三門核電站主蒸汽流量測量淺析
2014-06-06 00:05:20王超
中國高新技術企業 2014年7期
摘要：文章簡單介紹了三門核電基于文丘利管束節流的主蒸汽流量直接測量方法，通過分析文丘利管束對于核電站安全的特殊意義，對比常規主蒸汽流量測量方法，闡述了基于文丘利管束測量蒸汽流量的優勢。
關鍵詞：核電站；蒸汽發生器；蒸汽限流器；文丘利
中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）10-0141-03
1 研究背景
蒸汽流量參數對于發電機組而言非常關鍵，對機組的運行狀況、過程控制和性能監測等有著相當重要的作用。對于核電機組，蒸汽發生器是壓水堆核電站一、二回路的樞紐，一回路反應堆冷卻劑與二回路給水在蒸汽發生器中進行熱交換，主蒸汽流量參數還直接影響反應堆堆芯熱量導出，故還需關注其特殊的核安全意義。一般電站的蒸汽流量測量方法主要分為直接測量方法和間接計算測量兩種。直接測量方法是利用節流元件直接獲取蒸汽流量，間接計算測量則是根據弗留格爾公式間接計算得出主蒸汽流量。
三門核電站采用基于文丘利管束的蒸汽限流器作為節流元件的直接測量方法測量主蒸汽流量。本文分析了直接測量法在三門核電主蒸汽流量測量中的實現，以及節流元件對于電站安全的特殊意義。
2 間接法測量主蒸汽流量
采用間接換算法測量主蒸汽流量，其理論依據為汽輪機理論中著名的弗留格爾公式。因為沒有節流元件造成蒸汽的壓力損失，間接法測量主蒸汽流量的顯著優點為減少汽耗，可靠性和穩定性也較高。
基于弗留格爾公式的間接計算測量法，有著明確的條件限制：（1）通流面積不變；（2）機組內各級流量相同；（3）級組內各級前溫度變化率相同；（4）級組內不得串有其他非線性元件。對于條件（1），只要避開調節級，一般容易得到滿足。而對于條件（2），則情況較為復雜。通常回熱式機組各級抽汽量在相當范圍內與機組的進汽量近似成正比，且其量與進汽量相比較小，故間接法測量也能獲得較高的準確性。但對于再熱機組，由于再熱器的存在和對外供汽等因素條件（2）～（4）均不能得到滿足。現在工程應用上，通常采取將高壓缸全體壓力級作為一個級組，引入加熱器運行修正系數、使用改進型弗留格爾公式進行蒸汽流量
測量。
3 直接測量法在三門核電主蒸汽流量測量中的實現
3.1 流量測量的基本原理
3.2 理論模型與功率運行流量計算
三門核電1號機，節流元件為文丘利管束，又稱為蒸汽限流器，布置于蒸發器蒸汽出口管嘴內，如圖1-3所示。中心文丘利管位于蒸汽出口管嘴正中心，其余六個文丘利管環狀分布于中心文丘利管四周，呈正六邊形。蒸汽限流器有兩種工作模式，蒸汽限流工況和非蒸汽限流工況。非蒸汽限流工況下文丘利管束作為蒸汽流量測量系統的節流元件。文丘利管組為幾何對稱布置，根據并聯管路計算原則，可以近似認為通過每個文丘利管的流量相同。下文基于一個文丘利管進行流量計算，計算結果乘以文丘利管數量即為蒸汽管嘴出口蒸汽總
流量。
4 節流元件對電站安全的特殊意義
由上文可知，蒸汽限流器作為節流元件有兩種工作模式，在非蒸汽限流工況下，文丘利管束作為主蒸汽流量測量系統的節流元件，產生靜壓差以直接測量主蒸汽流量。在非蒸汽限流工況下，即在蒸汽管道發生破口事故時，蒸汽發生器限流器則為臨界文丘利，承擔限制蒸汽排放的速率，降低蒸發器從一回路冷卻劑的吸熱速度，留給安全停堆、專設安全設施啟動的裕量，從而避免冷卻劑過冷引入的正反應性使得堆芯熔毀的功能。
4.1 基本原理
假設維持蒸汽限流器入口壓力、溫度的情況下，不斷降低出口壓力時，通過文丘利管的流體質量流量將會逐漸增加。當出口壓力下降達到某一數值時，蒸汽限流器喉部流速達到最大，為當地音速，此時通過限流器的蒸汽流量也達到最大值。此時蒸汽流量為臨界流量，喉部壓力與入口壓力之比為臨界壓力比。進一步降低出口壓力，限流器喉部的蒸汽流速將處于當地聲速不再改變，通過限流器的蒸汽流量也不再隨著出口壓力的降低而變化。這是因為微小壓力波動是以聲速傳播的，當限流器喉部流速達到當地聲速時，出口壓力的波動將傳遞不到限流器喉部。蒸發器出口限流器正是根據文丘利式蒸汽限流器這一特性，來限制蒸汽管線破口的時蒸汽排放速度。
