核電站主蒸汽流量測量及標(biāo)定的研究

全 勝

（中核檢修有限公司，連云港222000）

蒸汽發(fā)生器作為一回路系統(tǒng)主設(shè)備，主要功能包括：①將一回路冷卻劑的熱量通過傳熱管傳遞給二回路的給水，加熱給水至沸騰，經(jīng)過汽水分離后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組的干飽和蒸汽；②作為一回路壓力邊界，承受一回路壓力，并與一回路其它壓力邊界共同構(gòu)成防止放射性裂變產(chǎn)物逸出的第3道安全屏障；③在預(yù)期運(yùn)行事件、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況以及過渡工況下保證反應(yīng)堆裝置的可靠冷卻。田灣核電站采用的蒸汽發(fā)生器為臥式，其主要優(yōu)點(diǎn)：一是可以避免立式蒸汽發(fā)生器常見的管板位置腐蝕產(chǎn)物的大量沉積；二是液位波動(dòng)較?。蝗莾?chǔ)水量較大。蒸汽發(fā)生器主要組成包括：蒸汽發(fā)生器殼體、換熱表面、一回路冷卻劑集流管、主給水分配裝置、應(yīng)急給水分配裝置、化學(xué)沖洗水分配裝置、水下均汽板、上部蒸汽孔板、液位指示裝置、液位在線監(jiān)測裝置、蒸汽接管、支承裝置、液壓阻尼器和液位波動(dòng)箱。田灣核電站主蒸汽流量設(shè)計(jì)單環(huán)路為1600 t/h，設(shè)計(jì)采用的是德國SKI 公司生產(chǎn)的全插入式DF32型節(jié)流裝置，其優(yōu)點(diǎn)是一次元件節(jié)流損耗在同等測量性能節(jié)流裝置中較小。該裝置廣泛應(yīng)用于大流量飽和蒸汽測量，尤其是在核電機(jī)組中，是高流速、大流量飽和蒸汽流量測量的一次嘗試。機(jī)組動(dòng)態(tài)試驗(yàn)期間，對其工作趨勢的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度進(jìn)行了驗(yàn)證，DF32 型流量計(jì)的準(zhǔn)確度滿足要求。但在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)期間，受機(jī)組負(fù)荷瞬態(tài)變化產(chǎn)生的水錘沖擊和管道本身的振動(dòng)疲勞等影響，該裝置發(fā)生斷裂，影響了蒸汽發(fā)生器液位調(diào)節(jié)。計(jì)算工程標(biāo)定方法正是鑒于DF32 型節(jié)流裝置存在的不足，借鑒其它核電機(jī)組飽和蒸汽流量的測量方法，同時(shí)結(jié)合核電站蒸汽發(fā)生器蒸汽排出接管上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用已有的差壓測點(diǎn)，獲得測量值和物理參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對飽蒸汽流量的測量。

1 背景

高流速、大流量飽和蒸汽流量直接測量方法多采用節(jié)流損耗小的一次裝置，是核電機(jī)組選擇標(biāo)準(zhǔn)測量裝置時(shí)要慎重考慮的。常見的集中測量節(jié)流裝置有標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、文丘里管和皮托管。蒸汽發(fā)生器滿負(fù)荷液位調(diào)節(jié)器是三沖量液位調(diào)節(jié)器，除了液位反饋信號(hào)外，在偏差中還引入了汽水失配率（擾動(dòng)量蒸汽發(fā)生器蒸汽流量與內(nèi)擾量蒸汽發(fā)生器正常給水總流量之差的導(dǎo)數(shù)），以改善控制性能。主蒸汽流量作為蒸汽發(fā)生器滿負(fù)荷液位調(diào)節(jié)器的重要參數(shù)，需要的是能實(shí)時(shí)地反映流出蒸汽發(fā)生器的蒸汽變化量和變化趨勢，作為前饋環(huán)節(jié)作用到調(diào)節(jié)回路中。因此，選擇合適測點(diǎn)，對蒸汽變化響應(yīng)靈敏度和重復(fù)性是首要考慮的性能指標(biāo)。

2 主蒸汽流量測量

2.1 蒸汽排出接管的節(jié)流特性

蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)有10 根DN200 的蒸汽排出接管，上端連接到蒸汽聯(lián)箱，下端連接到蒸汽發(fā)生器上部汽腔，如圖1所示。

圖1 蒸汽排出連接管和測點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of steam discharge connecting pipe and measuring point

測點(diǎn)蒸汽發(fā)生器出口壓力CP006 為差壓變送器，用于測量蒸汽排出接管兩端的壓差，表征蒸汽排出接管汽阻特性，或表征蒸汽發(fā)生器蒸汽流速大小。該測點(diǎn)變送器正壓側(cè)連接上部蒸汽聯(lián)箱，負(fù)壓側(cè)連接蒸汽發(fā)生器上部汽腔。

