核反应堆进行MUR 时流量测量技术讨论

康凯强，王 琪，邱宪苗，谢岱良

（广西防城港核电有限公司，广西防城港 538001）

0 引言

MUR 是Measurement Uncertainty Recapture 的缩写，即测量不确定度再捕获或小幅功率提升技术。它通过提升反应堆功率测量不确定度，进而在原有设计安全范围内提高反应堆功率，由原有的2%提高至0.3%，从而可以在原有设计102%的安全范围内提高反应堆功率至101.7%[1]。

准确的反应堆功率基准可以由二回路热平衡计算得到[2]。在计算过程中，给水流量测量不确定度在总体反应堆功率不确定度中的贡献最大、超过80%。如果能够提高给水流量测量的精度，即可达到“捕获”测量不确定度的目的，提高反应堆功率。

现有的CPR1000 机型主给水流量测量为孔板流量计，原始设计不确定度为2%。AP1000 机型及美国大量完成MUR 后的机组（M312 机型）换装了高精度超声波流量计，设计精度为0.3%。本文将对这两种流量测量技术进行讨论。

1 流量测量技术介绍

1.1 孔板流量测量

孔板流量测量参考ISO 5167—2003（E）或GB/T 2624.2—2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量第2 部分 孔板》执行，采用“孔板阀+孔板片+差压表”测量差压的方式，通过公式计算得到流量，其中流出系数C 由Stolz 公式迭代计算[2-3]。

孔板阀是纯机械结构件，依靠安装在其中的孔板片产生压差，采用D、D/2 取压的方式测量压差计算流量。其有制造方便，价格低廉，维护成本低等优点。但是其同样存在精度相对较低、安装直管段要求长、无法实时自检、长期运行板片磨损影响精度等缺点。

1.2 高精度超声波流量计

超声波流量计测量原理是利用超声波换能器产生超声波并使其在水中传播，当超声波在流动的水中传播时产生“传播速度差”，该速度差与水的流速成正比，超声流量计就是利用了这一原理并因此又被称为速度差法超声流量计。超声波流量计的原理如图1 所示。

图1 超声波流量计测量原理

当流体流过管道时，可列出方程：

以上方程联立求解，即可得出方程中的速度Vz=。

由以上推导过程可知，为保证超声波流量计的准确性，就必须要求对声道长度、角度和传输时间进行精确的测量。这也是超声波流量计制造的难点所在。

以AP1000 机型使用的Cameron 公司制造的LEMF Check plus 型8 声道超声波流量计为例[5-6]，其具有如下特点：①流量计长约1.5 m，直管段要求极低，转运、安装方便；②出厂前参照业主现场管道布置情况进行过全尺寸标定，标称精度0.3%左右、精度高；③有实时自检功能，当测量精度出现偏差时可及时发出报警提醒运行人员；④已经得到了美国NRC（Nuclear Regulatory Commission，核管理委员会）的认可，但有价格昂贵、系统复杂、后期维护保养复杂等缺点。

2 孔板流量测量技术能否进行MUR

目前国内主流的CPR1000 机型及华龙一号机型均使用孔板作为给水流量测量的基准，在进行MUR 时，如果参照美国电厂经验采购安装高精度超声波流量计，则需要支出巨大的采购及安装成本。这时业内引发了一种讨论，能否使用孔板流量计进行MUR，省去采购超声波流量计的费用及安装超声波流量计的难题。下面仅结合自身的研究经验进行讨论。

MUR 的基础思路是：从原有设计的2%的反应堆功率不确定度中，通过提高主给水流量测量精度，重新捕获不确定度，从而在安全范围内提升反应堆功率。即执行MUR 的主给水流量测量技术的论证重点在于，其能否实时、长期、稳定、可靠的保证其精度。

如上文所述，CPR1000 机型使用的孔板流量测量的整体流量误差计算采用如下公式：

2.1 孔板流量测量自身精度

CPR1000 机型蒸汽发生器功率不确定度计算公式如下：

其最终反应堆功率不确定度计算公式如下：

按照目前热功率2%的不确定度，对于给水流量测量的误差容忍度可以到约3.24%，若使用孔板执行MUR，就算热功率提升1%，即热功率按照1%不确定控制，其对给水流量的容忍度上升至1.7%左右。而孔板阀测得的流量精度能否实时且在整个循环内满足1.7%要求，这个结论也不能完全确定，原因如下：

