核電廠熱式質量流量開關商品級物項適用性確認技術研究

符 江，胡喜慶，韓洪寶，劉勝智，練 鍇（蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518002）

圖1 典型熱式質量測量開關結構設計圖Fig.1 Structure design diagram of typical thermal mass measurement switch

圖2 分體式多探頭熱式流量開關結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of split multi-probe thermal flow switch structure

0 引言

美國電力研究會最早建立CGD（CGD－Commercial Grade Dedication，商品級物項適用性確認）在安全相關領域運用導則NP-5652，已在美國核電業界廣泛采用，美國核管會經過評估，也基本認可該導則。商品級物項適用性確認具有經濟便捷、針對性強、可靠性高的特點，尤為適用于電氣儀控設備、大宗材料等安全級物項的采購。根據美國核管會NRC相關法規的規定，商品級物項適用性確認也有禁區，不可以應用于核燃料組件、控制棒組件以及壓力邊界組件[1,2]。

在國內，沒有成熟的商品級物項適用性確認相關的法規和導則，不可以繞開HAF601以及HAF604的取證要求，亦不適用于國家核安全局民用核安全監管設備清單中涉及的設備或工序。所以，目前在國內可開展商品級物項適用性確認的對象，主要是針對不屬于國家核安全局民用核安全監管設備范圍，但又設計為安全級的物項。

國內外尚無成熟的安全級分體式多探頭熱式質量流量開關，現有的機械式壓差流量開關存在故障頻繁及定值不準的問題，目前沒有較好的可供替代選擇的滿足K3級質量鑒定等級的安全功能要求的流量開關。為了解決上述問題，本研究所選取的研究對象為商品級分體式多探頭熱式質量流量開關，采取CGD的方法體系，通過一系列的鑒定試驗驗證，實現了滿足安全功能要求的多探頭熱式質量流量開關零的突破。

1 熱式質量流量開關工作原理

熱式質量流量開關基于金氏定律，選擇恒定溫差法原理方案設計，計算原理如式（1）所示，典型熱式質量測量開關結構設計圖如圖1所示。

式（1）中：

K1、K2、K3——設計和校準參數。

△T——溫差（T2-T1），K。

P——輸入加熱功率，W。

qm——質量流量，kg/s。

其中，K1、K2取決于傳感器的尺寸和氣體特性，如熱導率、粘度和比熱容。K3與雷諾數有關[3]。

熱式質量流量開關的測量組件含有兩個標準級的RTD，一個測量介質溫度，一個測量介質流速。流速RTD經功率可調的電橋加熱，儀表工作時，測溫RTD不間斷地測量介質溫度T1；流速RTD自加熱到高于介質的溫度T2。溫度差ΔT=T2-T1，T2＞ T1，當有流體流過時，由于氣體分子碰撞流速RTD并帶走熱量，使T2下降，若要使ΔT保持不變，就要提高流速RTD的供電電流。氣體流動速度越快，帶走的熱量越多，氣體流速和增加的熱量存在固定的函數關系，通過計算控制模塊，將測量的實際流速值和設定值進行比較，并將比較結果以開關量的形式輸出。由于熱式質量流量開關的結構特點，其用于測量空氣流量有非常好的穩定性和可靠性，可選擇作為CGD的商品級對象。

2 關鍵特性參數分析

本文研究內容為蘇州熱工研究院有限公司2019-2020年度院級科研專項資助項目，目的在于通過熱式質量流量開關CGD鑒定驗證過程，證明CGD的方法體系是成熟的，可實現商品級物項的安全級轉化。本文研究內容主要探討CGD中的檢驗與驗證部分[4,5]。

本文選擇的商品級熱式質量流量開關為分體式多探頭熱式質量流量開關，由信號處理組件、測量組件和電纜組成。分體式多探頭熱式流量開關結構示意圖如圖2所示。

表1 熱式質量流量開關的特性參數Table 1 Characteristic parameters of thermal mass flow switch

表2 鑒定試驗項目及順序表Table 2 Identify test items and sequence table

信號處理組件，主要由以下幾部分構成：

①機箱；② 24V開關電源；③接線端子；④電源板；⑤流量測量主控板；⑥信號處理驅動板。

信號測量組件，主要由以下幾部分構成：

① 鎧裝熱敏元件；② 插入式探桿管段；③ 探桿式接線盒。

信號處理組件和測量組件通過電纜相連。

根據CGD的方法體系，需對選擇的商品級熱式質量流量開關進行關鍵特性參數分析，其目的在于確定原流量開關所在環境下應具備哪些關鍵特性參數以符合安全功能要求。根據確定的參數信息，初步判斷選擇的商品級熱式質量流量開關具備能夠符合安全功能要求的能力，熱式質量流量開關的特性參數見表1。

上述熱式質量流量開關特性參數確定可滿足基本功能需求，下一步工作將開展環境條件甄別和鑒定試驗類型選擇及程序制定。

3 鑒定環境條件

根據現有流量開關安裝環境，判斷環境條件為和緩環境，如下：

①溫度范圍：+15℃～+35℃；②相對濕度：35%RH～75%RH；③輻 照 條 件：＜0.010msv/h；④大 氣 壓 力：86kPa～106kPa；⑤附近設施：電機、風機。

上述環境條件被定義為后續一系列鑒定試驗的基準環境，在進行各項鑒定試驗之前，設備應在上述條件下放置24h。如沒有特殊說明，這些條件也是鑒定試驗樣機恢復和預處理的條件。

