主给水超声波流量计在核电的应用研究

王志伟，蒲增浩，张文涛，高本祥

（1.山东核电有限公司，山东 烟台 265116；2.美核电气（济南）股份有限公司，山东 济南 250100）

主给水流量是一项非常重要的参数，其能准确测量出给水流量，此对核电厂的安全与经济性都有密切的联系，以往的核电多使用文丘里管和喷嘴以及孔板等进行测量，而实际的使用发现，随着长时间的使用而导致测量的精度下降。国外相关的超功率事件分析研究表明，主给水流量在实际测量时出现的误差较大是引起超功率最关键的原因。国内为提升测量的准确度，在AP1000核电厂中使用了超声波流量计与文丘里管差压变动器的测量装置，以此来提升计算的准确度，图1 即为主给水流量测量装置示意图。

图1 主给水流量测量装置

由于刚刚使用而导致超声波流量计应用经验低下，所以本文则针对实际使用中存在的问题进行分析，并总结相关的经验，针对问题提出合理的对策和建议。

1 超声波流量计工作原理分析

国产AH-UFM-1182 超声波流量计得到了广泛的使用，其工作原理主要是运用超声波，以此测量于流体中的逆流和顺流实际的传播速度变化的流速。AH-UFM-1182 超声波流量计技术的产品质量高，并且准确度非常高，不易出现故障，在国内的大多数核电厂中得到广泛的使用，此可运用主给水流量测量带来的高精度、安全性来适当的减少一回路控制的相应裕量，进而可以有效的增加实际的效益。国内在核电厂中运用超声波流量计运用了交叉形式的八声道传感器，此项措施可以有效的提高测量时的精准程度，具体原理见图2。

图2 超声波流量计测量原理图

流场于轴向的剖面呈现出不同的分布，当以八声道开展相应的工作时即能增加测量的准确程度，降低误差的出现，并把测量的不确定度有效控制±0.3%之下。

2 主给水超声波流量计的应用分析

在当前核电的国际领域范围内，通常是采取提升给水流量测量的精度，进而减少热功率在计算过程中的不确定度，由此最终提升核电厂的经济性。例如，使用核电技术较为先进的美国，其联邦法则明确规定了设计人员针对失水事故进行原因分析时可使用＜2%的功率不确定性，但使用的前提则需要证明不确定性是因为计算与测量时产生的误差导致的，还需要证明核电厂使用的设备及方法是有效的。运用超声波流量计可以将实际测量的水流测量值不确定性从原先的2%有效减少到0.3%左右，由此高效地减少了热功率进行计算时的不确定性，此能提高功率至101.7%。而在美国针对核电功率进行相应提升功率的工程中证明了，139 个功率提升项目中有52 个为小幅功率提升，并且功率有效地提升0.4 ～1.7%。

在我国使用的主给水超声波流量计的核电厂非常少，因此在实际的使用中没有充足的经验，而且在安装和调试方面也出现了一些问题，而目前国内的核电建设中，均在积极针对主给水超声波流量计进行分析和研究，进而提升测量的精度，提高堆芯的功率。

3 主给水超声波流量计使用中需要关注的问题分析

（1）超声波与差压式流量计（文丘里）的联合应用。当前所使用的超声波与差压式的流量计联合模式主要是因为两者各有优点和缺点，此对于核电安全具有重要的作用，并且可以促进经济性的提高。在对系统进行设计过程中不能只重视超声波流量计带来的优点，更要理解其存在的缺点，例如，电子元件会出现不稳定的状态，还会出现死机的情况，并且受周边其他部件及电磁信号干扰而导致测量的准确度不高等缺点。例如，在国内某核电厂中，其完工的两台机组在半年的正常运行中出现了多次的超声波流量计故障和报警的现象，进而导致测量的结果无法使用，如果在12 小时未能恢复则机组下降到99%功率，此对核电厂的经济性造成非常严重的影响，同时给运维人员工作造成了一定的负担。另外，在1 号机组开展相关的性能试验时，期间发现在使用超声波流量计后所测量的给水温度严重偏低，由此引起了100%功率下的汽轮机出力低下，不符合标准的情况，通过实际的调查分析显示，是因为软件配置的错误而引起，通过调整系统后则完全恢复，如表1 所示。

由于超声波流量计会有不稳定性的存在，所以不能使用于控制和保护及联锁等功能中，如果出现故障，则不能触发系统的相应动作，又或者不能执行安全功能，进而则对核电安全产生非常不利的影响。所以，在设计过程中，不可以把超声波流量计运用在核电控制和保护等功能之中，只可以与国外的使用方法一样，只运用在反应堆热功率的计算，以及标定差压式流量计中。

