AP1000三門項目二回路主給水流量測量分析

摘要：文章介紹了AP1000三門項目二回路主給水系統中所采用的流量測量方法及裝置，并與其他電廠常見流量測量方法進行對比，說明該測量方式的優越性。同時，針對其高精度的特點，提出了其用途的擴展，使其可用于支持小幅提升機組功率，增加機組效益。

關鍵詞：超聲波；文丘里管；AP1000；主給水流量

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）15-0040-04

1 概述

核電站二回路主給水系統的主要功能是為蒸汽發生器提供給水，并保持其液位，同時蒸汽發生器可以通過換熱作用，利用反應堆產生的熱量加熱給水并產生蒸汽來推動汽輪發電機發電。給水通過主給水泵和啟動給水泵輸送，流量過大可能導致蒸汽發生器液位過高，從而影響產生的蒸汽品質，蒸汽中水分過高會損壞汽輪機葉片；流量太小可能導致蒸汽發生器液位過低，從而無法充分導出反應堆產生的熱量，在造成功率浪費的同時也可能引起堆芯過熱的危險。當電廠處于穩態運行時，熱功率測量系統需要使用主給水流量信號來精確測量一回路系統總的熱功率。另外，主給水流量還用于其他一些關聯的試驗項目。因而對二回路給水流量的準確測量就顯得非常重要。

為了更加精確地測量二回路給水的流量，AP1000三門項目采用了不同于一般電站的測量方法，使用多種流量測量裝置相結合的方法，特別是引入了一套高精度的超聲波流量測量裝置，使測量結果更具代表性和參考價值。這套測量裝置的整體測量優勢明顯，但并沒有得到充分利用，本文針對其高精度特點，對其用途進行擴展分析，使其適用于支持小幅提升機組功率，提高利用率。

2 AP1000三門項目二回路主給水流量測量

2.1 測量方法

二回路主給水的測量采用三種流量測量裝置相結合的方法，其測量回路如圖1所示。在進入蒸汽發生器的兩條主給水管道上，最下游是一套文丘里管流量測量裝置，提供給水流量測量的基礎數據，信號用于調節主給水控制閥和啟動給水控制閥，也用于總的熱功率計算。中間是一個多孔的節流孔板，主要用于減小紊流，提高下游文丘里管流量計的測量精度，不做信號出。上游是一套超聲波流量測量裝置，精度比較高，主要用于校準下游的文丘里管流量計，并提供給水的壓力和溫度數據，但不用于控制連鎖。

2.2 文丘里管流量測量裝置

文丘里管是一種節流件，如圖2所示，流體經過節流件產生差壓，利用差壓和流速的關系測出流量，這就是差壓式流量計的基本原理。

充滿管道的流體，當它流經管道內的節流件時，流速將在節流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節流件前后便產生了壓差。流體流量越大，產生的壓差就越大，這樣就可以依據壓差來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續性方程和伯努利方程為

基礎：

式中：

qm和qv——質量流量和體積流量

C——流出系數

ε——可膨脹性系數

d——節流件開孔直徑

β——直徑比d/D

D——管道內徑

ρ1——被測流體密度

?ρ——差壓

差壓變送器通過引壓管線和文丘里管裝配在一起配套使用，把差壓通過計算轉化為對應的流量數據，提供給DCS系統用于顯示和控制。三門項目在每個文丘里管上配備了三個窄量程和三個寬量程的差壓變送器，完成主給水流量控制以維持蒸汽發生器液位。

2.3 節流孔板

文丘里管流量計上游裝有一個多孔的節流孔板，安裝在主給水管道的截面上，該節流孔板不用于流量測量，沒有配備對應的差壓變送器，主要是想利用多孔節流孔板相對于單孔節流孔板具有減小紊流的特點，用于改善流體質量，以提高其下游文丘里管流量計的測量精度。

多孔節流孔板每個孔的尺寸和分布都是基于特殊的公式和測試數據而定制的，稱為函數孔。當流體穿過圓盤的函數孔時，流體將被平衡整流，減少了渦流的形成和紊流摩擦，降低了動能的損失，形成近似理想流體，從而還可以大大降低死區的形成，并保證臟污介質順利通過多個孔，減少了流體孔被堵塞的機會，其最小直管段也只需要0.5D（管道直徑）左右。如圖3所示，我們可以清楚地看出多孔節流孔板相對于單孔節流孔板對流體的改善作用。