4.2 非蒸汽限流工況下數學模型
5 與其他主蒸汽流量測量方法的對比
5.1 與主蒸汽流量間接測量法相比
顯然，三門核電主蒸汽直接測量法與主蒸汽流量間接方法相比，最突出的優勢在于其節流元件對核電站的特殊安全意義。在主蒸汽管道破口的事故工況下限制蒸汽泄漏速度，限制最大蒸汽排放量，避免因為一回路冷卻劑過冷所引入的正反應性導致偏離泡核沸騰（DNB）。從核安全的角度來講，采用文丘利管束限流功能的安全意義高過于其作為節流元件的功能。這也是不同于大容量火電機組，核電機組大多采用節流裝置測量主蒸汽流量的原因之一。此外，基于弗留格爾公式應用有著嚴格的限制條件，對于再熱機組，間接法測量蒸汽流量并不準確，需要對通流系數進行復雜的修正。且需要進行定期的流量試驗，比較主蒸汽流量與給水流量之間的關系，確定通流面積是否改變。
5.2 與采用孔板作為節流元件相比
雖然臨界孔板也可實現限流的功能，但在非蒸汽限流工況下，蒸汽流經孔板的壓損更高，較高的熱損對機組的熱效益不利。文丘利管束節流元件，還有便于整體鑄造、降低取壓前后直管段要求，減少成本等優勢。
6 結語
文丘利管壓損小，制造維護簡單等特點優于孔板，且其臨界限流特性，對于核安全有著特殊的意義。采用文丘里管束節流元件在事故工況下固有的安全特性，為保證堆芯安全添加了一道屏障，為后續的事故緩解爭取了裕量。這樣的設計也暗合了三代核電機組“非能動”理念。這也是三門核電項目采用基于文丘利管束的蒸汽限流器作為節流元件的直接測量方法測量主蒸汽流量的優勢所在。
參考文獻
[1] 劉世勛，高擁軍.蒸汽發生器用蒸汽限流器的理論分析與設計[R].中國核科技報告.
[2] 楊萍，曹振新，陳德新，張健.主蒸汽流量直接與間接測量方法研究[J].儀器儀表學報，2008，（4）.
[3] 蔡增基，龍天渝.流體力學泵與風機[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.
[4] 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量（GB/T2624-2006）[S].
[5] AP1000SteamGeneratorAnalysis：GENFPerformanceModelCalculations，2001.
[6] AP1000SteamGeneratorUpperShellAssembly，2010.
作者簡介：王超（1988—），男，中核集團三門核電有限公司助理工程師，研究方向：熱工儀表測量。endprint
摘要：文章簡單介紹了三門核電基于文丘利管束節流的主蒸汽流量直接測量方法，通過分析文丘利管束對于核電站安全的特殊意義，對比常規主蒸汽流量測量方法，闡述了基于文丘利管束測量蒸汽流量的優勢。
關鍵詞：核電站；蒸汽發生器；蒸汽限流器；文丘利
中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）10-0141-03
1 研究背景
蒸汽流量參數對于發電機組而言非常關鍵，對機組的運行狀況、過程控制和性能監測等有著相當重要的作用。對于核電機組，蒸汽發生器是壓水堆核電站一、二回路的樞紐，一回路反應堆冷卻劑與二回路給水在蒸汽發生器中進行熱交換，主蒸汽流量參數還直接影響反應堆堆芯熱量導出，故還需關注其特殊的核安全意義。一般電站的蒸汽流量測量方法主要分為直接測量方法和間接計算測量兩種。直接測量方法是利用節流元件直接獲取蒸汽流量，間接計算測量則是根據弗留格爾公式間接計算得出主蒸汽流量。
三門核電站采用基于文丘利管束的蒸汽限流器作為節流元件的直接測量方法測量主蒸汽流量。本文分析了直接測量法在三門核電主蒸汽流量測量中的實現，以及節流元件對于電站安全的特殊意義。
2 間接法測量主蒸汽流量
采用間接換算法測量主蒸汽流量，其理論依據為汽輪機理論中著名的弗留格爾公式。因為沒有節流元件造成蒸汽的壓力損失，間接法測量主蒸汽流量的顯著優點為減少汽耗，可靠性和穩定性也較高。
