超聲波流量計用于核電廠主給水測量的問題探討

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(jìn)而實現(xiàn)小幅功率提升，對提高核電廠的經(jīng)濟(jì)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)。上海自儀公司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(jìn)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(jì)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(zhǔn)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。

為了進(jìn)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(yùn)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(jī)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(jìn)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。

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(qiáng)、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(jì)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。

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)。

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(jìn)而提高核電廠的經(jīng)濟(jì)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%。

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(rèn)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(rèn)可后，由核安全監(jiān)管部門審核批準(zhǔn)［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(zhǔn)。

在測量系統(tǒng)和設(shè)備獲得批準(zhǔn)后，申請者應(yīng)對研究功率提升進(jìn)行全面且詳細(xì)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，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(jì)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(hù)、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(jì)性方面發(fā)揮各自的作用；

（2） 上海自儀公司在安裝、檢查和維護(hù)過程中，應(yīng)保障系統(tǒng)部件的安裝質(zhì)量，檢查和維護(hù)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(jìn)行全面且詳細(xì)的安全分析，并向核安全監(jiān)管部門提交申請，經(jīng)批準(zhǔn)后方可實施。