2.4 超聲波流量測量裝置

超聲波在流動的流體中傳播時可以載上流體流速的信息，因此我們通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。AP1000三門項目主給水流量測量應用了西屋LEFM技術超聲波流量計，采用傳播速度差法，通過測量順逆流傳播的時間差法來計算流體流量。其中LEFM（Leading Edge Flow Meter，Leading Edge）是一種信號檢測的方式，即所謂的上升沿觸發，當檢測器檢測到信號波形發生突增時，認為信號到達。LEFM技術超聲波流量計通常也叫“前沿流量計”，其發源就是三門項目核島設計方美國西屋公司，驗證精度可高達0.3%。

三門項目采用的LEFM超聲波流量計在傳感器部分，采用了交叉的八聲道設計，聲道與管道成45°角，如圖4所示，這樣可以提高測量精度。另外在超聲波流量計的直管段上，還配有一個壓力變送器以及一個四線制的RTD（熱電阻），用作流體流量計算的補償。其中壓力變送器用于流體介質密度和流量的計算，無報警和控制功能，在主控室有顯示；RTD用于流體介質的密度、熱焓及流量的計算，無報警和控制功能，在主控室有顯示。另外，一臺專用的超聲波流量計機柜，用于接收和處理就地側超聲波流量計測得的數據，包括傳播時間間隔、介質壓力及溫度等，計算得到主控室顯示所需要的流量、溫度、壓力及故障診斷等信號。

這里以單聲道為例，來說明超聲波流量計的流量計算原理，如圖5所示：

假設流向為從左到右，即A→B，那么就有：

式中：

Tup——聲波由B→A的傳播時間

Tdown——聲波由A→B的傳播時間

L——AB之間斜線距離

C——聲波在介質中的傳播速度

V——介質的流速

θ——AB斜線與水平管道之間的夾角

于是我們可以計算出介質的平均流速V：

由公式我們可以看出，依照這種方法測得的介質流速與聲波在介質中的傳播速度沒有關系，因此不受介質的溫度、密度和化學成分等的影響。同時，八支聲道同時工作，再通過積分算法，更加提高了測量精度。

最終介質的質量流量或體積流量由流速、密度以及管道截面積計算得到，而且介質密度是一個由溫度和壓力補償計算得到的在線實時值。

式中：

qm和qv——質量流量和體積流量

n——聲道數

S——兩聲道之間的過水斷面面積

3 與常規主給水流量測量方法對比

3.1 常規主給水流量測量方法

目前國內核電站對于主給水流量的測量大都是采用單純的差壓測量方法，即采用流量孔板加配寬窄量程差壓變送器的方法。孔板式流量計是目前應用最廣泛的流量計，結構簡單牢固，性能穩定，使用壽命較長，測量精度一般在2%左右。

3.2 兩種測量方法的區別和分析

AP1000三門項目所采用主給水流量測量方法比常規核電要復雜，但測量信號的基礎還是差壓式流量計，只是精度和可靠性更高。這種方法的優勢體現在：

3.2.1 以文丘里管流量計保證測量的穩定可靠性。文丘里管流量計具有孔板流量計結構牢固、性能穩定和使用壽命長的優點。同時文丘里管的節流部位無銳緣，不存在積污條件，能量損失小，壓頭損失約為測得壓頭的10%。法國的Grave lines和國內的嶺澳、大亞灣等核電，就曾出現過由于孔板結垢引起孔板幾何尺寸變化導致主給水流量測量不準確的問題。

3.2.2 多孔節流孔板的采用，更加提高了文丘里流量計的測量精度。如果能完全按照ASME標準精確制造，文丘里管流量計測量精度可以達到0.5%，但是國產文丘里管由于其制造技術問題，精度很難保證。三門項目采用的進口文丘里管流量計精度為1%，而多孔節流孔板對流體品質的改善，又可以有效地保證該精度。

3.2.3 高精度交叉式超聲波流量計用于校準文丘里流量計。超聲波流量計相對于文丘里管和孔板流量計，精度要高，直管段要求低，還可做非接觸式測量，無流動阻擾，無壓力損失。

另外孔板在運行期間受到安裝質量、迎面角的磨損、迎面光潔度的變化、孔板變形、孔板結垢、測量管道結垢等因素影響，可能會出現孔板流量測量的誤差隨著使用時間的增長而增大，導致主給水流量測不準的情況出現。同樣對于文丘里管，流體對喉管的長期沖刷，致使其磨損嚴重，無法保證長期的測量精度。從而影響到反應堆熱功率的準確性。同時這些因素是在孔板和文丘里管運行期間無法估計并監測到的。而不同于孔板和文丘里管類的機械式流量計，超聲波流量計作為電子技術流量計，除了可以獲得高精度的流量數據以外，還可以實現實時的自診斷和狀態檢測，有利于及時發現問題。

