核電站KME系統設計原理

?陳源杉

摘 要：核電站試驗儀表系統（KME）是利用熱平衡計算原理來標定一回路核功率，同時可以用來計算SEC/RRI換熱器換熱性能。KME系統由獨立的試驗儀表以及處理系統組成，可以進行定期試驗。KME系統有專業的誤差計算功能，具有高精度的特點。

本報告介紹了核電站KME系統的組成原理以及功能特點。

關鍵詞：KME;試驗;功率

1 系統功能

1.1 總述

核電站KME系統全稱試驗儀表系統，主要功能是對核電站的基本設備進行周期性的性能試驗。此系統進行溫度、流量和壓力的測量，將這些物理量通過變送器及處理機柜進行轉換，并進行計算，可以在操作站上輸出計算結果，并能完成定期試驗。

核電站KME系統主要執行兩大功能，一是通過計算核電站二回路水和水蒸氣的熱平衡，來校準一回路核功率;二是通過SEC/RRI系統換熱器前后的壓力、流量參數計算換熱器的傳熱性能。

KME系統周期性的執行試驗，其周期性取決于特定的測試。此系統可以再操作員提出請求時執行，也可以在任何時候不改變接線的情況下，執行測試。

1.2 熱平衡計算試驗

由于核電廠一回路堆芯熱功率無法直接測量得到，通常根據一二回路的能量平衡原理，通過二回路功率的測量表征堆芯熱功率的大小。利用實測蒸汽發生器二次側進口給水壓力、溫度、流量，以及主蒸汽壓力、溫度等參數，計算出二回路工質通過蒸汽發生器所產生的焓升，從而得到反應堆一回路傳給二回路的能量，然后再把一回路通過其他設備得到的能量和失去的能量考慮進去，通過能量平衡原理求出反應堆堆芯功率。

KME系統一項最重要的功能是利用熱平衡原理，通過二回路主給水系統及主蒸汽系統相關測量參數，計算出反應堆熱功率，用來標定RPN功率，并為RCP測量和推導的流量系數提供相關計算參數。

電廠KME試驗在調試階段各功率水平下進行，并且在運行期間一般每周進行一次。KME系統主要為技術部、儀表處、堆工中心提供數據支持。

反應堆熱功率WR由熱平衡原理等于回路的焓升和減去外部帶來的熱源：

其中：

1.焓值的計算由給水流量、給水/蒸汽壓力溫度計算;

2.外部的熱源通常包括傳給反應堆冷卻系統的熱功率減去來自反應堆冷卻劑的熱功率;

1.3 換熱器性能計算試驗

此項功能用來計算核電廠設備冷卻水系統/重要廠用水系統熱交換器性能，通過熱交換器的傳熱平衡原理，可以計算熱交換系數，同時算出熱阻：

其中，

P：熱交換功率（kW）

Q：流量（kg/s）

Cpccs：CCS中水的比熱（kJ/kg℃）

Cpsws：SWS中水的比熱（kJ/kg℃）

Te：入口溫度（℃）

Ts：出口溫度（℃）

基于SEC/RRI換熱器回路溫度、流量和壓力計算出的熱阻，從而判斷是否應該清洗熱交換器。

2 系統結構

KME系統由現場傳感器、變送器，采集板卡，處理機柜以及操作站構成。系統整體結構如圖2所示[1]。

KME系統系統應采用抗干擾能力強的設備，使得系統部件故障影響最小。I/O采集板卡采用高精度路路隔離的卡件，以提高系統對于電源波動、電磁干擾、信號源干擾等外部干擾的抵抗能力。KME系統模擬量采集板卡采集精度達到萬分之二。

水物性計算、誤差計算等復雜的計算功能，開發專業的KME數據處理軟件，采取了嚴格的誤差控制與分析算法。采集過程中對數據進行數字濾波，剔除不符合要求的數據，基本消除由前段傳感器采集引入的偶然誤差。

KME系統配備了人機交互站，可以實現現場采集數據的實時顯示、計算、報警、打印等功能，支持手動試驗，也可以開展定期的自動試驗。同時，系統可以基于存儲的歷史數據進行離線計算。

3 測量要求

KME系統的整體精度需達到1%，誤差來源包括現場傳感器誤差、采集誤差、計算誤差等各個環節。在設備選型時除了對采集板卡精度作出要求外，還應對現場傳感器的精度進行要求。

系統所采集的信號主要包括主給水的壓力、溫度、流量，主蒸汽壓力、溫度、RPN核功率，主變電功率，凝汽器真空度，排污流量，重要廠用水/設備冷卻水換熱器溫度、壓力、流量以及大氣壓力等。

現場傳感器/變送器的精度一般選用要求見下表：

其中對于KME系統計算精度影響最大的是主給水流量測量的誤差[2]。目前成熟的壓水堆核電站KME主給水流量測量一般采用差壓原理，通過節流裝置產生的壓差間接地計算出流量。節流裝置中，孔板的高精度及可拆卸性滿足KME系統測量的要求，因此通常選用閥式測量孔板作為KME主給水測量元件。

4 誤差分析

誤差計算應考慮計算的所有環節，從傳感器和變送器到數據處理服務器，熱平衡計算的誤差包括隨機誤差和系統誤差。

隨機誤差包括溫度、壓力、差壓測量中傳感器及變送器引起的誤差;飽和蒸汽焓以及飽和水焓的誤差來自壓力測量的誤差，以及計算水和蒸汽熱力性質的ASME公式誤差;流量測量的誤差來自節流元件以及差壓變送器的誤差，其中節流元件導致的誤差與孔板和管道尺寸的不確定度有關。

系統誤差包括人為誤差以及儀器誤差。人為誤差通常可以忽略，儀器誤差主要由流量測量引起，包括由孔板上下游直管段引起的不確定度以及使用過程中的腐蝕、磨損帶來的誤差等。

5 總結

核電站KME系統是電廠最精確的功率測量方法，通過熱平衡原理推導出一回路核功率的精確數據，為電廠運行調度提供重要的參考，同時能夠實時監視SEC/RRI系統換熱器的運行狀況，是電廠保持良好運行的重要手段。

參考文件：

[1] 宋曉娜，徐昌榮，陳瑞峰. 廣東嶺澳核電站KME系統介紹 [J]. 技術縱橫. 2002（06）.

[2] 王旭，張赫男，等. 核電站給水流量測量與小幅功率提升研究[J].中國核科學技術進展報告（第二卷），2011.10.

作者簡介：

陳源杉（1992.06-）男，湖北省恩施市，學士學位，工程師，中廣核研究院有限公司，儀控工程師.