核電站一回路冷卻劑流量變送器校準(zhǔn)方案研究

尤兵，劉仁朋，李曉振 （福建福清核電有限公司，福建 福清 350300）

核電站一回路冷卻劑流量變送器校準(zhǔn)方案研究

尤兵，劉仁朋，李曉振 （福建福清核電有限公司，福建 福清 350300）

電容式差壓變送器在高靜壓下會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量偏差，針對(duì)福清1號(hào)機(jī)組調(diào)試執(zhí)行TP1RCP59反應(yīng)堆冷卻劑流量驗(yàn)證試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱TP1RCP59）時(shí)未考慮靜壓影響的算法，從反應(yīng)堆冷卻劑流量測(cè)量原理入手，對(duì)一回路流量測(cè)量的方法進(jìn)行了分析研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，分析出TP1RCP59試驗(yàn)中變送器重新標(biāo)定量程選擇的正確性，提出了對(duì)今后維修期間更換變送器備件后重新標(biāo)定量程的方法，并對(duì)TP1RCP59流量計(jì)算時(shí)使用的差壓值給出了更準(zhǔn)確的計(jì)算方法。

M310；一回路；環(huán)路流量；變送器校準(zhǔn)。

福清核電一期工程堆型設(shè)計(jì)采用壓水堆M310改進(jìn)型，其一回路冷卻劑系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱RCP）是堆芯的冷卻系統(tǒng)，也是核能向熱能轉(zhuǎn)化的重要載體。一回路監(jiān)測(cè)和控制的核心是水位、壓力、溫度、流量四個(gè)參數(shù)，其中一回路流量的測(cè)量是使用彎管流量計(jì)原理實(shí)現(xiàn)的。本文從彎管流量計(jì)的原理、安裝、調(diào)試標(biāo)定方法等方面介紹福清核電一回路彎管流量計(jì)的應(yīng)用。

1 彎管流量計(jì)的工作原理

彎管流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)的一種，它利用了流體的慣性原理，對(duì)流體在彎管處產(chǎn)生的差壓進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)流體通過彎管時(shí)，由于彎管的約束作用，流體在彎管內(nèi)作類似的圓周運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生慣性離心力。離心力與流體的流速具有單一的函數(shù)關(guān)系，其大小可以通過測(cè)量彎管內(nèi)外側(cè)的差壓確定，進(jìn)而可計(jì)算出流體的流速，將流速與管道的截面積和流體的密度相乘，即可確定流體的流量。利用伯努利方程即可推導(dǎo)出的彎管流量計(jì)流量計(jì)算公式如式（1）所示。[1]

Q ：體積流量，m3/s；

R ：彎管曲率半徑，m；

D ：彎管內(nèi)徑，m；

△p ：彎管內(nèi)外側(cè)壓力差，Pa；

ρ：流體密度，kg/m3；

C ：流量系數(shù)。

與其他節(jié)流孔板式差壓流量計(jì)相比，彎管流量計(jì)既繼承了差壓式流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、測(cè)量精確的優(yōu)點(diǎn)，又克服了差壓式流量計(jì)壓力損失大、容易堵塞、維護(hù)困難等缺點(diǎn)。更為重要的是，彎管流量計(jì)的主體部分就是正常的工藝管道，無需新增缺口安裝節(jié)流裝置，對(duì)核電一回路來說，能從原理上減少一回路泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，并且彎管流量計(jì)對(duì)前后直管段的要求比節(jié)流孔板流量計(jì)低很多，更適合一回路主管段的實(shí)際情況，因此得到核電站的青睞。

優(yōu)點(diǎn)雖然顯著，但是缺點(diǎn)也是存在的。作為測(cè)量?jī)x表，要求精準(zhǔn)、方便，普通儀表的標(biāo)定和校驗(yàn)都是以真實(shí)物理參數(shù)為基礎(chǔ)計(jì)算一次參數(shù)值，但是一回路彎管流量計(jì)因?yàn)橹鞴艿涝O(shè)計(jì)、安裝、主泵流量性能等方面都存在不確定度影響，這些不確定度的存在，致使設(shè)計(jì)只能給出一個(gè)參考量程，最終的流量變送器的校驗(yàn)需要在裝料后熱停堆平臺(tái)根據(jù)工況進(jìn)行標(biāo)定，增加了調(diào)試和日后維護(hù)的工作量。