基于弗留格爾公式的間接計算測量法，有著明確的條件限制：（1）通流面積不變；（2）機組內各級流量相同；（3）級組內各級前溫度變化率相同；（4）級組內不得串有其他非線性元件。對于條件（1），只要避開調節級，一般容易得到滿足。而對于條件（2），則情況較為復雜。通常回熱式機組各級抽汽量在相當范圍內與機組的進汽量近似成正比，且其量與進汽量相比較小，故間接法測量也能獲得較高的準確性。但對于再熱機組，由于再熱器的存在和對外供汽等因素條件（2）～（4）均不能得到滿足。現在工程應用上，通常采取將高壓缸全體壓力級作為一個級組，引入加熱器運行修正系數、使用改進型弗留格爾公式進行蒸汽流量
測量。
3 直接測量法在三門核電主蒸汽流量測量中的實現
3.1 流量測量的基本原理
3.2 理論模型與功率運行流量計算
三門核電1號機，節流元件為文丘利管束，又稱為蒸汽限流器，布置于蒸發器蒸汽出口管嘴內，如圖1-3所示。中心文丘利管位于蒸汽出口管嘴正中心，其余六個文丘利管環狀分布于中心文丘利管四周，呈正六邊形。蒸汽限流器有兩種工作模式，蒸汽限流工況和非蒸汽限流工況。非蒸汽限流工況下文丘利管束作為蒸汽流量測量系統的節流元件。文丘利管組為幾何對稱布置，根據并聯管路計算原則，可以近似認為通過每個文丘利管的流量相同。下文基于一個文丘利管進行流量計算，計算結果乘以文丘利管數量即為蒸汽管嘴出口蒸汽總
流量。
4 節流元件對電站安全的特殊意義
由上文可知，蒸汽限流器作為節流元件有兩種工作模式，在非蒸汽限流工況下，文丘利管束作為主蒸汽流量測量系統的節流元件，產生靜壓差以直接測量主蒸汽流量。在非蒸汽限流工況下，即在蒸汽管道發生破口事故時，蒸汽發生器限流器則為臨界文丘利，承擔限制蒸汽排放的速率，降低蒸發器從一回路冷卻劑的吸熱速度，留給安全停堆、專設安全設施啟動的裕量，從而避免冷卻劑過冷引入的正反應性使得堆芯熔毀的功能。
4.1 基本原理
假設維持蒸汽限流器入口壓力、溫度的情況下，不斷降低出口壓力時，通過文丘利管的流體質量流量將會逐漸增加。當出口壓力下降達到某一數值時，蒸汽限流器喉部流速達到最大，為當地音速，此時通過限流器的蒸汽流量也達到最大值。此時蒸汽流量為臨界流量，喉部壓力與入口壓力之比為臨界壓力比。進一步降低出口壓力，限流器喉部的蒸汽流速將處于當地聲速不再改變，通過限流器的蒸汽流量也不再隨著出口壓力的降低而變化。這是因為微小壓力波動是以聲速傳播的，當限流器喉部流速達到當地聲速時，出口壓力的波動將傳遞不到限流器喉部。蒸發器出口限流器正是根據文丘利式蒸汽限流器這一特性，來限制蒸汽管線破口的時蒸汽排放速度。
4.2 非蒸汽限流工況下數學模型
5 與其他主蒸汽流量測量方法的對比
5.1 與主蒸汽流量間接測量法相比
顯然，三門核電主蒸汽直接測量法與主蒸汽流量間接方法相比，最突出的優勢在于其節流元件對核電站的特殊安全意義。在主蒸汽管道破口的事故工況下限制蒸汽泄漏速度，限制最大蒸汽排放量，避免因為一回路冷卻劑過冷所引入的正反應性導致偏離泡核沸騰（DNB）。從核安全的角度來講，采用文丘利管束限流功能的安全意義高過于其作為節流元件的功能。這也是不同于大容量火電機組，核電機組大多采用節流裝置測量主蒸汽流量的原因之一。此外，基于弗留格爾公式應用有著嚴格的限制條件，對于再熱機組，間接法測量蒸汽流量并不準確，需要對通流系數進行復雜的修正。且需要進行定期的流量試驗，比較主蒸汽流量與給水流量之間的關系，確定通流面積是否改變。
5.2 與采用孔板作為節流元件相比
雖然臨界孔板也可實現限流的功能，但在非蒸汽限流工況下，蒸汽流經孔板的壓損更高，較高的熱損對機組的熱效益不利。文丘利管束節流元件，還有便于整體鑄造、降低取壓前后直管段要求，減少成本等優勢。
6 結語
文丘利管壓損小，制造維護簡單等特點優于孔板，且其臨界限流特性，對于核安全有著特殊的意義。采用文丘里管束節流元件在事故工況下固有的安全特性，為保證堆芯安全添加了一道屏障，為后續的事故緩解爭取了裕量。這樣的設計也暗合了三代核電機組“非能動”理念。這也是三門核電項目采用基于文丘利管束的蒸汽限流器作為節流元件的直接測量方法測量主蒸汽流量的優勢所在。
參考文獻
[1] 劉世勛，高擁軍.蒸汽發生器用蒸汽限流器的理論分析與設計[R].中國核科技報告.
