核反應(yīng)堆進(jìn)行MUR 時(shí)流量測(cè)量技術(shù)討論

康凱強(qiáng)，王 琪，邱憲苗，謝岱良

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538001）

0 引言

MUR 是Measurement Uncertainty Recapture 的縮寫，即測(cè)量不確定度再捕獲或小幅功率提升技術(shù)。它通過(guò)提升反應(yīng)堆功率測(cè)量不確定度，進(jìn)而在原有設(shè)計(jì)安全范圍內(nèi)提高反應(yīng)堆功率，由原有的2%提高至0.3%，從而可以在原有設(shè)計(jì)102%的安全范圍內(nèi)提高反應(yīng)堆功率至101.7%[1]。

準(zhǔn)確的反應(yīng)堆功率基準(zhǔn)可以由二回路熱平衡計(jì)算得到[2]。在計(jì)算過(guò)程中，給水流量測(cè)量不確定度在總體反應(yīng)堆功率不確定度中的貢獻(xiàn)最大、超過(guò)80%。如果能夠提高給水流量測(cè)量的精度，即可達(dá)到“捕獲”測(cè)量不確定度的目的，提高反應(yīng)堆功率。

現(xiàn)有的CPR1000 機(jī)型主給水流量測(cè)量為孔板流量計(jì)，原始設(shè)計(jì)不確定度為2%。AP1000 機(jī)型及美國(guó)大量完成MUR 后的機(jī)組（M312 機(jī)型）換裝了高精度超聲波流量計(jì)，設(shè)計(jì)精度為0.3%。本文將對(duì)這兩種流量測(cè)量技術(shù)進(jìn)行討論。

1 流量測(cè)量技術(shù)介紹

1.1 孔板流量測(cè)量

孔板流量測(cè)量參考ISO 5167—2003（E）或GB/T 2624.2—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量第2 部分 孔板》執(zhí)行，采用“孔板閥+孔板片+差壓表”測(cè)量差壓的方式，通過(guò)公式計(jì)算得到流量，其中流出系數(shù)C 由Stolz 公式迭代計(jì)算[2-3]。

孔板閥是純機(jī)械結(jié)構(gòu)件，依靠安裝在其中的孔板片產(chǎn)生壓差，采用D、D/2 取壓的方式測(cè)量壓差計(jì)算流量。其有制造方便，價(jià)格低廉，維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是其同樣存在精度相對(duì)較低、安裝直管段要求長(zhǎng)、無(wú)法實(shí)時(shí)自檢、長(zhǎng)期運(yùn)行板片磨損影響精度等缺點(diǎn)。

1.2 高精度超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)測(cè)量原理是利用超聲波換能器產(chǎn)生超聲波并使其在水中傳播，當(dāng)超聲波在流動(dòng)的水中傳播時(shí)產(chǎn)生“傳播速度差”，該速度差與水的流速成正比，超聲流量計(jì)就是利用了這一原理并因此又被稱為速度差法超聲流量計(jì)。超聲波流量計(jì)的原理如圖1 所示。

圖1 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

當(dāng)流體流過(guò)管道時(shí)，可列出方程：

以上方程聯(lián)立求解，即可得出方程中的速度Vz=。

由以上推導(dǎo)過(guò)程可知，為保證超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確性，就必須要求對(duì)聲道長(zhǎng)度、角度和傳輸時(shí)間進(jìn)行精確的測(cè)量。這也是超聲波流量計(jì)制造的難點(diǎn)所在。

以AP1000 機(jī)型使用的Cameron 公司制造的LEMF Check plus 型8 聲道超聲波流量計(jì)為例[5-6]，其具有如下特點(diǎn)：①流量計(jì)長(zhǎng)約1.5 m，直管段要求極低，轉(zhuǎn)運(yùn)、安裝方便；②出廠前參照業(yè)主現(xiàn)場(chǎng)管道布置情況進(jìn)行過(guò)全尺寸標(biāo)定，標(biāo)稱精度0.3%左右、精度高；③有實(shí)時(shí)自檢功能，當(dāng)測(cè)量精度出現(xiàn)偏差時(shí)可及時(shí)發(fā)出報(bào)警提醒運(yùn)行人員；④已經(jīng)得到了美國(guó)NRC（Nuclear Regulatory Commission，核管理委員會(huì)）的認(rèn)可，但有價(jià)格昂貴、系統(tǒng)復(fù)雜、后期維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜等缺點(diǎn)。

