核電廠熱式質(zhì)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(zhì)量測量開關結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yè)界廣泛采用，美國核管會經(jīng)過評估，也基本認可該導則。商品級物項適用性確認具有經(jīng)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(jù)美國核管會NRC相關法規(guī)的規(guī)定，商品級物項適用性確認也有禁區(qū)，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(nèi)，沒有成熟的商品級物項適用性確認相關的法規(guī)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(jiān)管設備清單中涉及的設備或工序。所以，目前在國內(nèi)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(jiān)管設備范圍，但又設計為安全級的物項。

國內(nèi)外尚無成熟的安全級分體式多探頭熱式質(zhì)量流量開關，現(xiàn)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)了滿足安全功能要求的多探頭熱式質(zhì)量流量開關零的突破。

1 熱式質(zhì)量流量開關工作原理

熱式質(zhì)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(zhì)量測量開關結(jié)構(gòu)設計圖如圖1所示。

式（1）中：

K1、K2、K3——設計和校準參數(shù)。

△T——溫差（T2-T1），K。

P——輸入加熱功率，W。

qm——質(zhì)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(shù)有關[3]。

熱式質(zhì)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(zhì)溫度，一個測量介質(zhì)流速。流速RTD經(jīng)功率可調(diào)的電橋加熱，儀表工作時，測溫RTD不間斷地測量介質(zhì)溫度T1；流速RTD自加熱到高于介質(zhì)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(shù)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(jié)果以開關量的形式輸出。由于熱式質(zhì)量流量開關的結(jié)構(gòu)特點，其用于測量空氣流量有非常好的穩(wěn)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(shù)分析

本文研究內(nèi)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(zhì)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(xiàn)商品級物項的安全級轉(zhuǎn)化。本文研究內(nèi)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(zhì)量流量開關為分體式多探頭熱式質(zhì)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(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

表1 熱式質(zhì)量流量開關的特性參數(shù)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(gòu)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(qū)動板。

信號測量組件，主要由以下幾部分構(gòu)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(jù)CGD的方法體系，需對選擇的商品級熱式質(zhì)量流量開關進行關鍵特性參數(shù)分析，其目的在于確定原流量開關所在環(huán)境下應具備哪些關鍵特性參數(shù)以符合安全功能要求。根據(jù)確定的參數(shù)信息，初步判斷選擇的商品級熱式質(zhì)量流量開關具備能夠符合安全功能要求的能力，熱式質(zhì)量流量開關的特性參數(shù)見表1。

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

3 鑒定環(huán)境條件

根據(jù)現(xiàn)有流量開關安裝環(huán)境，判斷環(huán)境條件為和緩環(huán)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(huán)境條件被定義為后續(xù)一系列鑒定試驗的基準環(huán)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(guī)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(zhì)量鑒定試驗方法與環(huán)境條件》《HAF J0053-1995核電設備抗震鑒定試驗指南》等規(guī)范的相關要求以及設備鑒定經(jīng)驗反饋，對商品級熱式質(zhì)量流量開關鑒定試驗項目及順序制定見表2[6-9]。

根據(jù)《IEEE323-2003 核電站1E級設備鑒定標準》4.1章節(jié)“Qualification objective”所述，對于安裝在和緩環(huán)境（IEEE 323-2003中3.14章節(jié)定義：“和緩環(huán)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(xiàn)的明顯嚴酷的環(huán)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(huán)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(huán)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(chǎn)生的劣化不會明顯地影響設備在地震事件期間和之后執(zhí)行其功能的能力。這一結(jié)論已經(jīng)被美國核管會和IEEE所接受。

此外，IEEE627-1980標準第4.4.1章節(jié)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(huán)境中，老化機理所導致的失效模式與發(fā)生異?；蛟O計基準事件工作條件時產(chǎn)生的失效模式相同。

2）老化機理嚴重地影響設備執(zhí)行其規(guī)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(jiān)督行為（設備可依照技術規(guī)格書執(zhí)行其功能提供把握的監(jiān)督行為）來評估。

4）在正常工作環(huán)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(huán)境下執(zhí)行功能的能力。由于安裝在和緩環(huán)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(huán)境條件下運行的能力，也就意味著設備在發(fā)生地震事件時執(zhí)行其功能的能力得到了確認。因此，對于安裝在和緩環(huán)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(huán)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(jù)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(jù)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(xù)鑒定試驗的依據(jù)。

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(shù)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(xù)時間，增加循環(huán)次數(shù)，提高試驗溫度，增加壓力或上述幾種方法的組合。根據(jù)《GB/T 12727核電廠安全級電氣設備鑒定》第6.3.1.7章節(jié)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(jié)果

目前，根據(jù)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(jié)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(zhì)量流量開關具備執(zhí)行與現(xiàn)有安全級、質(zhì)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(jié)報告已通過專家評審認定，同時也為該多探頭熱式質(zhì)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(jié)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(jiān)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(nèi)尚未有明確的技術優(yōu)勢的單位。其實，CGD不是通用的方法論，是針對現(xiàn)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(nèi)容包括詳細分析商品級分體式多探頭熱式質(zhì)量流量開關進行安全級轉(zhuǎn)化的關鍵技術參數(shù)分析、鑒定試驗項目及順序制定等內(nèi)容，鑒定大綱的評審為鑒定試驗提供依據(jù)，鑒定總結(jié)報告評審確定了鑒定試驗的合理性和合規(guī)性。最終，證明該商品級分體式多探頭熱式質(zhì)量流量開關能夠執(zhí)行核電廠通風系統(tǒng)中的安全相關功能。本文研究實現(xiàn)了滿足安全功能要求的熱式質(zhì)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(guī)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(yōu)勢。