摘要：核電廠應(yīng)用超聲波流量計(jì)可以提高主給水流量的測量精度，進(jìn)而實(shí)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(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，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(jì)在核電廠的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(shí)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（如圖1所示）。

 

 

 

    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(shí)使用了超聲波流量計(jì)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(jì)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(jì)的使用經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(jì)，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(jì)在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題和經(jīng)驗(yàn)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(jì)工作原理

    美國 Cameron 公司制造的 LEFM （LeadingEdge Flow Meter） 超聲波流量計(jì)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(diǎn)，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(jì)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(gè)軸向剖面上的分布是不均勻的，采用八聲道同時(shí)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(xiàng)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(jì)的應(yīng)用實(shí)踐

    通過提高給水流量的測量精度降低熱功率計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)，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(jì)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(zhǔn)了139個(gè)核電廠功率提升項(xiàng)目，其中，52個(gè)是小幅功率提升項(xiàng)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(jī)組使用了主給水超聲波流量計(jì)，使用經(jīng)驗(yàn)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(shí)，相應(yīng)的審評和監(jiān)管經(jīng)驗(yàn)也較少。當(dāng)前，國內(nèi)多家核電廠和設(shè)計(jì)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(jì)，以提高主給水流量的測量精度，進(jìn)而小幅提升堆芯功率。

 

    3 主給水超聲波流量計(jì)在核電廠應(yīng)用需關(guān)注的問題

    鑒于超聲波流量計(jì)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(yàn)反饋，筆者認(rèn)為，在核電廠進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，需要關(guān)注以下幾個(gè)方面。 

 

    3. 1 超聲波流量計(jì)和差壓式流量計(jì)結(jié)合使用

    目前，國內(nèi)外核電廠普遍采用超聲波流量計(jì)和差壓式流量計(jì) （文丘里） 相結(jié)合的方法，原因是二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，對核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性發(fā)揮著不可替代的作用。

 

    進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)只關(guān)注超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，還應(yīng)充分認(rèn)識到其缺點(diǎn)，如電子元件的不穩(wěn)定性，可能會發(fā)生死機(jī)，且容易受到周邊部件和電磁信號的干擾，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確等。以三門核電廠為例，自一期工程的兩臺機(jī)組運(yùn)行以來，在不到半年的時(shí)間里，已多次發(fā)生主給水超聲波流量計(jì)故障或報(bào)警的情況，導(dǎo)致超聲波流量計(jì)的測量結(jié)果不可用，若 12 h 內(nèi)沒有恢復(fù)正常，機(jī)組必須降至 99%功率，對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性帶來不利影響，也給運(yùn)行人員和維修人員帶來了一定的負(fù)擔(dān)。例如，三門核電廠1號機(jī)組在某性能試驗(yàn)期間，發(fā)現(xiàn)配置超聲波流量計(jì)后測得的給水溫度偏低，導(dǎo)致100%功率下汽輪機(jī)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(cuò)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(jì)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(hù)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(yán)重影響核電廠的安全。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不能將超聲波流量計(jì)用于參與核電廠的控制、保護(hù)和聯(lián)鎖等影響機(jī)組安全的相關(guān)功能，只能用于計(jì)算反應(yīng)堆熱功率和標(biāo)定差壓式流量計(jì) （文丘里）這也是國外使用超聲波流量計(jì)的核電廠的一致做法。

 

    差壓式流量計(jì)與超聲波流量計(jì)相比，測量精度較低，且在運(yùn)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(jì)是核電廠不可或缺的部件。因?yàn)樽鳛闄C(jī)械部件，差壓式流量計(jì)不會發(fā)生類似電子元件的死機(jī)現(xiàn)象，具有特有的可靠性。因此，在核電廠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分利用差壓式流量計(jì)的特性，將其作為主給水流量測量的備用，在超聲波流量計(jì)出現(xiàn)故障不可用時(shí)，為核電廠提供有效的流量測量值，加強(qiáng)縱深防御功能 ［7］。同 時(shí)，利用差壓式流量計(jì)的可靠性，將其作為參與相關(guān)控制、保護(hù)和聯(lián)鎖動作的重要部件。因此，超聲波流量計(jì)和差壓式流量計(jì)由于其自身特性，各有優(yōu)缺點(diǎn)，在核電廠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮二者的特點(diǎn)，在保障安全性和提高經(jīng)濟(jì)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(jì)不參與控制，但是當(dāng)超聲波流量計(jì)不可用超過12 h 后，機(jī)組必須降至 99%熱功率，對電廠的經(jīng)濟(jì)性會產(chǎn)生不利影響。超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，其可用性需要在安裝、測試等各個(gè)過程中進(jìn)行控制和保證。

 

 