（1）按照ISO 5167—2003（E）或GB/T 2624.2—2006 要求，当β 值在0.74 时，要求上游有44D 的直管段，若不足44D，其要求在流出系数C 的不确定度上再算术附加0.5%。即CPR1000机组满功率时实际给水流量误差应为1.4%左右，满功率反应堆功率误差应为0.8%左右。孔板流量测量是根据ISO 标准的经验公式得到的，而孔板实际测量工况与总结经验公式的试验工况之间仍可能存在些许偏差，孔板片实流标定流量平台也未能包络实际运行工况[3-4]。

（2）按照ISO 5167—2003（E）标准是一个试验标准，其试验、计算前提是孔板上游有足够长的直管段，使得流场充分发展无旋涡或乱流，而实际使用时却无法避免，该问题EDF（法国电力集团）进行过相关试验及讨论[5]。即ISO 就未考虑流场变化，其无法精确监控孔板实际测量的精度。

（3）孔板测量是嵌入系统内部的纯机械机构，无法做到实时检查。EDF 的做法是每个大修循环抽检1 块孔板片进行检查[7]，符合ISO 标准便可继续运行，即对于孔板测量，可以认为若出现精度异常，干预的最短周期就是1C，在一个燃料循环内孔板阀没有实时自检手段，无法自证它的测量精度是恒定的或可以跟踪衡量的。

（4）根据EDF 的研究[6]，如果上游直管段长度达不到ISO 5167—2003（E）标准要求，应该做如下工作：①强烈建议增加附加不确定度；②进行大量的试验进行确认其在不同工况、流场情况下精度可靠。不过国内尚未有厂家做过这种基础性的试验，即没有机构挑战ISO 5167—2003（E）。

2.2 评审体系建立讨论

目前MUR 技术在美国广泛应用，但是在国内并未落地，即国内暂未针对MUR 技术建立完整的评审体系，此时主要参考美国NRC 对于MUR 技术的要求。NRC 对执行MUR 技术的主给水流量测量的要求如下[7]：

（1）得到认可的以主给水流量测量技术为主要内容的报告。

（2）参考NRC 批准的给水流量测量技术。

（3）针对专题报告中的指导方针在电厂实施过程中进行讨论，以及工程师书面赞成主给水流量测量技术专题报告的安全分析。

（4）在实施主给水流量测量技术时的标准的实施情况需报备NRC 工作人员。

（5）计算反应堆功率测量时总的不确定度，同时需明确所有参数各自对总不确定的贡献。

（6）与热功率测量相关的所有仪器仪表的校准与维护程序信息有：①维护与保养；②控制软件和设备硬件；③执行纠正措施；④向制造厂商通报缺陷；⑤接收和处理制造厂商的缺陷报告。

（7）在选择时间的技术基础上，建议的仪器允许停机时间。

（8）如果流量计超出了允许的停机时间，建议采取降低功率水平的措施，这其中应该包含降功率运行技术的讨论。

以上技术要求孔板流量测量技术明显无法达到，目前NRC认可的用于MUR 的给水流量测量技术只有超声波流量测量。即如果选用超声波流量技术进行MUR，则可参考NRC 成熟的评审体系推进，降低体系建立和评审难度。

3 总结与建议

孔板流量计及超声波流量计在工业应用中各有优缺点，但是在核电厂MUR 技术的应用场景下，安审应当更加关注流量测量设备的精度及是否可以实时自检报错功能。

对于孔板流量计能否进行MUR，经分析后认为：可能可以但为论证其可行，仍需要进行大量基础性试验进行验证。所以，在现有技术条件下，国内开展MUR 技术应用时建议如下：

（1）短期首个标杆电厂可以采购已经有成熟应用经验的超声波流量计进行安装及经验收集，以便快速建立MUR 技术评审体系。

（2）长期后续机组可同步开展高精度超声波流量计国产化研究以及对孔板进行相应的基础性试验。