主給水超聲波流量計(jì)在核電的應(yīng)用研究

王志偉，蒲增浩，張文濤，高本祥

（1.山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116；2.美核電氣（濟(jì)南）股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

主給水流量是一項(xiàng)非常重要的參數(shù)，其能準(zhǔn)確測(cè)量出給水流量，此對(duì)核電廠的安全與經(jīng)濟(jì)性都有密切的聯(lián)系，以往的核電多使用文丘里管和噴嘴以及孔板等進(jìn)行測(cè)量，而實(shí)際的使用發(fā)現(xiàn)，隨著長(zhǎng)時(shí)間的使用而導(dǎo)致測(cè)量的精度下降。國(guó)外相關(guān)的超功率事件分析研究表明，主給水流量在實(shí)際測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的誤差較大是引起超功率最關(guān)鍵的原因。國(guó)內(nèi)為提升測(cè)量的準(zhǔn)確度，在AP1000核電廠中使用了超聲波流量計(jì)與文丘里管差壓變動(dòng)器的測(cè)量裝置，以此來(lái)提升計(jì)算的準(zhǔn)確度，圖1 即為主給水流量測(cè)量裝置示意圖。

圖1 主給水流量測(cè)量裝置

由于剛剛使用而導(dǎo)致超聲波流量計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)低下，所以本文則針對(duì)實(shí)際使用中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并總結(jié)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)問(wèn)題提出合理的對(duì)策和建議。

1 超聲波流量計(jì)工作原理分析

國(guó)產(chǎn)AH-UFM-1182 超聲波流量計(jì)得到了廣泛的使用，其工作原理主要是運(yùn)用超聲波，以此測(cè)量于流體中的逆流和順流實(shí)際的傳播速度變化的流速。AH-UFM-1182 超聲波流量計(jì)技術(shù)的產(chǎn)品質(zhì)量高，并且準(zhǔn)確度非常高，不易出現(xiàn)故障，在國(guó)內(nèi)的大多數(shù)核電廠中得到廣泛的使用，此可運(yùn)用主給水流量測(cè)量帶來(lái)的高精度、安全性來(lái)適當(dāng)?shù)臏p少一回路控制的相應(yīng)裕量，進(jìn)而可以有效的增加實(shí)際的效益。國(guó)內(nèi)在核電廠中運(yùn)用超聲波流量計(jì)運(yùn)用了交叉形式的八聲道傳感器，此項(xiàng)措施可以有效的提高測(cè)量時(shí)的精準(zhǔn)程度，具體原理見(jiàn)圖2。

圖2 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理圖

流場(chǎng)于軸向的剖面呈現(xiàn)出不同的分布，當(dāng)以八聲道開(kāi)展相應(yīng)的工作時(shí)即能增加測(cè)量的準(zhǔn)確程度，降低誤差的出現(xiàn)，并把測(cè)量的不確定度有效控制±0.3%之下。

2 主給水超聲波流量計(jì)的應(yīng)用分析

在當(dāng)前核電的國(guó)際領(lǐng)域范圍內(nèi)，通常是采取提升給水流量測(cè)量的精度，進(jìn)而減少熱功率在計(jì)算過(guò)程中的不確定度，由此最終提升核電廠的經(jīng)濟(jì)性。例如，使用核電技術(shù)較為先進(jìn)的美國(guó)，其聯(lián)邦法則明確規(guī)定了設(shè)計(jì)人員針對(duì)失水事故進(jìn)行原因分析時(shí)可使用＜2%的功率不確定性，但使用的前提則需要證明不確定性是因?yàn)橛?jì)算與測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤差導(dǎo)致的，還需要證明核電廠使用的設(shè)備及方法是有效的。運(yùn)用超聲波流量計(jì)可以將實(shí)際測(cè)量的水流測(cè)量值不確定性從原先的2%有效減少到0.3%左右，由此高效地減少了熱功率進(jìn)行計(jì)算時(shí)的不確定性，此能提高功率至101.7%。而在美國(guó)針對(duì)核電功率進(jìn)行相應(yīng)提升功率的工程中證明了，139 個(gè)功率提升項(xiàng)目中有52 個(gè)為小幅功率提升，并且功率有效地提升0.4 ～1.7%。