2 一回路環(huán)路流量變送器標(biāo)定的準(zhǔn)備

2.1 福清一回路環(huán)路流量變送器的選型

反應(yīng)堆一回路流量測(cè)量的介質(zhì)為高溫、高壓和高輻射的“三高”流體，對(duì)測(cè)量?jī)x表的抗輻照、抗干擾要求較高，福清1號(hào)機(jī)組一回路環(huán)路流量變送器在設(shè)計(jì)選型上屬于K1級(jí)壓力變送器，采購(gòu)時(shí)選用了羅斯蒙特（Rosemount）1154系列核級(jí)差壓變送器。

設(shè)計(jì)上，環(huán)路彎管流量變送器要求實(shí)現(xiàn)0~120%FP的流量范圍監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)參考差壓量程為0~110kPa。

2.2 算法和靜壓修正考慮

在《TP1RCP59反應(yīng)堆冷卻劑流量驗(yàn)證》的規(guī)程中，涉及到一回路流量的重新標(biāo)定的計(jì)算，計(jì)算方法為：

（1）三臺(tái)主泵全部停運(yùn)時(shí)，測(cè)量變送器的零點(diǎn)電流值，記錄為I0；

（2）三臺(tái)主泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，測(cè)量變送器的輸出電流為I ;

（3）推算三臺(tái)主泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)變送器測(cè)量的差壓值，如式（2）：

（4）將三臺(tái)主泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)變送器測(cè)得的差壓值作為100%FP流量值，因流量的平方與差壓成正比，所以新的標(biāo)定量程，如式（3）：

以上是TP1RCP59規(guī)程中利用差壓和流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系得出的彎管流量變送器的校準(zhǔn)方法，作為一種理論計(jì)算簡(jiǎn)單易用。但是考慮到變送器的實(shí)際測(cè)量工況，以上方法只是一種結(jié)果，因?yàn)樗雎粤艘粋€(gè)重要變量：“靜壓”，下面內(nèi)容將從引入“靜壓”后的計(jì)算分析對(duì)以上TP1RCP59的試驗(yàn)計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)于靜壓影響，羅斯蒙特1154變送器運(yùn)行與維修手冊(cè)（以下簡(jiǎn)稱EOMM）中這樣解釋：如果差壓變送器的常壓下進(jìn)行校準(zhǔn)，但是卻要使用于靜壓較高的地方，需要到量程范圍進(jìn)行重新校準(zhǔn)，以保證測(cè)量精度。羅斯蒙特特別針對(duì)1154系列每個(gè)變送器都進(jìn)行了靜壓影響測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄在竣工文件中。

根據(jù)廠家EOMM數(shù)據(jù)，在一回路正常工況15.4MPa（2247 psi）下，靜壓對(duì)變送器量程的改變量約1%~2%，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 環(huán)路流量變送器靜壓修正因子

另外，因制造工藝所限，電容式差壓變送器的核心元件不可能做到完全兩邊對(duì)稱，當(dāng)靜壓較大時(shí)，無差壓時(shí)也會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)的漂移，一般會(huì)達(dá)到0.5%左右，該漂移一般為隨機(jī)性，但對(duì)于某個(gè)變送器來說漂移值是符合固定規(guī)律的。

