【導(dǎo)讀】：摘要：核電廠應(yīng)用超聲波流量計(jì)可以提高主給水流量的測(cè)量精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小幅功率提升，對(duì)提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。國(guó)內(nèi)核電廠只有AP1000正在使用此技術(shù)，缺乏充分的使用實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)安全監(jiān)管提出了全新的挑戰(zhàn)。本文研究了主給水超聲波流量計(jì)在核電廠的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和出現(xiàn)的問題，從安全監(jiān)管的角度，指出了核電廠在使用過程中應(yīng)關(guān)注的問題，并提出了相應(yīng)的意見和建議。......

　　摘要：核電廠應(yīng)用超聲波流量計(jì)可以提高主給水流量的測(cè)量精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小幅功率提升，對(duì)提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。國(guó)內(nèi)核電廠只有AP1000正在使用此技術(shù)，缺乏充分的使用實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)安全監(jiān)管提出了全新的挑戰(zhàn)。本文研究了主給水超聲波流量計(jì)在核電廠的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和出現(xiàn)的問題，從安全監(jiān)管的角度，指出了核電廠在使用過程中應(yīng)關(guān)注的問題，并提出了相應(yīng)的意見和建議。　　主給水流量是核電廠熱平衡計(jì)算中的重要參數(shù)之一。對(duì)給水流量進(jìn)行精確的測(cè)量，無(wú)論是對(duì)堆芯熱功率的計(jì)算還是對(duì)核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性，都至關(guān)重要。以往核電廠大多采用文丘里管、噴嘴和孔板等差壓式流量測(cè)量裝置，實(shí)踐表明，在長(zhǎng)期使用過程中，測(cè)量精度會(huì)逐漸降低，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。美國(guó)核電廠在19811999年的超功率事件調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，主給水流量測(cè)量誤差過大是導(dǎo)致核電廠超功率的主要原因之一（如圖1所示）。

　　為了進(jìn)行更加精確的測(cè)量，我國(guó)三門、海陽(yáng)等AP1000核電廠采用不同于一般核電廠的方式，在主給水流量測(cè)量中同時(shí)使用了超聲波流量計(jì)和文丘里管差壓變動(dòng)器兩種測(cè)量裝置，從而提高反應(yīng)堆熱功率的計(jì)算精度，如圖2所示。由于AP1000核電廠剛剛投入運(yùn)行，超聲波流量計(jì)的使用經(jīng)驗(yàn)尚不充足，且在使用過程中出現(xiàn)了一些問題。國(guó)內(nèi)多家核電廠和設(shè)計(jì)院正在開展相關(guān)研究，擬在M310、CPR1000、CP1000等核電機(jī)組安裝主給水超聲波流量計(jì)，以提高主給水流量的測(cè)量精度，進(jìn)而小幅提升核電廠熱功率，對(duì)我國(guó)核安全監(jiān)管提出了新的要求和挑戰(zhàn)。本文通過梳理主給水超聲波流量計(jì)在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題和經(jīng)驗(yàn)反饋，總結(jié)了需要關(guān)注的問題，并提出了相應(yīng)的意見和建議。

　　1超聲波流量計(jì)工作原理

　　美國(guó)Cameron公司制造的LEFM（LeadingEdgeFlowMeter）超聲波流量計(jì)在核電廠主給水測(cè)量中普遍被采用，其原理是利用超聲波在流體中逆流傳播與順流傳播的速度變化測(cè)量流體流速［1］。LEFM技術(shù)系列產(chǎn)品具有精度高、可靠性強(qiáng)、故障率低等特點(diǎn)，在國(guó)外核電廠的應(yīng)用中，可以利用主給水流量測(cè)量的高精度安全、可靠地適度降低一回路控制裕量，從而提高核電廠的經(jīng)濟(jì)效益［2］。

　　我國(guó)AP1000核電廠使用的LEFM超聲波流量計(jì)采用交叉的八聲道傳感器，能夠大幅度提高測(cè)量精度，其原理如圖3所示［3］。

　　由于流場(chǎng)在各個(gè)軸向剖面上的分布是不均勻的，采用八聲道同時(shí)工作，可以有效提高測(cè)量精度，減小誤差，將測(cè)量不確定度控制在0.3%以內(nèi)。各項(xiàng)不確定性的典型數(shù)值如圖4所示。