在我國(guó)使用的主給水超聲波流量計(jì)的核電廠非常少，因此在實(shí)際的使用中沒(méi)有充足的經(jīng)驗(yàn)，而且在安裝和調(diào)試方面也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，而目前國(guó)內(nèi)的核電建設(shè)中，均在積極針對(duì)主給水超聲波流量計(jì)進(jìn)行分析和研究，進(jìn)而提升測(cè)量的精度，提高堆芯的功率。

3 主給水超聲波流量計(jì)使用中需要關(guān)注的問(wèn)題分析

（1）超聲波與差壓式流量計(jì)（文丘里）的聯(lián)合應(yīng)用。當(dāng)前所使用的超聲波與差壓式的流量計(jì)聯(lián)合模式主要是因?yàn)閮烧吒饔袃?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，此對(duì)于核電安全具有重要的作用，并且可以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)性的提高。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中不能只重視超聲波流量計(jì)帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，更要理解其存在的缺點(diǎn)，例如，電子元件會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，還會(huì)出現(xiàn)死機(jī)的情況，并且受周邊其他部件及電磁信號(hào)干擾而導(dǎo)致測(cè)量的準(zhǔn)確度不高等缺點(diǎn)。例如，在國(guó)內(nèi)某核電廠中，其完工的兩臺(tái)機(jī)組在半年的正常運(yùn)行中出現(xiàn)了多次的超聲波流量計(jì)故障和報(bào)警的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果無(wú)法使用，如果在12 小時(shí)未能恢復(fù)則機(jī)組下降到99%功率，此對(duì)核電廠的經(jīng)濟(jì)性造成非常嚴(yán)重的影響，同時(shí)給運(yùn)維人員工作造成了一定的負(fù)擔(dān)。另外，在1 號(hào)機(jī)組開(kāi)展相關(guān)的性能試驗(yàn)時(shí)，期間發(fā)現(xiàn)在使用超聲波流量計(jì)后所測(cè)量的給水溫度嚴(yán)重偏低，由此引起了100%功率下的汽輪機(jī)出力低下，不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況，通過(guò)實(shí)際的調(diào)查分析顯示，是因?yàn)檐浖渲玫腻e(cuò)誤而引起，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)后則完全恢復(fù)，如表1 所示。

由于超聲波流量計(jì)會(huì)有不穩(wěn)定性的存在，所以不能使用于控制和保護(hù)及聯(lián)鎖等功能中，如果出現(xiàn)故障，則不能觸發(fā)系統(tǒng)的相應(yīng)動(dòng)作，又或者不能執(zhí)行安全功能，進(jìn)而則對(duì)核電安全產(chǎn)生非常不利的影響。所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不可以把超聲波流量計(jì)運(yùn)用在核電控制和保護(hù)等功能之中，只可以與國(guó)外的使用方法一樣，只運(yùn)用在反應(yīng)堆熱功率的計(jì)算，以及標(biāo)定差壓式流量計(jì)中。

差壓式流量計(jì)實(shí)際測(cè)量的精度要低于超聲波流量計(jì)，并且在運(yùn)行時(shí)易磨損、結(jié)垢，由此則造成測(cè)量的精度會(huì)越來(lái)越低。但差壓式流量計(jì)也是一個(gè)非常重要且不可或缺的部分，其作為機(jī)械部件不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)的情況，此是與電子元件最大的區(qū)別，可靠性非常高。所以，在核電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分利用此特點(diǎn)，將差壓式流量計(jì)當(dāng)作主給水流量的測(cè)量備用，當(dāng)超聲波流量計(jì)產(chǎn)生故障無(wú)法使用時(shí)即使用差壓式流量計(jì)提供流量的測(cè)量，由此可以提高核電安全的防御功能。與此同時(shí)，運(yùn)用差壓式流量計(jì)可靠性來(lái)參與控制和保護(hù)等功能。所以，兩者各自均有自身的特性存在，并且優(yōu)缺點(diǎn)也不同，國(guó)在線在設(shè)計(jì)中充分重視兩者的差異性，進(jìn)而在確保核電安全和提升經(jīng)濟(jì)方面中發(fā)揮自身的作用。

