取消旁路后的冷卻劑溫度測量通道調(diào)試研究

朱加良，何正熙，杜 茂，陳 靜，余俊輝，李小芬，李紅霞，何 鵬，徐 濤

(1.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213; 2.福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

0 引言

冷卻劑溫度包括熱段和冷段冷卻劑溫度，該參數(shù)體現(xiàn)堆芯的功率水平。在I類和 II類工況下，若堆芯發(fā)生偏離泡核沸騰(DNB)和燃料棒中心熔化事故，反應(yīng)堆冷卻劑溫度會(huì)觸發(fā)超溫和超功率ΔT保護(hù)停堆，以保證堆芯的安全[1]。因此其屬于核電廠特別重要的安全保護(hù)參數(shù)，對(duì)測量的準(zhǔn)確性要求極高(需達(dá)到0.1℃的級(jí)別)。由于燃料組件富集度不一致，從不同的燃料通道流出的冷卻劑溫度不同，在主管道熱段會(huì)形成流體熱分層的現(xiàn)象，因此需對(duì)測量方法進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

在傳統(tǒng)的M310核電廠中，通過從主管道引出3路流體進(jìn)入測溫旁路[2]；測溫旁路設(shè)置3支溫度計(jì)進(jìn)行熱段冷卻劑溫度的測量，1支用于保護(hù)、1支用于控制、1支備用。這種方式能夠準(zhǔn)確測量熱段冷卻劑溫度，但工藝回路十分復(fù)雜且主管道上接管數(shù)量多不利于維持壓力邊界，另外檢修劑量大不利于電廠的運(yùn)行維護(hù)。在華龍一號(hào)中，采用主管道直接測溫方式[3]代替測溫旁路，即在主管熱段上直接插入4支溫度計(jì)，通過4支溫度計(jì)信號(hào)取平均后獲得熱段溫度。這種通過多樣本采集的方式在一定程度上消除了熱分層的影響。但由于樣本數(shù)量的有限性，其最終測量的準(zhǔn)確性取決于測溫截面選取、溫度計(jì)的插入深度和插入角度，故需在調(diào)試時(shí)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

本文深入研究分析了這些變化的原因，并提出了針對(duì)這些變化的新調(diào)試方案，最后對(duì)新的調(diào)試方案進(jìn)行分析論證。

1 M310核電廠溫度測量通道調(diào)試研究

傳統(tǒng)M310核電廠的反應(yīng)堆冷卻劑溫度測量通道調(diào)試主要包含不同功率平臺(tái)下平均溫度(TAVG)和溫差(ΔT)相關(guān)的保護(hù)和控制通道校準(zhǔn)[4]，主要包含以下4個(gè)階段。

第一階段為熱態(tài)功能試驗(yàn)階段(0%FP,未裝料)。此階段主要是在反應(yīng)堆冷卻劑升溫階段的各個(gè)溫度平臺(tái)進(jìn)行溫度計(jì)的校準(zhǔn)。溫度計(jì)校準(zhǔn)依據(jù)溫度計(jì)供貨商提供的標(biāo)定曲線人工計(jì)算出每支溫度計(jì)的測量值，然后通過計(jì)算溫度計(jì)之間的偏差(0.28 ℃)以及單個(gè)溫度計(jì)與平均值的偏差(0.35 ℃)，以判斷溫度計(jì)是否能夠準(zhǔn)確執(zhí)行測量功能。另外，還需在DCS中讀取校準(zhǔn)后的單個(gè)溫度值，并計(jì)算其與平均值的偏差(0.46 ℃)。除溫度計(jì)校準(zhǔn)外，還需在該平臺(tái)下驗(yàn)證2個(gè)安全準(zhǔn)則：每個(gè)ΔT與0 ℃的差異不超過0.5 ℃，每個(gè)TAVG與所有TAVG的平均值差異不超過0.5 ℃。

第二階段為臨界前試驗(yàn)階段(0%FP，裝料)。此階段與第一階段內(nèi)容一致。

第三階段為從臨界到到50%FP階段。此階段主要是在30%FP和50%FP記錄相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，以備后續(xù)使用，并不進(jìn)行運(yùn)行準(zhǔn)則和安全準(zhǔn)則的驗(yàn)證。

