摘要：核電廠應(yīng)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(xiàn)小幅功率提升，對提高核電廠的經(jīng)濟性具有重要意義。國內(nèi)核電廠只有AP1000正在使用此技術(shù)，缺乏充分的使用實踐和經(jīng)驗，對安全監(jiān)管提出了全新的挑戰(zhàn)。本文研究了主給水超聲波流量計在核電廠的應(yīng)用經(jīng)驗和出現(xiàn)的問題，從安全監(jiān)管的角度，指出了核電廠在使用過程中應(yīng)關(guān)注的問題，并提出了相應(yīng)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(shù)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(jīng)濟性，都至關(guān)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(jié)果的準確性。美國核電廠在 1981—1999 年的超功率事件調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，主給水流量測量誤差過大是導(dǎo)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(yīng)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(jīng)驗尚不充足，且在使用過程中出現(xiàn)了一些問題。國內(nèi)多家核電廠和設(shè)計院正在開展相關(guān)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(jiān)管提出了新的要求和挑戰(zhàn)。本文通過梳理主給水超聲波流量計在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題和經(jīng)驗反饋，總結(jié)了需要關(guān)注的問題，并提出了相應(yīng)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 （LeadingEdge Flow Meter） 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(shù)系列產(chǎn)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(yīng)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(jīng)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(nèi)。各項不確定性的典型數(shù)值如圖4所示。 

 

 

    2 主給水超聲波流量計的應(yīng)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(jīng)濟性是國際核電領(lǐng)域的通用做法。美國聯(lián)邦法規(guī) 10CFR 50 Appendix K 規(guī)定，設(shè)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(shè)備和方法［4］。核電廠通過使用超聲波流量計，能夠?qū)⒔o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(nèi)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(jīng)驗較為缺乏，在安裝、調(diào)試和使用過程中曾多次出現(xiàn)問題，同 時，相應(yīng)的審評和監(jiān)管經(jīng)驗也較少。當前，國內(nèi)多家核電廠和設(shè)計院正在積極開展相關(guān)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(yīng)用需關(guān)注的問題

    鑒于超聲波流量計在AP1000核電廠使用過程中曾經(jīng)多次出現(xiàn)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(jīng)驗反饋，筆者認為，在核電廠進行應(yīng)用時，需要關(guān)注以下幾個方面。 

 

    3. 1 超聲波流量計和差壓式流量計結(jié)合使用

    目前，國內(nèi)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(jié)合的方法，原因是二者各有優(yōu)缺點，對核電廠的安全性和經(jīng)濟性發(fā)揮著不可替代的作用。

 

    進行系統(tǒng)設(shè)計時，不應(yīng)只關(guān)注超聲波流量計的優(yōu)點，還應(yīng)充分認識到其缺點，如電子元件的不穩(wěn)定性，可能會發(fā)生死機，且容易受到周邊部件和電磁信號的干擾，導(dǎo)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(fā)生主給水超聲波流量計故障或報警的情況，導(dǎo)致超聲波流量計的測量結(jié)果不可用，若 12 h 內(nèi)沒有恢復(fù)正常，機組必須降至 99%功率，對機組的經(jīng)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(fā)現(xiàn)配置超聲波流量計后測得的給水溫度偏低，導(dǎo)致100%功率下汽輪機出力不滿足要求，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查后發(fā)現(xiàn)是由于軟件中的相關(guān)配置錯誤導(dǎo)致的，修改后系統(tǒng)恢復(fù)正常，見表1。

 

 

 

    鑒于超聲波流量計存在電子元件特有的不穩(wěn)定性，如果使其參與執(zhí)行控制、保護和聯(lián)鎖等功能，一旦發(fā)生故障，將無法觸發(fā)相關(guān)系統(tǒng)動作，或無法執(zhí)行相關(guān)安全功能，嚴重影響核電廠的安全。因此，在系統(tǒng)設(shè)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(lián)鎖等影響機組安全的相關(guān)功能，只能用于計算反應(yīng)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(fā)生磨損和結(jié)垢，導(dǎo)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(fā)生類似電子元件的死機現(xiàn)象，具有特有的可靠性。因此，在核電廠的系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)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(xiàn)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(guān)控制、保護和聯(lián)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(yōu)缺點，在核電廠的系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮二者的特點，在保障安全性和提高經(jīng)濟性方面發(fā)揮各自的作用。 