　　2主給水超聲波流量計(jì)的應(yīng)用實(shí)踐

　　通過提高給水流量的測(cè)量精度降低熱功率計(jì)算的不確定度，進(jìn)而提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性是國(guó)際核電領(lǐng)域的通用做法。美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)10CFR50AppendixK規(guī)定，設(shè)計(jì)者可以在失水事故分析中采用低于2%的功率不確定性，但必須證明上述不確定性是由計(jì)算和測(cè)量誤差帶來的，還必須證明核電廠采用了行之有效的設(shè)備和方法［4］。核電廠通過使用超聲波流量計(jì)，能夠?qū)⒔o水流量測(cè)量值的不確定性由2%降至0.3%，從而降低熱功率計(jì)算的不確定性，非常終可以將功率提升到101.7%［5］，如圖5所示。

　　截至2014年1月，美國(guó)核管會(huì)批準(zhǔn)了139個(gè)核電廠功率提升項(xiàng)目，其中，52個(gè)是小幅功率提升項(xiàng)目，核電廠功率提高了0.4%～1.7%［6］。國(guó)內(nèi)大陸核電廠只有4臺(tái)AP1000機(jī)組使用了主給水超聲波流量計(jì)，使用經(jīng)驗(yàn)較為缺乏，在安裝、調(diào)試和使用過程中曾多次出現(xiàn)問題，同時(shí)，相應(yīng)的審評(píng)和監(jiān)管經(jīng)驗(yàn)也較少。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)多家核電廠和設(shè)計(jì)院正在積極開展相關(guān)研究，擬在M310、CRP1000、CP1000以及華龍一號(hào)等核電廠安裝使用主給水超聲波流量計(jì)，以提高主給水流量的測(cè)量精度，進(jìn)而小幅提升堆芯功率。

　　3主給水超聲波流量計(jì)在核電廠應(yīng)用需關(guān)注的問題鑒于超聲波流量計(jì)在AP1000核電廠使用過程中曾經(jīng)多次出現(xiàn)缺陷和異常，通過梳理各類問題以及在問題處理過程中的經(jīng)驗(yàn)反饋，筆者認(rèn)為，在核電廠進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，需要關(guān)注以下幾個(gè)方面。

　　3.1超聲波流量計(jì)和差壓式流量計(jì)結(jié)合使用

　　目前，國(guó)內(nèi)外核電廠普遍采用超聲波流量計(jì)和差壓式流量計(jì)（文丘里）相結(jié)合的方法，原因是二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性發(fā)揮著不可替代的作用。

　　進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)只關(guān)注超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，還應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到其缺點(diǎn)，如電子元件的不穩(wěn)定性，可能會(huì)發(fā)生死機(jī)，且容易受到周邊部件和電磁信號(hào)的干擾，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確等。以三門核電廠為例，自一期工程的兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行以來，在不到半年的時(shí)間里，已多次發(fā)生主給水超聲波流量計(jì)故障或報(bào)警的情況，導(dǎo)致超聲波流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果不可用，若12h內(nèi)沒有恢復(fù)正常，機(jī)組必須降至99%功率，對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性帶來不利影響，也給運(yùn)行人員和維修人員帶來了一定的負(fù)擔(dān)。例如，三門核電廠1號(hào)機(jī)組在某性能試驗(yàn)期間，發(fā)現(xiàn)配置超聲波流量計(jì)后測(cè)得的給水溫度偏低，導(dǎo)致100%功率下汽輪機(jī)出力不滿足要求，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)是由于軟件中的相關(guān)配置錯(cuò)誤導(dǎo)致的，修改后系統(tǒng)恢復(fù)正常，見表1。

　　鑒于超聲波流量計(jì)存在電子元件特有的不穩(wěn)定性，如果使其參與執(zhí)行控制、保護(hù)和聯(lián)鎖等功能，一旦發(fā)生故障，將無(wú)法觸發(fā)相關(guān)系統(tǒng)動(dòng)作，或無(wú)法執(zhí)行相關(guān)安全功能，嚴(yán)重影響核電廠的安全。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不能將超聲波流量計(jì)用于參與核電廠的控制、保護(hù)和聯(lián)鎖等影響機(jī)組安全的相關(guān)功能，只能用于計(jì)算反應(yīng)堆熱功率和標(biāo)定差壓式流量計(jì)（文丘里）這也是國(guó)外使用超聲波流量計(jì)的核電廠的一致做法。

