超聲波流量計用于核電廠主給水測量的問題探討

　　【導讀】：摘要：核電廠應用超聲波流量計可以提高主給水流量的測量精度，進而實現小幅功率提升，對提高核電廠的經濟性具有重要意義。國內核電廠只有AP1000正在使用此技術，缺乏充分的使用實踐和經驗，對安全監管提出了全新的挑戰。本文研究了主給水超聲波流量計在核電廠的應用經驗和出現的問題，從安全監管的角度，指出了核電廠在使用過程中應關注的問題，并提出了相應的意見和建議。......

　　摘要：核電廠應用超聲波流量計可以提高主給水流量的測量精度，進而實現小幅功率提升，對提高核電廠的經濟性具有重要意義。國內核電廠只有AP1000正在使用此技術，缺乏充分的使用實踐和經驗，對安全監管提出了全新的挑戰。本文研究了主給水超聲波流量計在核電廠的應用經驗和出現的問題，從安全監管的角度，指出了核電廠在使用過程中應關注的問題，并提出了相應的意見和建議。　　主給水流量是核電廠熱平衡計算中的重要參數之一。對給水流量進行精確的測量，無論是對堆芯熱功率的計算還是對核電廠的安全性和經濟性，都至關重要。以往核電廠大多采用文丘里管、噴嘴和孔板等差壓式流量測量裝置，實踐表明，在長期使用過程中，測量精度會逐漸降低，影響測量結果的準確性。美國核電廠在19811999年的超功率事件調查中發現，主給水流量測量誤差過大是導致核電廠超功率的主要原因之一（如圖1所示）。

　　為了進行更加精確的測量，我國三門、海陽等AP1000核電廠采用不同于一般核電廠的方式，在主給水流量測量中同時使用了超聲波流量計和文丘里管差壓變動器兩種測量裝置，從而提高反應堆熱功率的計算精度，如圖2所示。由于AP1000核電廠剛剛投入運行，超聲波流量計的使用經驗尚不充足，且在使用過程中出現了一些問題。國內多家核電廠和設計院正在開展相關研究，擬在M310、CPR1000、CP1000等核電機組安裝主給水超聲波流量計，以提高主給水流量的測量精度，進而小幅提升核電廠熱功率，對我國核安全監管提出了新的要求和挑戰。本文通過梳理主給水超聲波流量計在應用中出現的問題和經驗反饋，總結了需要關注的問題，并提出了相應的意見和建議。

　　1超聲波流量計工作原理

　　美國Cameron公司制造的LEFM（LeadingEdgeFlowMeter）超聲波流量計在核電廠主給水測量中普遍被采用，其原理是利用超聲波在流體中逆流傳播與順流傳播的速度變化測量流體流速［1］。LEFM技術系列產品具有精度高、可靠性強、故障率低等特點，在國外核電廠的應用中，可以利用主給水流量測量的高精度安全、可靠地適度降低一回路控制裕量，從而提高核電廠的經濟效益［2］。

　　我國AP1000核電廠使用的LEFM超聲波流量計采用交叉的八聲道傳感器，能夠大幅度提高測量精度，其原理如圖3所示［3］。

　　由于流場在各個軸向剖面上的分布是不均勻的，采用八聲道同時工作，可以有效提高測量精度，減小誤差，將測量不確定度控制在0.3%以內。各項不確定性的典型數值如圖4所示。

　　2主給水超聲波流量計的應用實踐

　　通過提高給水流量的測量精度降低熱功率計算的不確定度，進而提高核電廠的經濟性是國際核電領域的通用做法。美國聯邦法規10CFR50AppendixK規定，設計者可以在失水事故分析中采用低于2%的功率不確定性，但必須證明上述不確定性是由計算和測量誤差帶來的，還必須證明核電廠采用了行之有效的設備和方法［4］。核電廠通過使用超聲波流量計，能夠將給水流量測量值的不確定性由2%降至0.3%，從而降低熱功率計算的不確定性，非常終可以將功率提升到101.7%［5］，如圖5所示。

　　截至2014年1月，美國核管會批準了139個核電廠功率提升項目，其中，52個是小幅功率提升項目，核電廠功率提高了0.4%～1.7%［6］。國內大陸核電廠只有4臺AP1000機組使用了主給水超聲波流量計，使用經驗較為缺乏，在安裝、調試和使用過程中曾多次出現問題，同時，相應的審評和監管經驗也較少。當前，國內多家核電廠和設計院正在積極開展相關研究，擬在M310、CRP1000、CP1000以及華龍一號等核電廠安裝使用主給水超聲波流量計，以提高主給水流量的測量精度，進而小幅提升堆芯功率。

　　3主給水超聲波流量計在核電廠應用需關注的問題鑒于超聲波流量計在AP1000核電廠使用過程中曾經多次出現缺陷和異常，通過梳理各類問題以及在問題處理過程中的經驗反饋，筆者認為，在核電廠進行應用時，需要關注以下幾個方面。