綜合以上的量程的靜壓修正因子和零點(diǎn)靜壓漂移，冷態(tài)下校準(zhǔn)的0~110kPa的變送器量程在實(shí)際熱停堆工況下測(cè)量的值已經(jīng)不再適用原量程的線性關(guān)系，預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生2%左右的偏差。根據(jù)TP1RCP59的調(diào)試步驟，能夠在線調(diào)試出零點(diǎn)符合要求，三臺(tái)主泵同時(shí)運(yùn)行流量為100%FP的輸出值，但卻使維修部門失去了對(duì)真實(shí)值的跟蹤。換句話說，因?yàn)闊o法跟蹤真實(shí)的量程范圍，所以失去了今后預(yù)防性變送器校驗(yàn)的依據(jù)，如果因故障需要更換新的變送器，因每個(gè)變送器的出廠靜壓修正因子是不一致的，也無法預(yù)先計(jì)算出變送器需要遷移的量程，對(duì)維修工作會(huì)產(chǎn)生較大的困擾。因此，需在TP1RCP59試驗(yàn)前在考慮靜壓修正的基礎(chǔ)上運(yùn)用流量與差壓的關(guān)系進(jìn)行彎管流量變送器的遷移建模，得出較為精準(zhǔn)的熱態(tài)下的差壓范圍，并折算回常壓下的量程標(biāo)定值，方便維修工作的開展。

2.3 裝料前熱態(tài)功能試驗(yàn)演練

在福清核電1號(hào)機(jī)組一回路水壓試驗(yàn)階段，主泵正常運(yùn)行期間，我們對(duì)一回路9個(gè)環(huán)路流量進(jìn)行了關(guān)注，三臺(tái)主泵全啟動(dòng)的情況下，9個(gè)環(huán)路流量在DCS中顯示均為IOBAD（輸入輸出故障），實(shí)際測(cè)量變送器的輸出電流，均在22mA左右，變送器的測(cè)量原理使得4~20mA區(qū)間為線性區(qū)間，除此之外的數(shù)據(jù)都存在死區(qū)，22mA的數(shù)據(jù)很難作為線性參考，數(shù)據(jù)無法用于計(jì)算。因此，在冷熱結(jié)束后我們嘗試對(duì)所有的流量變送器進(jìn)行了常壓下的量程擴(kuò)展，由110kPa擴(kuò)展到140kPa。

當(dāng)?shù)谝浑A段熱試達(dá)到熱停堆工況時(shí)，在三臺(tái)主泵全啟動(dòng)的情況下，三個(gè)環(huán)路的流量均在93%~95%FP區(qū)間內(nèi)，數(shù)據(jù)記錄分析后，運(yùn)用初步的建模工具計(jì)算出新的量程范圍在第二階段熱試前進(jìn)行了再校準(zhǔn)，再次達(dá)到熱停零時(shí)，流量結(jié)果在99%~101%FP之間波動(dòng)，達(dá)到預(yù)期要求。此次新標(biāo)定的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 熱態(tài)功能試驗(yàn)標(biāo)定量程

3 靜壓修正建模

與本文中2.2節(jié)的簡(jiǎn)單量程遷移不同，加入零點(diǎn)和量程的靜壓修正后，量程的標(biāo)定計(jì)算過程就比較復(fù)雜，下文4.2節(jié)將以1RCP025MD為例介紹修正后的量程標(biāo)定范圍。

4 TP1RCP59實(shí)施過程

4.1 試驗(yàn)前冷態(tài)標(biāo)定

福清1號(hào)機(jī)組裝料完成后，因?yàn)閴毫θ萜鲀?nèi)燃料組件的裝入，必然會(huì)使一回路的流阻發(fā)生改變，流量也會(huì)產(chǎn)生較大變化，因此為了配合TP1RCP59的實(shí)施，一回路升溫升壓前，又對(duì)所有的彎管流量變送器的量程進(jìn)行了重新標(biāo)定，更改為原始的設(shè)計(jì)定值：0~110kPa。因?yàn)榇舜螛?biāo)定的誤差值會(huì)影響接下來的計(jì)算結(jié)論，所以要求標(biāo)定精度很高，基本要做到零點(diǎn)、滿點(diǎn)零誤差，還要對(duì)可能出現(xiàn)的100%FP測(cè)量點(diǎn)檢查線性情況（根據(jù)同行電廠經(jīng)驗(yàn)，100%FP流量時(shí)差壓在80~85kPa左右）。[2]