2 孔板流量測(cè)量技術(shù)能否進(jìn)行MUR

目前國(guó)內(nèi)主流的CPR1000 機(jī)型及華龍一號(hào)機(jī)型均使用孔板作為給水流量測(cè)量的基準(zhǔn)，在進(jìn)行MUR 時(shí)，如果參照美國(guó)電廠經(jīng)驗(yàn)采購(gòu)安裝高精度超聲波流量計(jì)，則需要支出巨大的采購(gòu)及安裝成本。這時(shí)業(yè)內(nèi)引發(fā)了一種討論，能否使用孔板流量計(jì)進(jìn)行MUR，省去采購(gòu)超聲波流量計(jì)的費(fèi)用及安裝超聲波流量計(jì)的難題。下面僅結(jié)合自身的研究經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行討論。

MUR 的基礎(chǔ)思路是：從原有設(shè)計(jì)的2%的反應(yīng)堆功率不確定度中，通過(guò)提高主給水流量測(cè)量精度，重新捕獲不確定度，從而在安全范圍內(nèi)提升反應(yīng)堆功率。即執(zhí)行MUR 的主給水流量測(cè)量技術(shù)的論證重點(diǎn)在于，其能否實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠的保證其精度。

如上文所述，CPR1000 機(jī)型使用的孔板流量測(cè)量的整體流量誤差計(jì)算采用如下公式：

2.1 孔板流量測(cè)量自身精度

CPR1000 機(jī)型蒸汽發(fā)生器功率不確定度計(jì)算公式如下：

其最終反應(yīng)堆功率不確定度計(jì)算公式如下：

按照目前熱功率2%的不確定度，對(duì)于給水流量測(cè)量的誤差容忍度可以到約3.24%，若使用孔板執(zhí)行MUR，就算熱功率提升1%，即熱功率按照1%不確定控制，其對(duì)給水流量的容忍度上升至1.7%左右。而孔板閥測(cè)得的流量精度能否實(shí)時(shí)且在整個(gè)循環(huán)內(nèi)滿足1.7%要求，這個(gè)結(jié)論也不能完全確定，原因如下：

（1）按照ISO 5167—2003（E）或GB/T 2624.2—2006 要求，當(dāng)β 值在0.74 時(shí)，要求上游有44D 的直管段，若不足44D，其要求在流出系數(shù)C 的不確定度上再算術(shù)附加0.5%。即CPR1000機(jī)組滿功率時(shí)實(shí)際給水流量誤差應(yīng)為1.4%左右，滿功率反應(yīng)堆功率誤差應(yīng)為0.8%左右?？装辶髁繙y(cè)量是根據(jù)ISO 標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)公式得到的，而孔板實(shí)際測(cè)量工況與總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式的試驗(yàn)工況之間仍可能存在些許偏差，孔板片實(shí)流標(biāo)定流量平臺(tái)也未能包絡(luò)實(shí)際運(yùn)行工況[3-4]。

（2）按照ISO 5167—2003（E）標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其試驗(yàn)、計(jì)算前提是孔板上游有足夠長(zhǎng)的直管段，使得流場(chǎng)充分發(fā)展無(wú)旋渦或亂流，而實(shí)際使用時(shí)卻無(wú)法避免，該問(wèn)題EDF（法國(guó)電力集團(tuán)）進(jìn)行過(guò)相關(guān)試驗(yàn)及討論[5]。即ISO 就未考慮流場(chǎng)變化，其無(wú)法精確監(jiān)控孔板實(shí)際測(cè)量的精度。

（3）孔板測(cè)量是嵌入系統(tǒng)內(nèi)部的純機(jī)械機(jī)構(gòu)，無(wú)法做到實(shí)時(shí)檢查。EDF 的做法是每個(gè)大修循環(huán)抽檢1 塊孔板片進(jìn)行檢查[7]，符合ISO 標(biāo)準(zhǔn)便可繼續(xù)運(yùn)行，即對(duì)于孔板測(cè)量，可以認(rèn)為若出現(xiàn)精度異常，干預(yù)的最短周期就是1C，在一個(gè)燃料循環(huán)內(nèi)孔板閥沒有實(shí)時(shí)自檢手段，無(wú)法自證它的測(cè)量精度是恒定的或可以跟蹤衡量的。