[2] 楊萍，曹振新，陳德新，張健.主蒸汽流量直接與間接測量方法研究[J].儀器儀表學報，2008，（4）.
[3] 蔡增基，龍天渝.流體力學泵與風機[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.
[4] 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量（GB/T2624-2006）[S].
[5] AP1000SteamGeneratorAnalysis：GENFPerformanceModelCalculations，2001.
[6] AP1000SteamGeneratorUpperShellAssembly，2010.
作者簡介：王超（1988—），男，中核集團三門核電有限公司助理工程師，研究方向：熱工儀表測量。endprint
摘要：文章簡單介紹了三門核電基于文丘利管束節流的主蒸汽流量直接測量方法，通過分析文丘利管束對于核電站安全的特殊意義，對比常規主蒸汽流量測量方法，闡述了基于文丘利管束測量蒸汽流量的優勢。
關鍵詞：核電站；蒸汽發生器；蒸汽限流器；文丘利
中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）10-0141-03
1 研究背景
蒸汽流量參數對于發電機組而言非常關鍵，對機組的運行狀況、過程控制和性能監測等有著相當重要的作用。對于核電機組，蒸汽發生器是壓水堆核電站一、二回路的樞紐，一回路反應堆冷卻劑與二回路給水在蒸汽發生器中進行熱交換，主蒸汽流量參數還直接影響反應堆堆芯熱量導出，故還需關注其特殊的核安全意義。一般電站的蒸汽流量測量方法主要分為直接測量方法和間接計算測量兩種。直接測量方法是利用節流元件直接獲取蒸汽流量，間接計算測量則是根據弗留格爾公式間接計算得出主蒸汽流量。
三門核電站采用基于文丘利管束的蒸汽限流器作為節流元件的直接測量方法測量主蒸汽流量。本文分析了直接測量法在三門核電主蒸汽流量測量中的實現，以及節流元件對于電站安全的特殊意義。
2 間接法測量主蒸汽流量
采用間接換算法測量主蒸汽流量，其理論依據為汽輪機理論中著名的弗留格爾公式。因為沒有節流元件造成蒸汽的壓力損失，間接法測量主蒸汽流量的顯著優點為減少汽耗，可靠性和穩定性也較高。
基于弗留格爾公式的間接計算測量法，有著明確的條件限制：（1）通流面積不變；（2）機組內各級流量相同；（3）級組內各級前溫度變化率相同；（4）級組內不得串有其他非線性元件。對于條件（1），只要避開調節級，一般容易得到滿足。而對于條件（2），則情況較為復雜。通常回熱式機組各級抽汽量在相當范圍內與機組的進汽量近似成正比，且其量與進汽量相比較小，故間接法測量也能獲得較高的準確性。但對于再熱機組，由于再熱器的存在和對外供汽等因素條件（2）～（4）均不能得到滿足。現在工程應用上，通常采取將高壓缸全體壓力級作為一個級組，引入加熱器運行修正系數、使用改進型弗留格爾公式進行蒸汽流量
測量。
3 直接測量法在三門核電主蒸汽流量測量中的實現
3.1 流量測量的基本原理
3.2 理論模型與功率運行流量計算
三門核電1號機，節流元件為文丘利管束，又稱為蒸汽限流器，布置于蒸發器蒸汽出口管嘴內，如圖1-3所示。中心文丘利管位于蒸汽出口管嘴正中心，其余六個文丘利管環狀分布于中心文丘利管四周，呈正六邊形。蒸汽限流器有兩種工作模式，蒸汽限流工況和非蒸汽限流工況。非蒸汽限流工況下文丘利管束作為蒸汽流量測量系統的節流元件。文丘利管組為幾何對稱布置，根據并聯管路計算原則，可以近似認為通過每個文丘利管的流量相同。下文基于一個文丘利管進行流量計算，計算結果乘以文丘利管數量即為蒸汽管嘴出口蒸汽總
流量。