　　3.1超聲波流量計和差壓式流量計結合使用

　　目前，國內外核電廠普遍采用超聲波流量計和差壓式流量計（文丘里）相結合的方法，原因是二者各有優缺點，對核電廠的安全性和經濟性發揮著不可替代的作用。

　　進行系統設計時，不應只關注超聲波流量計的優點，還應充分認識到其缺點，如電子元件的不穩定性，可能會發生死機，且容易受到周邊部件和電磁信號的干擾，導致測量不準確等。以三門核電廠為例，自一期工程的兩臺機組運行以來，在不到半年的時間里，已多次發生主給水超聲波流量計故障或報警的情況，導致超聲波流量計的測量結果不可用，若12h內沒有恢復正常，機組必須降至99%功率，對機組的經濟性帶來不利影響，也給運行人員和維修人員帶來了一定的負擔。例如，三門核電廠1號機組在某性能試驗期間，發現配置超聲波流量計后測得的給水溫度偏低，導致100%功率下汽輪機出力不滿足要求，經現場調查后發現是由于軟件中的相關配置錯誤導致的，修改后系統恢復正常，見表1。

　　鑒于超聲波流量計存在電子元件特有的不穩定性，如果使其參與執行控制、保護和聯鎖等功能，一旦發生故障，將無法觸發相關系統動作，或無法執行相關安全功能，嚴重影響核電廠的安全。因此，在系統設計時，不能將超聲波流量計用于參與核電廠的控制、保護和聯鎖等影響機組安全的相關功能，只能用于計算反應堆熱功率和標定差壓式流量計（文丘里）這也是國外使用超聲波流量計的核電廠的一致做法。

　　差壓式流量計與超聲波流量計相比，測量精度較低，且在運行過程中容易發生磨損和結垢，導致精度越來越低。但是，差壓式流量計是核電廠不可或缺的部件。因為作為機械部件，差壓式流量計不會發生類似電子元件的死機現象，具有特有的可靠性。因此，在核電廠的系統設計中，應充分利用差壓式流量計的特性，將其作為主給水流量測量的備用，在超聲波流量計出現故障不可用時，為核電廠提供有效的流量測量值，加強縱深防御功能［7］。同時，利用差壓式流量計的可靠性，將其作為參與相關控制、保護和聯鎖動作的重要部件。因此，超聲波流量計和差壓式流量計由于其自身特性，各有優缺點，在核電廠的系統設計中，應充分考慮二者的特點，在保障安全性和提高經濟性方面發揮各自的作用。

　　3.2質量保證和控制

　　在AP1000核電廠中，雖然超聲波流量計不參與控制，但是當超聲波流量計不可用超過12h后，機組必須降至99%熱功率，對電廠的經濟性會產生不利影響。超聲波流量計的設計較為復雜，其可用性需要在安裝、測試等各個過程中進行控制和保證。

　　例如，國內應用超聲波流量計的核電廠曾發生電纜敷設不滿足要求造成超聲波流量計報警、機柜內板卡未插緊造成超聲波流量計不可用、鎳質線鼻子被銅質線鼻子替換造成超聲波流量計頻繁報警等多種問題。此外，鑒于超聲波流量計的高精度，其對清潔度的要求非常高。根據超聲波流量計的設備特點，監督檢查人員應在安裝、檢查和維護中重點關注以下方面。

　　3.2.1安裝

　　鑒于超聲波流量計的高精度要求，其安裝過程需要更加嚴格的把控。超聲波流量計的安裝過程主要包括下列步驟：

　?。?）超聲波流量計機柜的安裝；

　?。?）傳感器和溫度探頭的安裝；

　?。?）接線盒的安裝；

　?。?）電纜的安裝，包含傳感器至接線盒的電纜、壓力變送器至接線盒的電纜、接線盒至機柜的電纜；（5）安裝完成后的檢查和測試。

　　超聲波流量計的安裝對人員的安排、工器具的檢查、安裝過程的控制等方面都有一定的要求。在安裝前，監督檢查人員尤其需要關注以下4個方面：

　?。?）所有尖銳的邊緣都確認被磨平，包括所有螺栓孔的毛刺已被去除；（2）安裝時觀察是否引入了其他物體或材料；（3）檢查所有扳手，確認都經過標定；

　?。?）檢查人員的資質授權，確定安裝人員都經過培訓，并且熟悉設備圖紙和安裝要求。此外，由于主給水超聲波流量計的時間計量為納秒（ns）級，安裝質量會直接影響超聲波流量計的精度，所以，整個安裝過程應在受控的狀態下進行。在安裝過程中，監督檢查人員應特別注意下列事項：

　?。?）安裝過程中，機柜一直保持水平不傾斜，機柜門處于關閉狀態。機柜放置完成后，確認機柜底部和基座的距離，并且核實超聲波流量計機柜與其他機柜、墻或構筑物的距離保持在規定范圍內；（2）傳感器和探頭安裝之前，核實套管已經焊接完成，并且完成了無損檢測和焊接后熱處理；（3）確認安裝人員用內窺鏡檢查了傳感器和探頭表面是否有灰塵或者沾污，并使用專用工具進行了清理；（4）確認安裝人員使用干凈空氣，如壓縮空氣，清理了傳感器和探頭的安裝孔；（5）對于電纜的敷設，核實非常小的彎曲半徑。檢查其他設備和電纜的距離，向安裝人員確認不會產生信號干擾。