機(jī)組負(fù)荷變化期間，將該差壓值開方與電功率計(jì)算流量值比，趨勢正確且接近線性關(guān)系。因此，將該測量值開方后，直接經(jīng)過函數(shù)進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換。通過與后續(xù)使用的改進(jìn)型DF50 測量裝置測量結(jié)果對比，在44.4～444.4 kg/s 設(shè)計(jì)量程范圍內(nèi)趨勢和數(shù)值是一致的，因此，可定量確定蒸汽排出接管可以作為非標(biāo)節(jié)流裝置使用，經(jīng)工程換算可以代表流量變化趨勢。主蒸汽系統(tǒng)中設(shè)置有大氣釋放閥（BRU-A），安裝在蒸汽發(fā)生器的蒸汽集管上，作用是在機(jī)組甩負(fù)荷或者發(fā)生全廠斷電時(shí)，將蒸汽排放到大氣中，防止蒸汽發(fā)生器超壓而導(dǎo)致安全閥動(dòng)作，或是在偏離正常運(yùn)行工況或事故工況下，將蒸汽排放到大氣中，導(dǎo)出反應(yīng)堆余熱，冷卻反應(yīng)堆裝置[1]。原設(shè)計(jì)DF32 測量安裝位置在大氣釋放閥（BRU-A）后面管段，當(dāng)BRU-A 動(dòng)作產(chǎn)生的流量損失對液位的擾動(dòng)無法通過蒸汽流量引入前饋，因此，擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差只能通過積分環(huán)節(jié)來消除。由CP006 測點(diǎn)計(jì)算的主蒸汽流量作為蒸汽發(fā)生器液位前饋?zhàn)饔?，提高了機(jī)組特殊工況下，如BRU-A 動(dòng)作時(shí)蒸發(fā)器的液位調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2.2 差壓與流量計(jì)算

考慮變送器全程工作，蒸汽排出接管差壓δp 設(shè)定為-0.06～0.1 MPa，上、下取壓口距離產(chǎn)生的附加壓力ph。根據(jù)差壓和流量的開方關(guān)系和工程標(biāo)定擬合函數(shù)f（δpi），計(jì)算得出質(zhì)量流量f 為

式中：ph為額定參數(shù)下為常數(shù)50，單位kPa；f 為質(zhì)量流量，或稱作計(jì)算流量，單位kg/s；δpi為對應(yīng)任意功率平臺(tái)的接管差壓根方值。

2.3 工程標(biāo)定

工程標(biāo)定是基于進(jìn)出蒸汽發(fā)生器介質(zhì)質(zhì)量平衡原則，選擇25%，50%，75%，90%，100%功率平臺(tái)下的汽水平衡值，得出流量與差壓（f∝δpi）的對應(yīng)關(guān)系特征點(diǎn)[2]。涉及的直接參數(shù)包括蒸汽發(fā)生器的進(jìn)水流量flab、定期排污流量fper、連續(xù)排污流量fcon和排出接管差壓δp。擬合函數(shù)選點(diǎn)計(jì)算公式為

式中：fi為25%，50%，75%，90%，100%功率平臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)算擬合特征點(diǎn)。對應(yīng)任意功率平臺(tái)，實(shí)時(shí)質(zhì)量流量f=fi。

在這4 個(gè)環(huán)路蒸汽發(fā)生器額定參數(shù)和不同功率平臺(tái)下，蒸汽排出接管差壓開根方與流量對照關(guān)系f∝δpi對照見表1。不同環(huán)路蒸汽排出接管結(jié)構(gòu)不同，對應(yīng)數(shù)據(jù)略有差別。

表1 蒸汽排出接管差壓開根方與流量對照關(guān)系Tab.1 Comparative relationship between differential pressure opening square of steam discharge receiver and flow rate

從表1中可以推算出，相同流量蒸汽在蒸汽排出接管處產(chǎn)生的壓降不同，是非標(biāo)節(jié)流件的典型特征。標(biāo)定選擇增加了許多特征點(diǎn)，使計(jì)算曲線更平滑，相對提高了全程擬合準(zhǔn)確度。

3 誤差分析評價(jià)

工程標(biāo)定流量誤差主要來自參與標(biāo)定計(jì)算的幾個(gè)變量通道誤差，即給水流量、蒸汽發(fā)生器排污流量、蒸汽排出接管差壓和機(jī)組負(fù)荷。另外，函數(shù)擬合計(jì)算誤差在飽和介質(zhì)密度變化不大的情況下，可以忽略不計(jì)。