4 節流元件對電站安全的特殊意義
由上文可知，蒸汽限流器作為節流元件有兩種工作模式，在非蒸汽限流工況下，文丘利管束作為主蒸汽流量測量系統的節流元件，產生靜壓差以直接測量主蒸汽流量。在非蒸汽限流工況下，即在蒸汽管道發生破口事故時，蒸汽發生器限流器則為臨界文丘利，承擔限制蒸汽排放的速率，降低蒸發器從一回路冷卻劑的吸熱速度，留給安全停堆、專設安全設施啟動的裕量，從而避免冷卻劑過冷引入的正反應性使得堆芯熔毀的功能。
4.1 基本原理
假設維持蒸汽限流器入口壓力、溫度的情況下，不斷降低出口壓力時，通過文丘利管的流體質量流量將會逐漸增加。當出口壓力下降達到某一數值時，蒸汽限流器喉部流速達到最大，為當地音速，此時通過限流器的蒸汽流量也達到最大值。此時蒸汽流量為臨界流量，喉部壓力與入口壓力之比為臨界壓力比。進一步降低出口壓力，限流器喉部的蒸汽流速將處于當地聲速不再改變，通過限流器的蒸汽流量也不再隨著出口壓力的降低而變化。這是因為微小壓力波動是以聲速傳播的，當限流器喉部流速達到當地聲速時，出口壓力的波動將傳遞不到限流器喉部。蒸發器出口限流器正是根據文丘利式蒸汽限流器這一特性，來限制蒸汽管線破口的時蒸汽排放速度。
4.2 非蒸汽限流工況下數學模型
5 與其他主蒸汽流量測量方法的對比
5.1 與主蒸汽流量間接測量法相比
顯然，三門核電主蒸汽直接測量法與主蒸汽流量間接方法相比，最突出的優勢在于其節流元件對核電站的特殊安全意義。在主蒸汽管道破口的事故工況下限制蒸汽泄漏速度，限制最大蒸汽排放量，避免因為一回路冷卻劑過冷所引入的正反應性導致偏離泡核沸騰（DNB）。從核安全的角度來講，采用文丘利管束限流功能的安全意義高過于其作為節流元件的功能。這也是不同于大容量火電機組，核電機組大多采用節流裝置測量主蒸汽流量的原因之一。此外，基于弗留格爾公式應用有著嚴格的限制條件，對于再熱機組，間接法測量蒸汽流量并不準確，需要對通流系數進行復雜的修正。且需要進行定期的流量試驗，比較主蒸汽流量與給水流量之間的關系，確定通流面積是否改變。
5.2 與采用孔板作為節流元件相比
雖然臨界孔板也可實現限流的功能，但在非蒸汽限流工況下，蒸汽流經孔板的壓損更高，較高的熱損對機組的熱效益不利。文丘利管束節流元件，還有便于整體鑄造、降低取壓前后直管段要求，減少成本等優勢。
6 結語
文丘利管壓損小，制造維護簡單等特點優于孔板，且其臨界限流特性，對于核安全有著特殊的意義。采用文丘里管束節流元件在事故工況下固有的安全特性，為保證堆芯安全添加了一道屏障，為后續的事故緩解爭取了裕量。這樣的設計也暗合了三代核電機組“非能動”理念。這也是三門核電項目采用基于文丘利管束的蒸汽限流器作為節流元件的直接測量方法測量主蒸汽流量的優勢所在。
參考文獻
[1] 劉世勛，高擁軍.蒸汽發生器用蒸汽限流器的理論分析與設計[R].中國核科技報告.
[2] 楊萍，曹振新，陳德新，張健.主蒸汽流量直接與間接測量方法研究[J].儀器儀表學報，2008，（4）.
[3] 蔡增基，龍天渝.流體力學泵與風機[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.
[4] 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量（GB/T2624-2006）[S].
[5] AP1000SteamGeneratorAnalysis：GENFPerformanceModelCalculations，2001.
[6] AP1000SteamGeneratorUpperShellAssembly，2010.
作者簡介：王超（1988—），男，中核集團三門核電有限公司助理工程師，研究方向：熱工儀表測量。endprint