    例如，國內(nèi)應(yīng)用超聲波流量計(jì)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(jì)報(bào)警、機(jī)柜內(nèi)板卡未插緊造成超聲波流量計(jì)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(jì)頻繁報(bào)警等多種問題。此外，鑒于超聲波流量計(jì)的高精度，其對清潔度的要求非常高。根據(jù)超聲波流量計(jì)的設(shè)備特點(diǎn)，監(jiān)督檢查人員應(yīng)在安裝、檢查和維護(hù)中重點(diǎn)關(guān)注以下方面。 

 

    3. 2. 1 安裝

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

    （1）超聲波流量計(jì)機(jī)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(jī)柜的電纜； 

 

    （5）安裝完成后的檢查和測試。

 

    超聲波流量計(jì)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(gè)方面： 

 

    （1） 所有尖銳的邊緣都確認(rèn)被磨平，包括所有螺栓孔的毛刺已被去除； 

 

    （2）安裝時(shí)觀察是否引入了其他物體或材料； 

 

    （3）檢查所有扳手，確認(rèn)都經(jīng)過標(biāo)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(xùn)，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(jì)的時(shí)間計(jì)量為納秒（ns）級，安裝質(zhì)量會直接影響超聲波流量計(jì)的精度，所以，整個(gè)安裝過程應(yīng)在受控的狀態(tài)下進(jìn)行。在安裝過程中，監(jiān)督檢查人員應(yīng)特別注意下列事項(xiàng)： 

 

    （1） 安裝過程中，機(jī)柜一直保持水平不傾斜，機(jī)柜門處于關(guān)閉狀態(tài)。機(jī)柜放置完成后，確認(rèn)機(jī)柜底部和基座的距離，并且核實(shí)超聲波流量計(jì)機(jī)柜與其他機(jī)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(shí)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(rèn)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(jìn)行了清理； 

 

    （4） 確認(rèn)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(shí)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(rèn)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(jì)安裝完成后需要進(jìn)行測試和檢查。針對絕緣測試，監(jiān)督檢查人員確認(rèn)試驗(yàn)是在500VDC的電壓下進(jìn)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(jì)對于單個(gè)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(jìn)行單根電纜長度的核查。 

 

    3. 2. 2 檢查和維護(hù)

    超聲波流量計(jì)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(diǎn)，監(jiān)督檢查人員對超聲波流量計(jì)進(jìn)行巡檢時(shí)，應(yīng)確認(rèn)超聲波流量計(jì)的日常檢查和維護(hù)是否到位，主要包括機(jī)柜、計(jì)量部分和傳感器部分的檢查和維護(hù)。對于機(jī)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(jī)柜的外表面是否有損壞、積灰的情況； 

 

    （2）檢查機(jī)柜門的開啟/關(guān)閉情況正常； 

 

    （3）確認(rèn)設(shè)備墊圈的表面是否有灰塵和污漬； 

 

    （4） 檢查機(jī)柜內(nèi)所有電纜的進(jìn)線端和轉(zhuǎn)折處，確認(rèn)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(rèn)網(wǎng)卡和芯片是否進(jìn)行了定期更換。對于超聲波流量計(jì)的計(jì)量部分和傳感器部分的檢查和維護(hù)，監(jiān)督檢查人員應(yīng)確認(rèn)檢查維護(hù)頻率是否為12～16個(gè)月一次。

 

    對于超聲波流量計(jì)的計(jì)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(shí)的套管厚度進(jìn)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(jì)的性能進(jìn)行重新評估。對于傳感器部分的檢查和維護(hù)，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(shí)，監(jiān)督檢查人員應(yīng)確認(rèn)傳感器和接線端子是否有損傷、是否有灰塵和污漬，并確認(rèn)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(shí)傳感器的信號以及是否進(jìn)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(qiáng)度進(jìn)行評估時(shí)，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(qiáng)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(jìn)行重新驗(yàn)證。

 

    制造廠家按照每個(gè)核電廠的實(shí)際情況對超聲波流量計(jì)進(jìn)行了針對性的設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行多項(xiàng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的測量及相關(guān)試驗(yàn)，以獲取對比數(shù)據(jù)，在后續(xù)運(yùn)行過程中確認(rèn)其性能是否發(fā)生了變化。必要時(shí)，可借助該部分?jǐn)?shù)據(jù)核實(shí)超聲波流量計(jì)的可用性，保障機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(jì)實(shí)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(shí)踐，設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)在實(shí)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(bào)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(jì)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(bào)告，于1999年獲得批準(zhǔn)［9］。

 

    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(xiàng)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(shí)，西班牙等國已完成小幅功率提升的核電廠的實(shí)踐，其經(jīng)驗(yàn)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(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)。超聲波流量計(jì)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(jì)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(jì)在國內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)反饋，總結(jié)了在設(shè)計(jì)、安裝、檢查和維護(hù)、質(zhì)量保證和質(zhì)量控制、項(xiàng)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(jì)提供借鑒和參考： 

 

    （1） 充分利用超聲波流量計(jì)和差壓式流量計(jì)的特點(diǎn)，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） 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(jì)的測量精度； 

 

    （3） 充分借鑒國外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對小幅功率提升項(xiàng)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(shí)施。