

蒸汽发生器设计有10 根DN200 的蒸汽排出接管，上端连接到蒸汽联箱，下端连接到蒸汽发生器上部汽腔，如图1所示。

图1 蒸汽排出连接管和测点示意图Fig.1 Schematic diagram of steam discharge connecting pipe and measuring point

测点蒸汽发生器出口压力CP006 为差压变送器，用于测量蒸汽排出接管两端的压差，表征蒸汽排出接管汽阻特性，或表征蒸汽发生器蒸汽流速大小。该测点变送器正压侧连接上部蒸汽联箱，负压侧连接蒸汽发生器上部汽腔。

机组负荷变化期间，将该差压值开方与电功率计算流量值比，趋势正确且接近线性关系。因此，将该测量值开方后，直接经过函数进行单位转换。通过与后续使用的改进型DF50 测量装置测量结果对比，在44.4～444.4 kg/s 设计量程范围内趋势和数值是一致的，因此，可定量确定蒸汽排出接管可以作为非标节流装置使用，经工程换算可以代表流量变化趋势。主蒸汽系统中设置有大气释放阀（BRU-A），安装在蒸汽发生器的蒸汽集管上，作用是在机组甩负荷或者发生全厂断电时，将蒸汽排放到大气中，防止蒸汽发生器超压而导致安全阀动作，或是在偏离正常运行工况或事故工况下，将蒸汽排放到大气中，导出反应堆余热，冷却反应堆装置[1]。原设计DF32 测量安装位置在大气释放阀（BRU-A）后面管段，当BRU-A 动作产生的流量损失对液位的扰动无法通过蒸汽流量引入前馈，因此，扰动产生的偏差只能通过积分环节来消除。由CP006 测点计算的主蒸汽流量作为蒸汽发生器液位前馈作用，提高了机组特殊工况下，如BRU-A 动作时蒸发器的液位调节品质。

2.2 差压与流量计算

考虑变送器全程工作，蒸汽排出接管差压δp 设定为-0.06～0.1 MPa，上、下取压口距离产生的附加压力ph。根据差压和流量的开方关系和工程标定拟合函数f（δpi），计算得出质量流量f 为

式中：ph为额定参数下为常数50，单位kPa；f 为质量流量，或称作计算流量，单位kg/s；δpi为对应任意功率平台的接管差压根方值。

2.3 工程标定

工程标定是基于进出蒸汽发生器介质质量平衡原则，选择25%，50%，75%，90%，100%功率平台下的汽水平衡值，得出流量与差压（f∝δpi）的对应关系特征点[2]。涉及的直接参数包括蒸汽发生器的进水流量flab、定期排污流量fper、连续排污流量fcon和排出接管差压δp。拟合函数选点计算公式为

式中：fi为25%，50%，75%，90%，100%功率平台质量流量计算拟合特征点。对应任意功率平台，实时质量流量f=fi。

在这4 个环路蒸汽发生器额定参数和不同功率平台下，蒸汽排出接管差压开根方与流量对照关系f∝δpi对照见表1。不同环路蒸汽排出接管结构不同，对应数据略有差别。

表1 蒸汽排出接管差压开根方与流量对照关系Tab.1 Comparative relationship between differential pressure opening square of steam discharge receiver and flow rate

从表1中可以推算出，相同流量蒸汽在蒸汽排出接管处产生的压降不同，是非标节流件的典型特征。标定选择增加了许多特征点，使计算曲线更平滑，相对提高了全程拟合准确度。

3 误差分析评价

工程标定流量误差主要来自参与标定计算的几个变量通道误差，即给水流量、蒸汽发生器排污流量、蒸汽排出接管差压和机组负荷。另外，函数拟合计算误差在饱和介质密度变化不大的情况下，可以忽略不计。

3.1 验收准则

设计孔板测量误差δ1不超过2%，测量通道（含sensor）误差δ2不超过0.5%，则换算流量最大误差δ 为

对应测量装置对流量变化量的响应值应不超过δ×fi。计算流量f 和对应特征点fi之间的偏差，δi≤δ，δi=f-fi。

3.2 计算公式误差

不同工况下蒸汽发生器内部密度变化引发的ph变化量小于0.01%，且蒸汽流量测量要求表征的是流量变化趋势、变化率和前馈调节作用，所以ph设定为常数，未采用温度修正，产生的误差可以忽略不计。

3.3 测量信号误差

参与计算比对的信号包括100%电功率对应408.3 kg/s 给定值，为机组设计值，含不确定误差，示为真值。进水流量flab、定期排污流量fper、连续排污流量fcon、排出接管差压δp 和机组负荷是确定的通道误差。实际计算拟合结果中已经包含上述误差[3]。

3.4 实际偏差

从机组暖机、冲转到满功率，δp 的变化范围为100.0 kPa。几个稳定功率平台下，计算流量与负荷测算流量的偏差<δ。对应25%，50%，75%，90%，100%各功率平台附近、稳定工况下的实际偏差见表2。

表2 几个功率平台下流量值与计算值之间的偏差Tab.2 Deviations between flow rate values and calculated values of several power platforms

3.5 实际测量响应灵敏度

通过仪控工程师站动态测算，蒸汽排出接管可以检测到0.1 kg/s 的变化量，直接作用于蒸发器液位调节器的前馈环节。受AP 向OM 发送长期归档数据delta 值的设定限制，历史趋势查询为不超过3 kg/s的响应灵敏度。

4 对蒸汽发生器液位调节品质的影响

通过机组动态试验期间的分析对比，由δp 计算流量与原设计DF32 型流量计和后续使用的DF50 相比，对蒸汽发生器液位调节作用略有改进。其动态效果如图2和图3所示。

图2 接管差压测量蒸汽发生器液位调节前馈作用趋势Fig.2 Feed forward action trend of steam generator level adjustment measured by nozzle differential pressure

图2和图3分别给出两种节流装置在机组负荷瞬态变化时，蒸汽流量值对液位调节器的作用趋势。经50%至满功率阶段的动态试验，如孤岛运行、关主汽门试验以及后备盘误操作停堆试验等，蒸汽发生器液位调节前馈作用非常明显，没有引起单向超差，完全满足调节需求。

图3 流量计元件测量蒸汽发生器液位调节前馈作用趋势Fig.3 Feed forward action trend of steam generator level regulation measured by flowmeter element

5 结语

蒸汽流量还送到环境自动辐射监测系统（ARMS），作为一回路向二回路泄漏量计算的辅助量，即在二回路活度显性增加的情况下，参与计算泄漏率。因此，不断提高拟合曲线与实际值曲线的逼近程度是后续需要完善的工作。利用蒸汽发生器上部设备本身的节流特性，经实际标定，获得较理想的流量参数值，减少了管道新增测量元件的节流损耗和断裂产生的异物风险，是一种很好的工程解决方案。