超聲波流量計用于核電廠(chǎng)主給水測量的問(wèn)題探討

摘要：核電廠(chǎng)應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(shí)現小幅功率提升，對提高核電廠(chǎng)的經(jīng)濟性具有重要意義。國內核電廠(chǎng)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，對安全監管提出了全新的挑戰。上海自?xún)x公司研究了主給水超聲波流量計在核電廠(chǎng)的應用經(jīng)驗和出現的問(wèn)題，從安全監管的角度，指出了核電廠(chǎng)在使用過(guò)程中應關(guān)注的問(wèn)題，并提出了相應的意見(jiàn)和建議。

主給水流量是核電廠(chǎng)熱平衡計算中的重要參數之一。對給水流量進(jìn)行精確的測量，無(wú)論是對堆芯熱功率的計算還是對核電廠(chǎng)的安全性和經(jīng)濟性，都至關(guān)重要。以往核電廠(chǎng)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(cháng)期使用過(guò)程中，測量精度會(huì )逐漸降低，影響測量結果的準確性。美國核電廠(chǎng)在 1981—1999 年的超功率事件調查中發(fā)現，主給水流量測量誤差過(guò)大是導致核電廠(chǎng)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(mén)、海陽(yáng)等AP1000核電廠(chǎng)采用不同于一般核電廠(chǎng)的方式，在主給水流量測量中同時(shí)使用了超聲波流量計和文丘里管差壓變動(dòng)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A(yíng)P1000核電廠(chǎng)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(guò)程中出現了一些問(wèn)題。國內多家核電廠(chǎng)和設計院正在開(kāi)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(jìn)而小幅提升核電廠(chǎng)熱功率，對我國核安全監管提出了新的要求和挑戰。本文通過(guò)梳理主給水超聲波流量計在應用中出現的問(wèn)題和經(jīng)驗反饋，總結了需要關(guān)注的問(wèn)題，并提出了相應的意見(jiàn)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(chǎng)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(diǎn)，在國外核電廠(chǎng)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(chǎng)的經(jīng)濟效益［2］。

我國 AP1000 核電廠(chǎng)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(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，可以有效提高測量精 度，減小誤差，將測量不確定度控制在±0.3%以 內。

2 主給水超聲波流量計的應用實(shí)踐

通過(guò)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(chǎng)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 10CFR 50 Appendix K 規定，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(lái)的，還必須證明核電廠(chǎng)采用了行之有效的設備和方法［4］。核電廠(chǎng)通過(guò)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管

使用主給水超聲波流量計實(shí)施小幅功率提升，首先應向國家核安全局提交申請，在獲得核安全監管和審評部門(mén)的認可后方可執行。根據美國核管會(huì )的審評實(shí)踐，設備供應商應在實(shí)施小幅功率提升之前向核安全監管部門(mén)提交系統和設備的專(zhuān)題報告，經(jīng)過(guò)核安全審評認可后，由核安全監管部門(mén)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(huì )提交關(guān)于該測量系統和設備的專(zhuān)題報告，于1999年獲得批準。

在測量系統和設備獲得批準后，申請者應對研究功率提升進(jìn)行全面且詳細的安全分析論證。2002 年，美國核管會(huì )制定了專(zhuān)門(mén)針對小幅功率提升項目的審查指導文件，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(chǎng)的實(shí)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(chǎng)給水控制的重要參數，也是反應堆堆芯功率計算的關(guān)鍵參數。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(chǎng)的安全性和經(jīng)濟性提供幫助。

本文通過(guò)梳理超聲波流量計在國內外的應用實(shí)踐和經(jīng)驗反饋，總結了在設計、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)我國核電廠(chǎng)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(diǎn)，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?xún)x公司在安裝、檢查和維護過(guò)程中，應保障系統部件的安裝質(zhì)量，檢查和維護系統的精度，維持系統工作面的清潔度，以確保超聲波流量計的測量精度；

（3） 充分借鑒國外實(shí)踐經(jīng)驗，對小幅功率提升項目進(jìn)行全面且詳細的安全分析，并向核安全監管部門(mén)提交申請，經(jīng)批準后方可實(shí)施。