（4）根據(jù)EDF 的研究[6]，如果上游直管段長(zhǎng)度達(dá)不到ISO 5167—2003（E）標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)該做如下工作：①?gòu)?qiáng)烈建議增加附加不確定度；②進(jìn)行大量的試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)其在不同工況、流場(chǎng)情況下精度可靠。不過(guò)國(guó)內(nèi)尚未有廠家做過(guò)這種基礎(chǔ)性的試驗(yàn)，即沒有機(jī)構(gòu)挑戰(zhàn)ISO 5167—2003（E）。

2.2 評(píng)審體系建立討論

目前MUR 技術(shù)在美國(guó)廣泛應(yīng)用，但是在國(guó)內(nèi)并未落地，即國(guó)內(nèi)暫未針對(duì)MUR 技術(shù)建立完整的評(píng)審體系，此時(shí)主要參考美國(guó)NRC 對(duì)于MUR 技術(shù)的要求。NRC 對(duì)執(zhí)行MUR 技術(shù)的主給水流量測(cè)量的要求如下[7]：

（1）得到認(rèn)可的以主給水流量測(cè)量技術(shù)為主要內(nèi)容的報(bào)告。

（2）參考NRC 批準(zhǔn)的給水流量測(cè)量技術(shù)。

（3）針對(duì)專題報(bào)告中的指導(dǎo)方針在電廠實(shí)施過(guò)程中進(jìn)行討論，以及工程師書面贊成主給水流量測(cè)量技術(shù)專題報(bào)告的安全分析。

（4）在實(shí)施主給水流量測(cè)量技術(shù)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施情況需報(bào)備NRC 工作人員。

（5）計(jì)算反應(yīng)堆功率測(cè)量時(shí)總的不確定度，同時(shí)需明確所有參數(shù)各自對(duì)總不確定的貢獻(xiàn)。

（6）與熱功率測(cè)量相關(guān)的所有儀器儀表的校準(zhǔn)與維護(hù)程序信息有：①維護(hù)與保養(yǎng)；②控制軟件和設(shè)備硬件；③執(zhí)行糾正措施；④向制造廠商通報(bào)缺陷；⑤接收和處理制造廠商的缺陷報(bào)告。

（7）在選擇時(shí)間的技術(shù)基礎(chǔ)上，建議的儀器允許停機(jī)時(shí)間。

（8）如果流量計(jì)超出了允許的停機(jī)時(shí)間，建議采取降低功率水平的措施，這其中應(yīng)該包含降功率運(yùn)行技術(shù)的討論。

以上技術(shù)要求孔板流量測(cè)量技術(shù)明顯無(wú)法達(dá)到，目前NRC認(rèn)可的用于MUR 的給水流量測(cè)量技術(shù)只有超聲波流量測(cè)量。即如果選用超聲波流量技術(shù)進(jìn)行MUR，則可參考NRC 成熟的評(píng)審體系推進(jìn)，降低體系建立和評(píng)審難度。

3 總結(jié)與建議

孔板流量計(jì)及超聲波流量計(jì)在工業(yè)應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是在核電廠MUR 技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景下，安審應(yīng)當(dāng)更加關(guān)注流量測(cè)量設(shè)備的精度及是否可以實(shí)時(shí)自檢報(bào)錯(cuò)功能。

對(duì)于孔板流量計(jì)能否進(jìn)行MUR，經(jīng)分析后認(rèn)為：可能可以但為論證其可行，仍需要進(jìn)行大量基礎(chǔ)性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。所以，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，國(guó)內(nèi)開展MUR 技術(shù)應(yīng)用時(shí)建議如下：

（1）短期首個(gè)標(biāo)桿電廠可以采購(gòu)已經(jīng)有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的超聲波流量計(jì)進(jìn)行安裝及經(jīng)驗(yàn)收集，以便快速建立MUR 技術(shù)評(píng)審體系。

（2）長(zhǎng)期后續(xù)機(jī)組可同步開展高精度超聲波流量計(jì)國(guó)產(chǎn)化研究以及對(duì)孔板進(jìn)行相應(yīng)的基礎(chǔ)性試驗(yàn)。