4.2 TP1RCP59試驗(yàn)時(shí)的靜壓修正法的重新標(biāo)定

根據(jù)試驗(yàn)前確定的彎管流量變送器的標(biāo)定模型，結(jié)合試驗(yàn)的過程，對(duì)每個(gè)待標(biāo)定的變送器，需獲得冷態(tài)標(biāo)定量程、熱停堆時(shí)三臺(tái)主泵全部停運(yùn)時(shí)的零點(diǎn)電流、三臺(tái)主泵全啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)的測(cè)量電流、廠家給定的靜壓修正系數(shù)，以1RCP025MD為例，標(biāo)定流程如下所示：

(1) 冷態(tài)標(biāo)定量程：0~110kPa，查得EOMM文件中靜壓修正因子為0.77% per 1000 psi，在15.4MPa時(shí)，修正因子為0.77%×2.247=1.7%；

(2) 記錄主泵全停時(shí)零點(diǎn)電流為I0=4.122mA，主泵全啟動(dòng)時(shí)流量電流為I100%FP=16.21mA

(3) 計(jì)算熱態(tài)下4~20mA實(shí)際對(duì)應(yīng)的量程范圍：

(4) 根據(jù)主泵全部啟動(dòng)時(shí)記錄的100%FP對(duì)應(yīng)的電流16.21mA，計(jì)算當(dāng)前實(shí)際的差壓值：

(5) 得到實(shí)際差壓值后，將此差壓值作為100%FP流量，根據(jù)流量與差壓的關(guān)系，可得出變送器熱態(tài)時(shí)的實(shí)際需求范圍：

(6) 熱態(tài)時(shí)的實(shí)際需求范圍確定后，為了實(shí)現(xiàn)常壓下的校準(zhǔn)，需要反向推算靜壓修正值：

(7) 實(shí)際校驗(yàn)時(shí)，根據(jù)步驟（6）算出的值對(duì)變送器進(jìn)行0~119.671kPa的標(biāo)定，之后再利用三通加靜壓或在線開平衡閥的方法，對(duì)零點(diǎn)進(jìn)行修正，即可完成變送器的標(biāo)定。如果更換新的變送器，只需將步驟（6）的靜壓修正因子更新，即可算出新的標(biāo)定量程。

(8) 根據(jù)以上標(biāo)定的步驟，對(duì)其他8個(gè)變送器進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 執(zhí)行TP1RCP59靜壓修正算法標(biāo)定結(jié)果

4.3 靜壓修正標(biāo)定與2.2節(jié)標(biāo)定方法的結(jié)果對(duì)比

在完成靜壓修正后的量程標(biāo)定計(jì)算后，筆者按照TP1RCP59的規(guī)程中的計(jì)算模型進(jìn)行了演算，得出結(jié)果如表4所示。

表4 靜壓修正計(jì)算與TP1RCP59規(guī)程中算法結(jié)果對(duì)比

推算完成后，發(fā)現(xiàn)按照靜壓修正計(jì)算的常壓下的標(biāo)定量程與TP1RCP59試驗(yàn)中的量程計(jì)算的結(jié)果完全一致，檢查計(jì)算過程，發(fā)現(xiàn)在步驟（3）中靜壓修正后在步驟（6）中又反向由靜

壓值向常壓值進(jìn)行了修正。即按照TP1RCP59中的算法，也能夠?qū)崿F(xiàn)變送器量程的重新標(biāo)定。但是如果出現(xiàn)更換變送器備件時(shí)，新變送器與被更換變送器的靜壓因子差別較大時(shí)，由于沒有條件進(jìn)行TP1RCP59類似的試驗(yàn)，將導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量精度無法滿足需求，而用本文中闡述的靜壓修正的模型進(jìn)行變送器校準(zhǔn)能夠避免靜壓對(duì)測(cè)量精度的影響，因此本文闡述的方法具有較現(xiàn)實(shí)的意義。

另外值得注意的是，熱停堆條件下三臺(tái)主泵全啟動(dòng)時(shí)的差壓值在TP1RCP59規(guī)程中需要參與計(jì)算參考流量，但是根據(jù)靜壓修正計(jì)算的結(jié)果和TP1RCP59規(guī)程中的計(jì)算方法平均相差1kPa，折算成主泵流量會(huì)帶來約1%的誤差，此類可預(yù)見的誤差在試驗(yàn)時(shí)要盡量避免。