　　差壓式流量計(jì)與超聲波流量計(jì)相比，測(cè)量精度較低，且在運(yùn)行過程中容易發(fā)生磨損和結(jié)垢，導(dǎo)致精度越來越低。但是，差壓式流量計(jì)是核電廠不可或缺的部件。因?yàn)樽鳛闄C(jī)械部件，差壓式流量計(jì)不會(huì)發(fā)生類似電子元件的死機(jī)現(xiàn)象，具有特有的可靠性。因此，在核電廠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分利用差壓式流量計(jì)的特性，將其作為主給水流量測(cè)量的備用，在超聲波流量計(jì)出現(xiàn)故障不可用時(shí)，為核電廠提供有效的流量測(cè)量值，加強(qiáng)縱深防御功能［7］。同時(shí)，利用差壓式流量計(jì)的可靠性，將其作為參與相關(guān)控制、保護(hù)和聯(lián)鎖動(dòng)作的重要部件。因此，超聲波流量計(jì)和差壓式流量計(jì)由于其自身特性，各有優(yōu)缺點(diǎn)，在核電廠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮二者的特點(diǎn)，在保障安全性和提高經(jīng)濟(jì)性方面發(fā)揮各自的作用。

　　3.2質(zhì)量保證和控制

　　在AP1000核電廠中，雖然超聲波流量計(jì)不參與控制，但是當(dāng)超聲波流量計(jì)不可用超過12h后，機(jī)組必須降至99%熱功率，對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)性會(huì)產(chǎn)生不利影響。超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，其可用性需要在安裝、測(cè)試等各個(gè)過程中進(jìn)行控制和保證。

　　例如，國(guó)內(nèi)應(yīng)用超聲波流量計(jì)的核電廠曾發(fā)生電纜敷設(shè)不滿足要求造成超聲波流量計(jì)報(bào)警、機(jī)柜內(nèi)板卡未插緊造成超聲波流量計(jì)不可用、鎳質(zhì)線鼻子被銅質(zhì)線鼻子替換造成超聲波流量計(jì)頻繁報(bào)警等多種問題。此外，鑒于超聲波流量計(jì)的高精度，其對(duì)清潔度的要求非常高。根據(jù)超聲波流量計(jì)的設(shè)備特點(diǎn)，監(jiān)督檢查人員應(yīng)在安裝、檢查和維護(hù)中重點(diǎn)關(guān)注以下方面。

　　3.2.1安裝

　　鑒于超聲波流量計(jì)的高精度要求，其安裝過程需要更加嚴(yán)格的把控。超聲波流量計(jì)的安裝過程主要包括下列步驟：

　?。?）超聲波流量計(jì)機(jī)柜的安裝；

　?。?）傳感器和溫度探頭的安裝；

　?。?）接線盒的安裝；

　?。?）電纜的安裝，包含傳感器至接線盒的電纜、壓力變送器至接線盒的電纜、接線盒至機(jī)柜的電纜；（5）安裝完成后的檢查和測(cè)試。

　　超聲波流量計(jì)的安裝對(duì)人員的安排、工器具的檢查、安裝過程的控制等方面都有一定的要求。在安裝前，監(jiān)督檢查人員尤其需要關(guān)注以下4個(gè)方面：

　?。?）所有尖銳的邊緣都確認(rèn)被磨平，包括所有螺栓孔的毛刺已被去除；（2）安裝時(shí)觀察是否引入了其他物體或材料；（3）檢查所有扳手，確認(rèn)都經(jīng)過標(biāo)定；

　?。?）檢查人員的資質(zhì)授權(quán)，確定安裝人員都經(jīng)過培訓(xùn)，并且熟悉設(shè)備圖紙和安裝要求。此外，由于主給水超聲波流量計(jì)的時(shí)間計(jì)量為納秒（ns）級(jí)，安裝質(zhì)量會(huì)直接影響超聲波流量計(jì)的精度，所以，整個(gè)安裝過程應(yīng)在受控的狀態(tài)下進(jìn)行。在安裝過程中，監(jiān)督檢查人員應(yīng)特別注意下列事項(xiàng)：