第四階段為50%FP到100%FP階段。此階段主要是在75%FP、87%FP和100%FP下記錄相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，并在75%FP下進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)，需修改溫差轉(zhuǎn)換系數(shù)A1值和平均溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)A2、B2值，使其滿足安全準(zhǔn)則的要求。在100%功率平臺(tái)進(jìn)行正式校準(zhǔn)，需修改溫差轉(zhuǎn)換系數(shù)A1值和平均溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)A2、B2值，使其滿足安全準(zhǔn)則的要求(每個(gè)ΔT與35.22 ℃的差異不超過0.5 ℃，每個(gè)TAVG與所有TAVG的平均值差異不超過0.5 ℃)。在87%FP下，僅記錄相關(guān)溫度數(shù)據(jù)以備后續(xù)使用。

其中需特別注意的是，第三和第四階段至少包含兩次升功率。第一次升功率完成A1和A2、B2的正式校準(zhǔn)，第二次升功率驗(yàn)證第一次校準(zhǔn)的A1和A2、B2是否滿足安全準(zhǔn)則的要求。若第二次驗(yàn)證不滿足，則需在第二次升功率進(jìn)行校準(zhǔn)，并需進(jìn)行第三次升功率來驗(yàn)證，依次類推。

2 取消測溫旁路后的調(diào)試差異

由于各燃料組件富集度不一致，主管道熱段的流體存在分層現(xiàn)象[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，壓水堆堆芯出口的熱分層溫差可達(dá)到幾十?dāng)z氏度，離堆芯出口一定距離的主管道截面熱分層溫差可達(dá)到數(shù)十度。華龍一號(hào)測溫截面距離堆芯約3 m，選取特定工況通過CFD建模計(jì)算。該截面的溫差可達(dá)到10℃左右,4支溫度取平均后的平均溫度測量值與截面溫度平均值(理論值)最大偏差可達(dá)0.73℃。由于計(jì)算時(shí)選取的特定工況有限，實(shí)際上測量值和理論值的偏差可能會(huì)更大。因此，在調(diào)試過程中，需根據(jù)理論溫度值對(duì)熱段溫度測量值進(jìn)行修正，并且修正方式需考慮電廠運(yùn)行的便利性。

各個(gè)階段的影響分析如下。

對(duì)于第一階段試驗(yàn)，由于此時(shí)未裝料，流經(jīng)堆芯內(nèi)的流體較為均勻，主管道熱段流體不存在熱分層的現(xiàn)象。因此4支溫度計(jì)之間測量到的對(duì)象可視為同一個(gè)。各溫度計(jì)之間的偏差僅考慮儀表本身的測量誤差即可，故這部分調(diào)試試驗(yàn)與測溫旁路方式無區(qū)別。

對(duì)于第二階段試驗(yàn)，此時(shí)雖已裝料，但堆芯燃料組件都處于未激活狀態(tài)，流經(jīng)各燃料組件的流體溫度一致，故主管道熱段不存在熱分層現(xiàn)象。而此階段的試驗(yàn)內(nèi)容和第一階段一致，故這部分調(diào)試試驗(yàn)與取消測溫旁路前無區(qū)別。

對(duì)于第三階段試驗(yàn)，根據(jù)第1節(jié)的描述，此階段無需進(jìn)行安全準(zhǔn)則和運(yùn)行準(zhǔn)則的驗(yàn)證，但此時(shí)的試驗(yàn)平臺(tái)在30%FP和50%FP，堆芯燃料組件已處于激活狀態(tài)，冷卻劑流經(jīng)各組件后的流束溫度不一致，經(jīng)過上部堆內(nèi)構(gòu)件有限的混合后進(jìn)入主管道熱段。此時(shí)，熱段已存在流體分層的現(xiàn)象。為保證在這些功率平臺(tái)下熱段溫度測量的準(zhǔn)確性，需進(jìn)行修正，以便其能夠準(zhǔn)確測量反應(yīng)堆冷卻劑熱段溫度。

對(duì)于第四階段試驗(yàn)，功率平臺(tái)包含75%FP、87%FP和100%FP，此時(shí)的熱分層現(xiàn)象更加明顯。為保證在這些功率平臺(tái)下熱段溫度測量的準(zhǔn)確性，需進(jìn)行修正。

綜上所述，由于功率平臺(tái)下存在熱分層現(xiàn)象，取消測溫旁路后的調(diào)試最大差異在于需在30%FP、50%FP、75%FP、87%FP和100%FP功率平臺(tái)下執(zhí)行熱段溫度測量的修正。

3 取消測溫旁路后的調(diào)試方案

3.1 修正基準(zhǔn)