（2）質(zhì)量保證和控制。核電所使用的超聲波流量計(jì)未參與相關(guān)的控制功能，但其出現(xiàn)無(wú)法使用12 小時(shí)后降低了機(jī)組熱功率，進(jìn)而嚴(yán)重影響了核電經(jīng)濟(jì)性。由于超聲波流量計(jì)過(guò)于復(fù)雜，因此，在實(shí)際安裝和測(cè)試過(guò)程中必須確保完全符合標(biāo)準(zhǔn)。比如，在國(guó)內(nèi)某核電廠中，其使用的超聲波流量計(jì)出現(xiàn)了電纜敷設(shè)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而導(dǎo)致超聲波流量計(jì)出現(xiàn)報(bào)警，還有機(jī)柜內(nèi)的板卡未完全插入而導(dǎo)致流量計(jì)無(wú)法使用等情況。另外，超聲波流量計(jì)具有高精度的要求，所以對(duì)清潔度具有非常嚴(yán)重的標(biāo)準(zhǔn)和要求。依據(jù)超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)，在實(shí)際安裝和檢查及維護(hù)時(shí)，要求監(jiān)督人員重視以下方面。

①安裝。由于對(duì)精度方面的要求非常高，所以在安裝必須確保整個(gè)安裝符合標(biāo)準(zhǔn)，并且針對(duì)安裝對(duì)人員、工器具、安裝控制等具有非常明確的要求。監(jiān)督人員在安裝前應(yīng)當(dāng)重視以下問(wèn)題，即確認(rèn)尖銳邊緣均磨平，確認(rèn)所有安裝人員均通過(guò)相關(guān)的培訓(xùn)，確診安裝過(guò)程中是否引入了其他材料等。另外，主給水超聲波流量計(jì)對(duì)于時(shí)間的計(jì)量為納秒級(jí)，所以安裝的質(zhì)量好壞對(duì)測(cè)量的精度具有非常直接的影響，因此要確保安裝處于受控狀態(tài)。安裝時(shí)，要確保機(jī)柜處于水平，安裝到位后，檢查機(jī)柜底部和基座間距，確保超聲波流量計(jì)機(jī)柜和其他相關(guān)物體的距離在標(biāo)準(zhǔn)范圍。在安裝傳感器與探頭前確診套管煤接完成，并經(jīng)過(guò)相關(guān)處理。檢查電纜敷設(shè)符合標(biāo)準(zhǔn)，確診查其他設(shè)備與電纜間距，并向安裝人員確認(rèn)會(huì)不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾。安裝結(jié)束要對(duì)超聲波流量計(jì)開(kāi)展相關(guān)的檢測(cè)。絕緣檢測(cè)要求試驗(yàn)處于500VDC 電壓下測(cè)試，電阻值符合標(biāo)準(zhǔn)則保證探頭安裝符合標(biāo)準(zhǔn)。另外，超聲波流量計(jì)對(duì)單個(gè)電纜長(zhǎng)度有明確標(biāo)準(zhǔn)，所以要求檢查人員在安裝結(jié)束后對(duì)電纜的長(zhǎng)度進(jìn)行檢查，確保符合標(biāo)準(zhǔn)。