差压式流量计实际测量的精度要低于超声波流量计，并且在运行时易磨损、结垢，由此则造成测量的精度会越来越低。但差压式流量计也是一个非常重要且不可或缺的部分，其作为机械部件不会出现死机的情况，此是与电子元件最大的区别，可靠性非常高。所以，在核电系统进行设计时，要充分利用此特点，将差压式流量计当作主给水流量的测量备用，当超声波流量计产生故障无法使用时即使用差压式流量计提供流量的测量，由此可以提高核电安全的防御功能。与此同时，运用差压式流量计可靠性来参与控制和保护等功能。所以，两者各自均有自身的特性存在，并且优缺点也不同，国在线在设计中充分重视两者的差异性，进而在确保核电安全和提升经济方面中发挥自身的作用。

（2）质量保证和控制。核电所使用的超声波流量计未参与相关的控制功能，但其出现无法使用12 小时后降低了机组热功率，进而严重影响了核电经济性。由于超声波流量计过于复杂，因此，在实际安装和测试过程中必须确保完全符合标准。比如，在国内某核电厂中，其使用的超声波流量计出现了电缆敷设未达到标准，进而导致超声波流量计出现报警，还有机柜内的板卡未完全插入而导致流量计无法使用等情况。另外，超声波流量计具有高精度的要求，所以对清洁度具有非常严重的标准和要求。依据超声波流量计的特点，在实际安装和检查及维护时，要求监督人员重视以下方面。

①安装。由于对精度方面的要求非常高，所以在安装必须确保整个安装符合标准，并且针对安装对人员、工器具、安装控制等具有非常明确的要求。监督人员在安装前应当重视以下问题，即确认尖锐边缘均磨平，确认所有安装人员均通过相关的培训，确诊安装过程中是否引入了其他材料等。另外，主给水超声波流量计对于时间的计量为纳秒级，所以安装的质量好坏对测量的精度具有非常直接的影响，因此要确保安装处于受控状态。安装时，要确保机柜处于水平，安装到位后，检查机柜底部和基座间距，确保超声波流量计机柜和其他相关物体的距离在标准范围。在安装传感器与探头前确诊套管煤接完成，并经过相关处理。检查电缆敷设符合标准，确诊查其他设备与电缆间距，并向安装人员确认会不会产生信号干扰。安装结束要对超声波流量计开展相关的检测。绝缘检测要求试验处于500VDC 电压下测试，电阻值符合标准则保证探头安装符合标准。另外，超声波流量计对单个电缆长度有明确标准，所以要求检查人员在安装结束后对电缆的长度进行检查，确保符合标准。

②检查和维护。由于制造超声波流量计使用大量的电子元件，所以容易出现老化和不稳定的情况，监督人员在巡检时，要确认日常对超声波流量计开展的相关检查及维护工作是否到位，主要是机柜和计量及传感器等部分的检维工作。针对机柜部分的检查要求监督人员重点查看设备外观和清洁度，以及接线的状态。针对超声波流量计计量与传感器等部分要求确认进行检维工作的频率是否每12 ～16 个月进行一次。针对超声波流量计计量要求监督人员重点查看套管部分，确诊套管是否出现物理的损伤情况，然后再对比将安装前和检查时套管的厚度，确认是否出现腐蚀的情况，当检查时显示壁厚变化高于0.127mm 时，则需要针对超声波流量计性能重新开展相关的评估。针对传感器检查与维护时要求监督人员重点查看传感器的本体和电缆及传感器的信号，检查过程中首先查看传感器与接线端子有无损伤、灰尘、污渍等情况，并检查传感器电缆绝缘性是否符合标准。另外，还要重点关注传感器信号，监督人员一定要核实对传感器信号是否开展了定期的有效测试，以及测试评估的过程是否严格按照标准进行，在对传感器信号进行强度评估过程中，一定要把传感器表面灰尘完全清理干净，再运用专业的仪器设备进行测试，当信号检测的强度不可接受时可在后续更换传感器，并在完成处理后加以验证。

（3）小幅功率提升的审评和监管。根据国外的相关小幅功率提升项目中，其均向相关的问题进行优化方案的审批，通过相应的部门进行论证和审批后才可实施。例如，美国针对小幅功率提升建立了专业的审查指导文件，国内相关部门也可以以此为参考制定符合我国实际的指导文件。

4 结语

在核电厂中，主给水流量是一项非常重要的控制参数，同时还是计算堆芯功率的核心参数，而使用超声波流量计能够增加测量给水流量的准确度，进而有利于反应堆热功率的相关计算，能够有效地增加核电安全性。在上文的研究中总结了相关的经验和需要重视的问题，基于提出以下相关的建议，进而为后续相关的应用提供一些参考的价值：（1）要针对超声波与差压式流量计各自的优点，在设计时合理的结合运用，进而确保两者各自的特点能够发挥出来；（2）针对安装和检查及运维，通过确保安装的质量，并对系统开展有效的检查和维护，进而保障测量时的精准度；（3）可借鉴国外的一些成熟经验运用在核电的小幅功率提升中，但需要经过相关的审批才能进行优化。