 

    3. 2 質(zhì)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12 h 后，機組必須降至 99%熱功率，對電廠的經(jīng)濟性會產(chǎn)生不利影響。超聲波流量計的設(shè)計較為復(fù)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(nèi)應(yīng)用超聲波流量計的核電廠曾發(fā)生電纜敷設(shè)不滿足要求造成超聲波流量計報警、機柜內(nèi)板卡未插緊造成超聲波流量計不可用、鎳質(zhì)線鼻子被銅質(zhì)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(jù)超聲波流量計的設(shè)備特點，監(jiān)督檢查人員應(yīng)在安裝、檢查和維護中重點關(guān)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： 

    （1）超聲波流量計機柜的安裝； 

 

    （2）傳感器和溫度探頭的安裝； 

 

    （3）接線盒的安裝； 

 

    （4） 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(jiān)督檢查人員尤其需要關(guān)注以下4個方面： 

 

    （1） 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(jīng)過標定； 

 

    （4） 檢查人員的資質(zhì)授權(quán)，確定安裝人員都經(jīng)過培訓，并且熟悉設(shè)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(zhì)量會直接影響超聲波流量計的精度，所以，整個安裝過程應(yīng)在受控的狀態(tài)下進行。在安裝過程中，監(jiān)督檢查人員應(yīng)特別注意下列事項： 

 

    （1） 安裝過程中，機柜一直保持水平不傾斜，機柜門處于關(guān)閉狀態(tài)。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(gòu)筑物的距離保持在規(guī)定范圍內(nèi)； 

 

    （2） 傳感器和探頭安裝之前，核實套管已經(jīng)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(nèi)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(shè)，核實非常小的彎曲半徑。檢查其他設(shè)備和電纜的距離，向安裝人員確認不會產(chǎn)生信號干擾。 

 

    （6） 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(jiān)督檢查人員確認試驗是在500VDC的電壓下進行，電阻值在規(guī)定范圍內(nèi)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(jiān)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(wěn)定等特點，監(jiān)督檢查人員對超聲波流量計進行巡檢時，應(yīng)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(jiān)督檢查人員著重關(guān)注設(shè)備的外觀、清潔度和接線，主要有下列內(nèi)容： 

 

    （1） 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(guān)閉情況正常； 

 

    （3）確認設(shè)備墊圈的表面是否有灰塵和污漬； 

 

    （4） 檢查機柜內(nèi)所有電纜的進線端和轉(zhuǎn)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； 

 

    （6）檢查電路板和熔絲是否有損壞； 

 

    （7）確認網(wǎng)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(jiān)督檢查人員應(yīng)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(jiān)督檢查人員主要關(guān)注套管。監(jiān)督檢查人員應(yīng)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(fā)生了腐蝕，如果檢查發(fā)現(xiàn)壁厚變化超過 0.127 mm，應(yīng)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(jiān)督檢查人員應(yīng)關(guān)注傳感器本體、電纜和傳感器信號。

 

    檢查時，監(jiān)督檢查人員應(yīng)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(guān)注傳感器的信號。監(jiān)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(yīng)在后續(xù)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(shè)計，需要進行多項基準數(shù)據(jù)的測量及相關(guān)試驗，以獲取對比數(shù)據(jù)，在后續(xù)運行過程中確認其性能是否發(fā)生了變化。必要時，可借助該部分數(shù)據(jù)核實超聲波流量計的可用性，保障機組的安全經(jīng)濟運行。 

 

    3. 3 小幅功率提升的審評和監(jiān)管

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

 

    在測量系統(tǒng)和設(shè)備獲得批準后，申請者應(yīng)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(dǎo)文件［10］，可為我國的相關(guān)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(jīng)驗也具有一定的參考意義。 

 

    4 總結(jié)

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

 

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

 

    （1） 充分利用超聲波流量計和差壓式流量計的特點，將二者結(jié)合使用，在保障安全性和提高經(jīng)濟性方面發(fā)揮各自的作用； 

 

    （2） 在安裝、檢查和維護過程中，應(yīng)保障系統(tǒng)部件的安裝質(zhì)量，檢查和維護系統(tǒng)的精度，維持系統(tǒng)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(jīng)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(jiān)管部門提交申請，經(jīng)批準后方可實施。