②檢查和維護(hù)。由于制造超聲波流量計(jì)使用大量的電子元件，所以容易出現(xiàn)老化和不穩(wěn)定的情況，監(jiān)督人員在巡檢時(shí)，要確認(rèn)日常對(duì)超聲波流量計(jì)開(kāi)展的相關(guān)檢查及維護(hù)工作是否到位，主要是機(jī)柜和計(jì)量及傳感器等部分的檢維工作。針對(duì)機(jī)柜部分的檢查要求監(jiān)督人員重點(diǎn)查看設(shè)備外觀和清潔度，以及接線的狀態(tài)。針對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量與傳感器等部分要求確認(rèn)進(jìn)行檢維工作的頻率是否每12 ～16 個(gè)月進(jìn)行一次。針對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量要求監(jiān)督人員重點(diǎn)查看套管部分，確診套管是否出現(xiàn)物理的損傷情況，然后再對(duì)比將安裝前和檢查時(shí)套管的厚度，確認(rèn)是否出現(xiàn)腐蝕的情況，當(dāng)檢查時(shí)顯示壁厚變化高于0.127mm 時(shí)，則需要針對(duì)超聲波流量計(jì)性能重新開(kāi)展相關(guān)的評(píng)估。針對(duì)傳感器檢查與維護(hù)時(shí)要求監(jiān)督人員重點(diǎn)查看傳感器的本體和電纜及傳感器的信號(hào)，檢查過(guò)程中首先查看傳感器與接線端子有無(wú)損傷、灰塵、污漬等情況，并檢查傳感器電纜絕緣性是否符合標(biāo)準(zhǔn)。另外，還要重點(diǎn)關(guān)注傳感器信號(hào)，監(jiān)督人員一定要核實(shí)對(duì)傳感器信號(hào)是否開(kāi)展了定期的有效測(cè)試，以及測(cè)試評(píng)估的過(guò)程是否嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，在對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估過(guò)程中，一定要把傳感器表面灰塵完全清理干凈，再運(yùn)用專業(yè)的儀器設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)信號(hào)檢測(cè)的強(qiáng)度不可接受時(shí)可在后續(xù)更換傳感器，并在完成處理后加以驗(yàn)證。

（3）小幅功率提升的審評(píng)和監(jiān)管。根據(jù)國(guó)外的相關(guān)小幅功率提升項(xiàng)目中，其均向相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化方案的審批，通過(guò)相應(yīng)的部門進(jìn)行論證和審批后才可實(shí)施。例如，美國(guó)針對(duì)小幅功率提升建立了專業(yè)的審查指導(dǎo)文件，國(guó)內(nèi)相關(guān)部門也可以以此為參考制定符合我國(guó)實(shí)際的指導(dǎo)文件。

4 結(jié)語(yǔ)

在核電廠中，主給水流量是一項(xiàng)非常重要的控制參數(shù)，同時(shí)還是計(jì)算堆芯功率的核心參數(shù)，而使用超聲波流量計(jì)能夠增加測(cè)量給水流量的準(zhǔn)確度，進(jìn)而有利于反應(yīng)堆熱功率的相關(guān)計(jì)算，能夠有效地增加核電安全性。在上文的研究中總結(jié)了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和需要重視的問(wèn)題，基于提出以下相關(guān)的建議，進(jìn)而為后續(xù)相關(guān)的應(yīng)用提供一些參考的價(jià)值：（1）要針對(duì)超聲波與差壓式流量計(jì)各自的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)合理的結(jié)合運(yùn)用，進(jìn)而確保兩者各自的特點(diǎn)能夠發(fā)揮出來(lái)；（2）針對(duì)安裝和檢查及運(yùn)維，通過(guò)確保安裝的質(zhì)量，并對(duì)系統(tǒng)開(kāi)展有效的檢查和維護(hù)，進(jìn)而保障測(cè)量時(shí)的精準(zhǔn)度；（3）可借鑒國(guó)外的一些成熟經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用在核電的小幅功率提升中，但需要經(jīng)過(guò)相關(guān)的審批才能進(jìn)行優(yōu)化。