超聲波流量計(jì)用于核電廠主給水測(cè)量的問(wèn)題探討

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(cè)量精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小幅功率提升，對(duì)提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。國(guó)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(duì)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(jì)在核電廠的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和出現(xiàn)的問(wèn)題，從安全監(jiān)管的角度，指出了核電廠在使用過(guò)程中應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的意見(jiàn)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(duì)給水流量進(jìn)行精確的測(cè)量，無(wú)論是對(duì)堆芯熱功率的計(jì)算還是對(duì)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(cè)量裝置，實(shí)踐表明，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，測(cè)量精度會(huì)逐漸降低，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。美國(guó)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(cè)量誤差過(guò)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(cè)量，我國(guó)三門(mén)、海陽(yáng)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(cè)量中同時(shí)使用了超聲波流量計(jì)和文丘里管差壓變動(dòng)器兩種測(cè)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(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題。國(guó)內(nèi)多家核電廠和設(shè)計(jì)院正在開(kāi)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(cè)量精度，進(jìn)而小幅提升核電廠熱功率，對(duì)我國(guó)核安全監(jiān)管提出了新的要求和挑戰(zhàn)。本文通過(guò)梳理主給水超聲波流量計(jì)在應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)反饋，總結(jié)了需要關(guān)注的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的意見(jiàn)和建議。

超聲波流量計(jì)工作原理

美國(guó) 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(cè)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(cè)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(guó)外核電廠的應(yīng)用中，可以利用主給水流量測(cè)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(guó) 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(cè)量精度。

由于流場(chǎng)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(cè)量精 度，減小誤差，將測(cè)量不確定度控制在±0.3%以 內(nèi)。

2 主給水超聲波流量計(jì)的應(yīng)用實(shí)踐

通過(guò)提高給水流量的測(cè)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(guó)際核電領(lǐng)域的通用做法。美國(guó)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(cè)量誤差帶來(lái)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(guò)使用超聲波流量計(jì)，能夠?qū)⒔o水流量測(cè)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%。

3 小幅功率提升的審評(píng)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(guó)家核安全局提交申請(qǐng)，在獲得核安全監(jiān)管和審評(píng)部門(mén)的認(rèn)可后方可執(zhí)行。根據(jù)美國(guó)核管會(huì)的審評(píng)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(mén)提交系統(tǒng)和設(shè)備的專題報(bào)告，經(jīng)過(guò)核安全審評(píng)認(rèn)可后，由核安全監(jiān)管部門(mén)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(qǐng)者于 1997年向美國(guó)核管會(huì)提交關(guān)于該測(cè)量系統(tǒng)和設(shè)備的專題報(bào)告，于1999年獲得批準(zhǔn)。

在測(cè)量系統(tǒng)和設(shè)備獲得批準(zhǔn)后，申請(qǐng)者應(yīng)對(duì)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(guó)核管會(huì)制定了專門(mén)針對(duì)小幅功率提升項(xiàng)目的審查指導(dǎo)文件，可為我國(guó)的相關(guān)研究工作提供參考。同時(shí)，西班牙等國(guó)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(cè)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(guò)梳理超聲波流量計(jì)在國(guó)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(píng)和監(jiān)管等方面需要關(guān)注的問(wèn)題，并提出了以下意見(jiàn)和建議，為將來(lái)我國(guó)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） 上海自儀公司在安裝、檢查和維護(hù)過(guò)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(cè)量精度；

（3） 充分借鑒國(guó)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(mén)提交申請(qǐng)，經(jīng)批準(zhǔn)后方可實(shí)施。