由于存在熱分層的現(xiàn)象且樣本的數(shù)量有限，以4支溫度計(jì)的平均值作為修正基準(zhǔn)不夠精確，應(yīng)通過精確的熱平衡方法[6]來獲得溫度修正基準(zhǔn)-理論混合平均溫度Thot，具體如下。

通過現(xiàn)場傳感器獲取一回路壓力P、冷段體積流量V和冷段溫度Tcold(由于無熱分層現(xiàn)象，冷段溫度可以準(zhǔn)確測量到)，然后通過P和Tcold獲得冷段冷卻劑的焓值Hcold和密度ρ。

通過現(xiàn)場傳感器獲得給水流量、給水溫度、排污流量和出口蒸汽壓力，通過二回路熱平衡計(jì)算得到一回路的熱功率W。

由熱段冷卻劑焓值Hhot和一回路壓力P，可推出理論混合平均溫度Thot。

上述方法得到的混合平均溫度Thot的最大偏差在于熱平衡時(shí)給水流量的精度。如能在給水流量測量時(shí)采用在線式超聲波流量計(jì)進(jìn)行測量，則可以獲得高精度的Thot。

3.2 修正方案

取消測溫旁路后，華龍一號(hào)熱段溫度計(jì)布置如圖1所示。

圖1 華龍一號(hào)熱段溫度計(jì)布置圖

圖1中，4支溫度計(jì)(P1、P2、P3、P4)分別從測溫截面的45 ℃、135 ℃、225 ℃和315 ℃插入主管道。DCS對(duì)4支溫度計(jì)信號(hào)進(jìn)行采集，并獲得熱段平均溫度(為便于后續(xù)修正方法描述，這里把這4個(gè)溫度值分別計(jì)為T1、T2、T3和T4)。為了使4個(gè)溫度值的平均值接近理論平均溫度，在DCS中分別設(shè)置溫度修正偏置a1、a2、a3、a4，并在調(diào)試時(shí)對(duì)這4個(gè)溫度修正偏置進(jìn)行調(diào)整。具體的修正步驟如下。

4 調(diào)試方案論證

從3.2節(jié)可以看出，調(diào)試中的修正方法就是將4個(gè)單獨(dú)的溫度值修正到理論平均溫度，使其能準(zhǔn)確測量熱段反應(yīng)冷卻劑溫度，論證過程如下。

假定目前的熱段混合平均溫度為328 ℃，由于熱分層現(xiàn)象導(dǎo)致4支單獨(dú)溫度計(jì)測量到的溫度值T1、T2、T3、T4分別為326 ℃、327 ℃、329 ℃和332 ℃。若不進(jìn)行修正直接進(jìn)行平均，此時(shí)測量到的溫度信號(hào)為328.5 ℃。可以看出，未進(jìn)行平均前單個(gè)溫度測量值的最大偏差達(dá)到4 ℃，進(jìn)行平均有效地減少了測量誤差，此時(shí)溫度偏差為0.5 ℃，但仍不符合測量精度0.1 ℃的要求。

在運(yùn)行階段，由于堆芯的狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，調(diào)試階段的溫度修正偏置a1、a2、a3、a4也需定期根據(jù)熱平衡結(jié)果進(jìn)行更新。溫度修正偏置更新的條件為功率大于一定水平且4支溫度計(jì)的質(zhì)量位均有效，以預(yù)防溫度計(jì)失效時(shí)導(dǎo)致溫度測量精度迅速變差，且能夠正確執(zhí)行超溫超功率保護(hù)功能。

5 結(jié)束語

為達(dá)到三代核電技術(shù)要求，相對(duì)于M310核電廠，華龍一號(hào)核電廠取消測溫旁路，使用主管道直接測溫技術(shù)來測量重要安全保護(hù)參數(shù)反應(yīng)堆冷卻劑溫度。但這種測量方式會(huì)由于主管道的熱段存在熱分層現(xiàn)象而造成冷卻劑溫度測量精度不夠。因此，需在反應(yīng)堆冷卻劑溫度測量通道調(diào)試中進(jìn)行特殊考慮。本文首先研究了熱分層產(chǎn)生的機(jī)理，并細(xì)致地進(jìn)行了反應(yīng)堆冷卻劑溫度測量通道調(diào)試，提出了基于熱平衡的改進(jìn)調(diào)試修正方案。方案論證表明，該調(diào)試方案可以較好地提高熱分層下冷卻劑溫度測量精度，同時(shí)有利于電廠的安全運(yùn)行。