　?。?）檢查螺母和螺栓的緊固程度，保證滿足要求。

　　超聲波流量計安裝完成后需要進行測試和檢查。針對絕緣測試，監督檢查人員確認試驗是在500VDC的電壓下進行，電阻值在規定范圍內已保證探頭的安裝滿足要求。另外，超聲波流量計對于單個電纜的長度也有要求，因此，監督檢查人員需要在安裝完成后進行單根電纜長度的核查。

　　3.2.2檢查和維護

　　超聲波流量計的主要部件是電子元件，電子元件具有易老化、不穩定等特點，監督檢查人員對超聲波流量計進行巡檢時，應確認超聲波流量計的日常檢查和維護是否到位，主要包括機柜、計量部分和傳感器部分的檢查和維護。對于機柜部分，監督檢查人員著重關注設備的外觀、清潔度和接線，主要有下列內容：

　?。?）檢查機柜的外表面是否有損壞、積灰的情況；（2）檢查機柜門的開啟/關閉情況正常；

　?。?）確認設備墊圈的表面是否有灰塵和污漬；（4）檢查機柜內所有電纜的進線端和轉折處，確認電纜的絕緣未被破壞，并且檢查電纜連接處的緊固是否滿足要求；（5）檢查所有部件的連接處是否有松動；

　?。?）檢查電路板和熔絲是否有損壞；

　?。?）確認網卡和芯片是否進行了定期更換。對于超聲波流量計的計量部分和傳感器部分的檢查和維護，監督檢查人員應確認檢查維護頻率是否為12～16個月一次。

　　對于超聲波流量計的計量部分，監督檢查人員主要關注套管。監督檢查人員應檢查套管是否有物理損傷，并將安裝前的套管厚度與檢查時的套管厚度進行對比，以確定是否發生了腐蝕，如果檢查發現壁厚變化超過0.127mm，應對超聲波流量計的性能進行重新評估。對于傳感器部分的檢查和維護，監督檢查人員應關注傳感器本體、電纜和傳感器信號。

　　檢查時，監督檢查人員應確認傳感器和接線端子是否有損傷、是否有灰塵和污漬，并確認傳感器電纜的完整性和絕緣性能否滿足要求。除此之外，需要特別關注傳感器的信號。監督檢查人員核實傳感器的信號以及是否進行了定期測試評估，測試評估過程是否滿足要求。對傳感器的信號強度進行評估時，需要將傳感器表面的灰塵清理干凈，并使用專用儀器測試傳感器信號。如果信號強度不可接受，應在后續過程中更換傳感器或采取其他措施，并且在完成處理措施后進行重新驗證。

　　制造廠家按照每個核電廠的實際情況對超聲波流量計進行了針對性的設計，需要進行多項基準數據的測量及相關試驗，以獲取對比數據，在后續運行過程中確認其性能是否發生了變化。必要時，可借助該部分數據核實超聲波流量計的可用性，保障機組的安全經濟運行。

　　3.3小幅功率提升的審評和監管

　　使用主給水超聲波流量計實施小幅功率提升，首先應向國家核安全局提交申請，在獲得核安全監管和審評部門的認可后方可執行。根據美國核管會的審評實踐，設備供應商應在實施小幅功率提升之前向核安全監管部門提交系統和設備的專題報告，經過核安全審評認可后，由核安全監管部門審核批準［8］。以Cameron公司超聲波流量計的應用為例，申請者于1997年向美國核管會提交關于該測量系統和設備的專題報告，于1999年獲得批準［9］。

　　在測量系統和設備獲得批準后，申請者應對研究功率提升進行全面且詳細的安全分析論證。2002年，美國核管會制定了專門針對小幅功率提升項目的審查指導文件［10］，可為我國的相關研究工作提供參考。同時，西班牙等國已完成小幅功率提升的核電廠的實踐，其經驗也具有一定的參考意義。

　　4總結

　　主給水流量不僅是核電廠給水控制的重要參數，也是反應堆堆芯功率計算的關鍵參數。超聲波流量計可以提高給水流量測量的精確度，有利于優化蒸汽發生器液位控制和反應堆熱功率計算，為提高核電廠的安全性和經濟性提供幫助。

　　本文通過梳理超聲波流量計在國內外的應用實踐和經驗反饋，總結了在設計、安裝、檢查和維護、質量保證和質量控制、項目審評和監管等方面需要關注的問題，并提出了以下意見和建議，為將來我國核電廠應用主給水超聲波流量計提供借鑒和參考：

　?。?）充分利用超聲波流量計和差壓式流量計的特點，將二者結合使用，在保障安全性和提高經濟性方面發揮各自的作用；（2）在安裝、檢查和維護過程中，應保障系統部件的安裝質量，檢查和維護系統的精度，維持系統工作面的清潔度，以確保超聲波流量計的測量精度；（3）充分借鑒國外實踐經驗，對小幅功率提升項目進行全面且詳細的安全分析，并向核安全監管部門提交申請，經批準后方可實施。