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，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(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 1981—1999 年的超功率事件調查中發(fā)現(xiàn)，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。

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(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(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用中出現(xiàn)的問題和經(jīng)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。

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。

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)濟性是國際核電領域的通用做法。美國聯(lián)邦法規(guī) 10CFR 50 Appendix K 規(guī)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%。

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，設備供應商應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用為例，申請者于 1997年向美國核管會提交關于該測量系統(tǒng)和設備的專題報告，于1999年獲得批準。

在測量系統(tǒng)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，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(jīng)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(shù)，也是反應堆堆芯功率計算的關鍵參數(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)外的應用實踐和經(jīng)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(jiān)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：

（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） 上海自儀公司在安裝、檢查和維護過程中，應保障系統(tǒng)部件的安裝質量，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。