4 超聲波流量測量裝置用于小幅提升功率

4.1 超聲波流量計利用率低問題

由上述可知，目前AP1000三門項目的主給水流量測量方式，較傳統的孔板測量方式在性能上有明顯優勢，但是成本較高。該方式主體還是運用文丘里管流量計測量得到的數據，只有這些數據用于相關的連鎖控制、實驗和計算等；而更高精度的超聲波流量計數據，只限于主控室的顯示和診斷報警功能，用于人為地核對校準文丘里管流量計數據，以便及時發現文丘里管流量計出現的問題，并未參與到實際的運行控制中。這樣就造成了高精度數據利用率的浪費。

4.2 主給水流量信號用于計算一回路總熱功率

根據核電的設計要求，當電廠處于穩態運行時，熱功率測量系統使用主給水流量信號來精確測量一回路系統總的熱功率：

式中：

QSG——蒸汽發生器熱功率，三門項目單臺機組有2臺蒸汽發生器

Gf——主給水流量

Gd——排污流量

hs——蒸汽發生器出口蒸汽比焓

hf——主給水比焓

hd——排污比焓

hs=hg-x（hg-hw）

式中：

hg——蒸汽發生器飽和蒸汽比焓

x——蒸汽發生器出口蒸汽濕度

hw——蒸汽發生器飽和水比焓

4.3 高精度數據用于提升功率可行性分析

根據核安全標準，考慮到儀表有制造誤差，故鑒于儀表的這種不確定性，為了保證反應堆的安全裕量，核電執照許可的熱功率水平必須留有2%的裕度，這個余量用來在汽輪發電機上設計一個更高的額定容量，保證堆芯安全。這樣反應堆的實際出力最大可達102%的額定值，由于超聲波流量計0.3%的精度相對于常規核電孔板流量計2%的精度，主給水流量測量精度提高了1.7個百分點，即不超過反應堆實際出力的101.7%，就能滿足反應堆安全裕度，這就為功率提升創造了必要的條件，如圖6所示：

目前主要是考慮到超聲波流量計對主給水流量的測量在國內沒有實際的運行經驗，故AP1000三門項目雖然采用了該裝置，但并沒有讓其參與到實際的運行控制中。通過后續的設計改造，并不難實現其參與實際的電廠控制

計算。

4.4 性價比分析

相對于常規流量測量儀表2%的不確定度，這種交叉式的超聲波流量計相對提高了1.7個百分點，根據熱功率計算，若是認為提高的熱功率轉換成對應的電功率，粗略估算，保守估計提升1.5個百分點。

根據三門項目單臺機組1250MW的額定功率，再按照7000h的年利用小時數，可以得出單臺機組年增加發電量為：1.5×1250WM×7000h=131250MWh。

上網電價按照0.4元/kWh計算，即400元/MWh，可以得出單臺機組年增收益額為：1312580MWh×400元/MWh=5250萬元。

進口交叉超聲波流量計成本比較高，預估為3000萬元。另外，超聲波流量計還需要維護費用，主要包括每個大修周期（18個月）4萬元的數據分析費用，探頭壽命3個換料周期，每次更換費為20萬元。平均每個大修周期的維護費用為：4萬元+20萬元/3=10.7萬元。

從上我們可以看出，在一個換料周期內就可以收回采購成本，每年的增益額還是很可觀的。

美國核電站目前普遍采用“交叉超聲波流量測量”技術來進行主給水流量的測量，來消除運行期間主給水流量測不準的問題，保證與之相關聯的其他試驗的準確性，既能確保核安全，又能充分發揮機組出力能力，是小幅提升機組功率的一種有效的途徑，對提高電站的經濟效益有明顯的作用。

5 結語

由于二回路主給水流量測量的準確性直接關系到核電運行的安全和機組總的熱功率計算，AP1000三門項目采用了更加先進、穩定和準確的測量方法和設備來保證主給水流量數據的測量，本文詳細闡述了其不同于常規核電的測量方法及設備構成，并對比分析其優缺點，提出功能擴展。分析表明，三門項目在主給水流量測量上具有更高的穩定性和精確度，并為機組小幅提升功率創造了條件，能夠明顯提高電站的經濟效益，性價比較高，可為國內核電站二回路主給水流量測量的設計提供一定的參考。

參考文獻

[1] 顧軍，等.AP1000核電廠系統與設備[M].北京：原子能出版社，2010：209-223.

[2] 孫淮清，王建中.流量測量節流裝置設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2005.

[3] 梁國偉，蔡武昌.流量測量技術及儀表[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4] 顧斌，等.三門項目12機組最終安全分析報告[R].上海核工院，2012.

作者簡介：郝曉鋒（1985—），男，浙江寧波人，中核集團三門核電有限公司助理工程師，研究方向：儀表核

控制。

（責任編輯：黃銀芳）