3.1 驗(yàn)收準(zhǔn)則

設(shè)計(jì)孔板測量誤差δ1不超過2%，測量通道（含sensor）誤差δ2不超過0.5%，則換算流量最大誤差δ 為

對應(yīng)測量裝置對流量變化量的響應(yīng)值應(yīng)不超過δ×fi。計(jì)算流量f 和對應(yīng)特征點(diǎn)fi之間的偏差，δi≤δ，δi=f-fi。

3.2 計(jì)算公式誤差

不同工況下蒸汽發(fā)生器內(nèi)部密度變化引發(fā)的ph變化量小于0.01%，且蒸汽流量測量要求表征的是流量變化趨勢、變化率和前饋調(diào)節(jié)作用，所以ph設(shè)定為常數(shù)，未采用溫度修正，產(chǎn)生的誤差可以忽略不計(jì)。

3.3 測量信號(hào)誤差

參與計(jì)算比對的信號(hào)包括100%電功率對應(yīng)408.3 kg/s 給定值，為機(jī)組設(shè)計(jì)值，含不確定誤差，示為真值。進(jìn)水流量flab、定期排污流量fper、連續(xù)排污流量fcon、排出接管差壓δp 和機(jī)組負(fù)荷是確定的通道誤差。實(shí)際計(jì)算擬合結(jié)果中已經(jīng)包含上述誤差[3]。

3.4 實(shí)際偏差

從機(jī)組暖機(jī)、沖轉(zhuǎn)到滿功率，δp 的變化范圍為100.0 kPa。幾個(gè)穩(wěn)定功率平臺(tái)下，計(jì)算流量與負(fù)荷測算流量的偏差<δ。對應(yīng)25%，50%，75%，90%，100%各功率平臺(tái)附近、穩(wěn)定工況下的實(shí)際偏差見表2。

表2 幾個(gè)功率平臺(tái)下流量值與計(jì)算值之間的偏差Tab.2 Deviations between flow rate values and calculated values of several power platforms

3.5 實(shí)際測量響應(yīng)靈敏度

通過儀控工程師站動(dòng)態(tài)測算，蒸汽排出接管可以檢測到0.1 kg/s 的變化量，直接作用于蒸發(fā)器液位調(diào)節(jié)器的前饋環(huán)節(jié)。受AP 向OM 發(fā)送長期歸檔數(shù)據(jù)delta 值的設(shè)定限制，歷史趨勢查詢?yōu)椴怀^3 kg/s的響應(yīng)靈敏度。

4 對蒸汽發(fā)生器液位調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響

通過機(jī)組動(dòng)態(tài)試驗(yàn)期間的分析對比，由δp 計(jì)算流量與原設(shè)計(jì)DF32 型流量計(jì)和后續(xù)使用的DF50 相比，對蒸汽發(fā)生器液位調(diào)節(jié)作用略有改進(jìn)。其動(dòng)態(tài)效果如圖2和圖3所示。

圖2 接管差壓測量蒸汽發(fā)生器液位調(diào)節(jié)前饋?zhàn)饔泌厔軫ig.2 Feed forward action trend of steam generator level adjustment measured by nozzle differential pressure

圖2和圖3分別給出兩種節(jié)流裝置在機(jī)組負(fù)荷瞬態(tài)變化時(shí)，蒸汽流量值對液位調(diào)節(jié)器的作用趨勢。經(jīng)50%至滿功率階段的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，如孤島運(yùn)行、關(guān)主汽門試驗(yàn)以及后備盤誤操作停堆試驗(yàn)等，蒸汽發(fā)生器液位調(diào)節(jié)前饋?zhàn)饔梅浅Ｃ黠@，沒有引起單向超差，完全滿足調(diào)節(jié)需求。

圖3 流量計(jì)元件測量蒸汽發(fā)生器液位調(diào)節(jié)前饋?zhàn)饔泌厔軫ig.3 Feed forward action trend of steam generator level regulation measured by flowmeter element

5 結(jié)語

蒸汽流量還送到環(huán)境自動(dòng)輻射監(jiān)測系統(tǒng)（ARMS），作為一回路向二回路泄漏量計(jì)算的輔助量，即在二回路活度顯性增加的情況下，參與計(jì)算泄漏率。因此，不斷提高擬合曲線與實(shí)際值曲線的逼近程度是后續(xù)需要完善的工作。利用蒸汽發(fā)生器上部設(shè)備本身的節(jié)流特性，經(jīng)實(shí)際標(biāo)定，獲得較理想的流量參數(shù)值，減少了管道新增測量元件的節(jié)流損耗和斷裂產(chǎn)生的異物風(fēng)險(xiǎn)，是一種很好的工程解決方案。