　?。?）安裝過程中，機(jī)柜一直保持水平不傾斜，機(jī)柜門處于關(guān)閉狀態(tài)。機(jī)柜放置完成后，確認(rèn)機(jī)柜底部和基座的距離，并且核實(shí)超聲波流量計(jì)機(jī)柜與其他機(jī)柜、墻或構(gòu)筑物的距離保持在規(guī)定范圍內(nèi)；（2）傳感器和探頭安裝之前，核實(shí)套管已經(jīng)焊接完成，并且完成了無(wú)損檢測(cè)和焊接后熱處理；（3）確認(rèn)安裝人員用內(nèi)窺鏡檢查了傳感器和探頭表面是否有灰塵或者沾污，并使用專用工具進(jìn)行了清理；（4）確認(rèn)安裝人員使用干凈空氣，如壓縮空氣，清理了傳感器和探頭的安裝孔；（5）對(duì)于電纜的敷設(shè)，核實(shí)非常小的彎曲半徑。檢查其他設(shè)備和電纜的距離，向安裝人員確認(rèn)不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾。

　?。?）檢查螺母和螺栓的緊固程度，保證滿足要求。

　　超聲波流量計(jì)安裝完成后需要進(jìn)行測(cè)試和檢查。針對(duì)絕緣測(cè)試，監(jiān)督檢查人員確認(rèn)試驗(yàn)是在500VDC的電壓下進(jìn)行，電阻值在規(guī)定范圍內(nèi)已保證探頭的安裝滿足要求。另外，超聲波流量計(jì)對(duì)于單個(gè)電纜的長(zhǎng)度也有要求，因此，監(jiān)督檢查人員需要在安裝完成后進(jìn)行單根電纜長(zhǎng)度的核查。

　　3.2.2檢查和維護(hù)

　　超聲波流量計(jì)的主要部件是電子元件，電子元件具有易老化、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，監(jiān)督檢查人員對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行巡檢時(shí)，應(yīng)確認(rèn)超聲波流量計(jì)的日常檢查和維護(hù)是否到位，主要包括機(jī)柜、計(jì)量部分和傳感器部分的檢查和維護(hù)。對(duì)于機(jī)柜部分，監(jiān)督檢查人員著重關(guān)注設(shè)備的外觀、清潔度和接線，主要有下列內(nèi)容：

　?。?）檢查機(jī)柜的外表面是否有損壞、積灰的情況；（2）檢查機(jī)柜門的開啟/關(guān)閉情況正常；

　?。?）確認(rèn)設(shè)備墊圈的表面是否有灰塵和污漬；（4）檢查機(jī)柜內(nèi)所有電纜的進(jìn)線端和轉(zhuǎn)折處，確認(rèn)電纜的絕緣未被破壞，并且檢查電纜連接處的緊固是否滿足要求；（5）檢查所有部件的連接處是否有松動(dòng)；

　?。?）檢查電路板和熔絲是否有損壞；

　?。?）確認(rèn)網(wǎng)卡和芯片是否進(jìn)行了定期更換。對(duì)于超聲波流量計(jì)的計(jì)量部分和傳感器部分的檢查和維護(hù)，監(jiān)督檢查人員應(yīng)確認(rèn)檢查維護(hù)頻率是否為12～16個(gè)月一次。

　　對(duì)于超聲波流量計(jì)的計(jì)量部分，監(jiān)督檢查人員主要關(guān)注套管。監(jiān)督檢查人員應(yīng)檢查套管是否有物理?yè)p傷，并將安裝前的套管厚度與檢查時(shí)的套管厚度進(jìn)行對(duì)比，以確定是否發(fā)生了腐蝕，如果檢查發(fā)現(xiàn)壁厚變化超過0.127mm，應(yīng)對(duì)超聲波流量計(jì)的性能進(jìn)行重新評(píng)估。對(duì)于傳感器部分的檢查和維護(hù)，監(jiān)督檢查人員應(yīng)關(guān)注傳感器本體、電纜和傳感器信號(hào)。