5 結(jié)語

本文對(duì)核電站一回路冷卻劑流量變送器校準(zhǔn)方案研究的出發(fā)點(diǎn)是為了更精準(zhǔn)地執(zhí)行TP1RCP59規(guī)程?？紤]到變送器的15.4MPa高靜壓下的測(cè)量范圍已經(jīng)發(fā)生變化，通過計(jì)算建模和實(shí)踐驗(yàn)證，證明了靜壓修正法實(shí)施變送器校準(zhǔn)的可執(zhí)行性，并驗(yàn)證了TP1RCP59中的變送器重新標(biāo)定結(jié)果的正確性，同時(shí)分析了靜壓修正法變送器校準(zhǔn)方案在后續(xù)變送器更換、預(yù)防性校驗(yàn)等維修工作中的作用，對(duì)用于流量計(jì)算的差壓值提出了合理建議并計(jì)算出更精確的實(shí)際值。

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圖13 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電智能物聯(lián)監(jiān)控管理系統(tǒng)界面圖2

4 結(jié)語

目前，現(xiàn)有的風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)主要存在著風(fēng)光配比不合理、蓄電池壽命短、斷電頻繁、感性負(fù)載啟動(dòng)困難等問題，其原因主要是對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)配置不足和蓄電池管理功能不完善。本文采用了太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)和最大功率跟蹤技術(shù)、高效風(fēng)機(jī)發(fā)電控制技術(shù)來提升風(fēng)光系統(tǒng)的效能和增加供電能力，設(shè)計(jì)制作了離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)逆變控制器一體機(jī)樣機(jī)。通過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的逆變控制一體機(jī)控制電路性能優(yōu)良，逆變部分輸出正弦波電壓、頻率穩(wěn)定，可以有效提高風(fēng)能和光能的利用率，解決了風(fēng)光互補(bǔ)一體機(jī)發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)中使用復(fù)雜，安全性低，生產(chǎn)成本較高的問題，從而延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命。

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作者簡(jiǎn)介

陳冰（1985-），男，黑龍江人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)及工業(yè)自動(dòng)化。

高潔（1981-），女，云南人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，主要研究方向?yàn)橛蜌庾詣?dòng)化。

衛(wèi)乾（1984-） ，男，河南南陽(yáng)人，本科，現(xiàn)任北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司研發(fā)部經(jīng)理，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)及工業(yè)自動(dòng)化。

陳寶（1978-），男，河北人，本科，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，主要研究方向?yàn)橛蜌庾詣?dòng)化。

Analysis of the Calibration of Reactor Coolant Flow Rate Measurement

Affection of static pressure may cause some errors when difference pressure transmitter is used. Based on the coolant flow rate measurement of reactor, algorithm does not consider the affection of static pressure. Analysis is performed on the TP1RCP59 procedure in the reactor coolant flow rate measurement during the commissioning of Unit 1 of Fuqing Nuclear Power Plant. By the test verification it has been found that the calibration algorithm of TP1RCP59 is right, but not perfect. When the sensors is replaced the better arithmetic is provided by this article. Meanwhile the difference pressure used to calculate the reactor coolant flow rate is not exact, which should be ameliorated. Key words: M310; RCP; Reactor coolant flowrate; Calibration

B

1003-0492(2015)12-0096-04

TP273

尤兵（1983- ），男，江蘇高郵人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中核集團(tuán)福建福清核電有限公司，研究方向?yàn)楹穗姀S儀表及控制系統(tǒng)維修及調(diào)試。

劉仁朋（1985-），男，安徽阜陽(yáng)人，工程師，本科，現(xiàn)就職于中核集團(tuán)福建福清核電有限公司，研究方向?yàn)楹穗姀S核島主系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)儀控設(shè)備維修。

李曉振（1984-），男，山東煙臺(tái)人，助理工程師，碩士，現(xiàn)就職于中核集團(tuán)福建福清核電有限公司，研究方向?yàn)楹穗姀S儀表及控制系統(tǒng)維修及調(diào)試。