4 鑒定試驗項目及順序

參考《NB/T 20344-2015核電廠安全級電子設備鑒定規程》《GB12727－2017核電廠安全級電氣設備鑒定》《EJT1197-2007核電廠安全級電氣設備質量鑒定試驗方法與環境條件》《HAF J0053-1995核電設備抗震鑒定試驗指南》等規范的相關要求以及設備鑒定經驗反饋，對商品級熱式質量流量開關鑒定試驗項目及順序制定見表2[6-9]。

根據《IEEE323-2003 核電站1E級設備鑒定標準》4.1章節“Qualification objective”所述，對于安裝在和緩環境（IEEE 323-2003中3.14章節定義：“和緩環境為任何時候都不會比電廠正常運行期間，包括預計運行事件期間所出現的明顯嚴酷的環境）中并且沒有顯著老化機理的設備，不要求確定其鑒定壽命，當用試驗方法對安裝在和緩環境中的設備進行地震試驗時，只有當存在顯著老化機理時，才要求進行地震試驗前的預老化”。

在美國電力研究所EPRI NP-3326和EPRI NP-5024報告中，對大量的并排的人工老化（包括熱老化、運行循環老化和輻照老化）和未老化的電氣部件進行了地震臺試驗，試驗表明：對于核電廠所用的許多型式的電氣電子設備來說，老化所產生的劣化不會明顯地影響設備在地震事件期間和之后執行其功能的能力。這一結論已經被美國核管會和IEEE所接受。

此外，IEEE627-1980標準第4.4.1章節Aging中，給出了判定老化機理是否顯著的4條準則：

1）在正常工作環境中，老化機理所導致的失效模式與發生異常或設計基準事件工作條件時產生的失效模式相同。

2）老化機理嚴重地影響設備執行其規格書要求的安全功能。

3）由老化機理導致的退化，不能通過工作期間檢查或監督行為（設備可依照技術規格書執行其功能提供把握的監督行為）來評估。

4）在正常工作環境中，老化機理在設備的設計壽命期間引起設備降級，與設計基準事件引起的設備降級相比，這種降級是明顯的。

如果一種老化機理全部滿足這4條準則時，認為這種老化機理是顯著的。

定期的設備運行檢查和設備自診斷檢查，可以確認裝置在正常環境下執行功能的能力。由于安裝在和緩環境中的電氣設備的老化與地震之間不具有相關性，所以如果通過定期試驗和檢查確認了設備在正常環境條件下運行的能力，也就意味著設備在發生地震事件時執行其功能的能力得到了確認。因此，對于安裝在和緩環境中的這類設備來說，第3條準則通常是不滿足的。

綜上，流量開關運行在和緩環境當中，并且由前面所述得出其不具有顯著老化機理。因此，根據IEEE323-2003標準中的要求，決定取消了流量開關的熱老化試驗。

根據確定的鑒定試驗項目、順序、深度編制鑒定大綱，鑒定大綱通過專家評審，作為后續鑒定試驗的依據。

5 鑒定試驗裕度要求

在實施鑒定試驗時，還應在已有鑒定試驗參數的基礎上考慮一定的裕度，以確保鑒定試驗的保守性。施加裕度的方法有：提高試驗水平，增加試驗持續時間，增加循環次數，提高試驗溫度，增加壓力或上述幾種方法的組合。根據《GB/T 12727核電廠安全級電氣設備鑒定》第6.3.1.7章節所述，基準事件的鑒定裕度值取值如下：

1）峰值溫度：+8℃。

2）電源電壓：額定值的±10%。

3）頻率：額定值的±5%。

4）地震載荷：+10%設備安裝處的要求加速度。

6 鑒定試驗驗證結果

目前，根據鑒定大綱的要求，已完成全部鑒定試驗項目。當完成所有鑒定試驗后基準功能試驗無異常，充分說明了鑒定試驗結果滿足鑒定試驗的預期要求，該商品級分體式多探頭熱式質量流量開關具備執行與現有安全級、質量鑒定等級為K3的機械式壓差流量開關相同的安全功能。鑒定總結報告已通過專家評審認定，同時也為該多探頭熱式質量流量開關申請專利：《一種核電廠用符合安全功能要求的分體式多探頭流量測量裝置》。

7 結束語

CGD是切實可行的一系列方法和鑒定體系，主要目的是解決核電廠中不屬于核安全局監管設備名錄而又設計為安全級的設備的安全級認定問題，該方法和體系在國外核電廠已有成熟的研究先例和應用先例，但是在國內尚未有明確的技術優勢的單位。其實，CGD不是通用的方法論，是針對現場實際的需求，通過一系列試驗和評定，將商品級設備鑒定為安全級的過程。本文研究內容包括詳細分析商品級分體式多探頭熱式質量流量開關進行安全級轉化的關鍵技術參數分析、鑒定試驗項目及順序制定等內容，鑒定大綱的評審為鑒定試驗提供依據，鑒定總結報告評審確定了鑒定試驗的合理性和合規性。最終，證明該商品級分體式多探頭熱式質量流量開關能夠執行核電廠通風系統中的安全相關功能。本文研究實現了滿足安全功能要求的熱式質量流量開關零的突破。

通過本文研究過程的論證，未來在法規的允許下，提供了核電廠亟需的滿足CGD評定要求的安全級備件供貨的新渠道，可在不降低可靠性的前提下，擴寬采購選擇，降低采購價格，縮短供貨周期，對于一些采購量小、利潤小、又設計成安全級的設備，相比于目前無廠商可供貨的情況有巨大優勢。