　　檢查時(shí)，監(jiān)督檢查人員應(yīng)確認(rèn)傳感器和接線端子是否有損傷、是否有灰塵和污漬，并確認(rèn)傳感器電纜的完整性和絕緣性能否滿足要求。除此之外，需要特別關(guān)注傳感器的信號(hào)。監(jiān)督檢查人員核實(shí)傳感器的信號(hào)以及是否進(jìn)行了定期測(cè)試評(píng)估，測(cè)試評(píng)估過程是否滿足要求。對(duì)傳感器的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估時(shí)，需要將傳感器表面的灰塵清理干凈，并使用專用儀器測(cè)試傳感器信號(hào)。如果信號(hào)強(qiáng)度不可接受，應(yīng)在后續(xù)過程中更換傳感器或采取其他措施，并且在完成處理措施后進(jìn)行重新驗(yàn)證。

　　制造廠家按照每個(gè)核電廠的實(shí)際情況對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行多項(xiàng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的測(cè)量及相關(guān)試驗(yàn)，以獲取對(duì)比數(shù)據(jù)，在后續(xù)運(yùn)行過程中確認(rèn)其性能是否發(fā)生了變化。必要時(shí)，可借助該部分?jǐn)?shù)據(jù)核實(shí)超聲波流量計(jì)的可用性，保障機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

　　3.3小幅功率提升的審評(píng)和監(jiān)管

　　使用主給水超聲波流量計(jì)實(shí)施小幅功率提升，首先應(yīng)向國(guó)家核安全局提交申請(qǐng)，在獲得核安全監(jiān)管和審評(píng)部門的認(rèn)可后方可執(zhí)行。根據(jù)美國(guó)核管會(huì)的審評(píng)實(shí)踐，設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)在實(shí)施小幅功率提升之前向核安全監(jiān)管部門提交系統(tǒng)和設(shè)備的專題報(bào)告，經(jīng)過核安全審評(píng)認(rèn)可后，由核安全監(jiān)管部門審核批準(zhǔn)［8］。以Cameron公司超聲波流量計(jì)的應(yīng)用為例，申請(qǐng)者于1997年向美國(guó)核管會(huì)提交關(guān)于該測(cè)量系統(tǒng)和設(shè)備的專題報(bào)告，于1999年獲得批準(zhǔn)［9］。

　　在測(cè)量系統(tǒng)和設(shè)備獲得批準(zhǔn)后，申請(qǐng)者應(yīng)對(duì)研究功率提升進(jìn)行全面且詳細(xì)的安全分析論證。2002年，美國(guó)核管會(huì)制定了專門針對(duì)小幅功率提升項(xiàng)目的審查指導(dǎo)文件［10］，可為我國(guó)的相關(guān)研究工作提供參考。同時(shí)，西班牙等國(guó)已完成小幅功率提升的核電廠的實(shí)踐，其經(jīng)驗(yàn)也具有一定的參考意義。

　　4總結(jié)

　　主給水流量不僅是核電廠給水控制的重要參數(shù)，也是反應(yīng)堆堆芯功率計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)。超聲波流量計(jì)可以提高給水流量測(cè)量的精確度，有利于優(yōu)化蒸汽發(fā)生器液位控制和反應(yīng)堆熱功率計(jì)算，為提高核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性提供幫助。

　　本文通過梳理超聲波流量計(jì)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)反饋，總結(jié)了在設(shè)計(jì)、安裝、檢查和維護(hù)、質(zhì)量保證和質(zhì)量控制、項(xiàng)目審評(píng)和監(jiān)管等方面需要關(guān)注的問題，并提出了以下意見和建議，為將來我國(guó)核電廠應(yīng)用主給水超聲波流量計(jì)提供借鑒和參考：

　　（1）充分利用超聲波流量計(jì)和差壓式流量計(jì)的特點(diǎn)，將二者結(jié)合使用，在保障安全性和提高經(jīng)濟(jì)性方面發(fā)揮各自的作用；（2）在安裝、檢查和維護(hù)過程中，應(yīng)保障系統(tǒng)部件的安裝質(zhì)量，檢查和維護(hù)系統(tǒng)的精度，維持系統(tǒng)工作面的清潔度，以確保超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度；（3）充分借鑒國(guó)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)小幅功率提升項(xiàng)目進(jìn)行全面且詳細(xì)的安全分析，并向核安全監(jiān)管部門提交申請(qǐng)，經(jīng)批準(zhǔn)后方可實(shí)施。