奚瑋君 陸祖祥

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

恰希瑪核電廠工程2號(hào)機(jī)組(C-2)項(xiàng)目是我國(guó)自主設(shè)計(jì)出口到巴基斯坦的第二座300MW壓水堆核電廠。主給水流量測(cè)量裝置是核電廠中性能要求和重要程度最高的儀表之一。在設(shè)計(jì)選型過程中，查閱大量國(guó)內(nèi)外已建成核電廠的主給水流量測(cè)量方式的資料，結(jié)合筆者所在單位自主設(shè)計(jì)的秦山I期和C-1的工程經(jīng)驗(yàn)，分析其中的利弊。此外在國(guó)產(chǎn)化的前提下，充分調(diào)研目前國(guó)內(nèi)流量?jī)x表的制造能力和流量試驗(yàn)臺(tái)架的標(biāo)定能力，最終確定采用低β值的喉部取壓噴嘴測(cè)量主給水流量。

1 核電廠主給水系統(tǒng)介紹①

核電廠主給水系統(tǒng)的主要功能是為蒸汽發(fā)生器供水。蒸汽發(fā)生器的給水是由給水流量控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)的，它將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的水位維持在一個(gè)參照值內(nèi)，這個(gè)參照值是汽輪機(jī)負(fù)荷的函數(shù)。在電站零功率、熱停堆、正常啟動(dòng)和停堆工況下，蒸汽發(fā)生器的水位是由電站啟停給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)的。

主給水每條管線為一臺(tái)蒸汽發(fā)生器供水，主要的設(shè)備包括一臺(tái)(或兩臺(tái))測(cè)量給水流量的節(jié)流裝置、一臺(tái)主給水流量調(diào)節(jié)閥以及隔離閥等部件。其中主給水調(diào)節(jié)閥為氣動(dòng)控制閥，它適用于0%～100%額定功率的工況下運(yùn)行。主給水系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)相連時(shí)電廠機(jī)組運(yùn)行功率在額定功率15%以上。在此功率范圍內(nèi)反應(yīng)堆功率與汽輪機(jī)負(fù)荷需求相平衡。主給水流量控制系統(tǒng)投自動(dòng)，并且采用蒸汽發(fā)生器的液位為主測(cè)量信號(hào)、蒸汽流量和主給水流量為補(bǔ)償信號(hào)的三沖量控制方式控制主給水調(diào)節(jié)閥。

一般電站中，主給水流量測(cè)量采用節(jié)流裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際使用過程中，由于節(jié)流裝置過流面積的變化，會(huì)產(chǎn)生較大的壓力損耗；同時(shí)所輸送的介質(zhì)也不可避免地對(duì)其造成沖蝕磨損[1]，但節(jié)流裝置具有測(cè)量介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、耐高溫高壓、標(biāo)準(zhǔn)化程度最高及可以免實(shí)流標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，在流量測(cè)量中占據(jù)統(tǒng)治地位。

2 主給水節(jié)流裝置的選用條件

節(jié)流裝置的使用受管徑大小、所允許的壓損、直管段長(zhǎng)度及介質(zhì)的雷諾數(shù)等條件的限制，選用合適的節(jié)流裝置需綜合考慮各種制約因素。由于主給水系統(tǒng)中介質(zhì)溫度較高，壓力較大，流量也比較大，而且主給水流量的測(cè)量精度直接影響核電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因此測(cè)量核電站主給水流量對(duì)節(jié)流裝置的要求更為特殊和苛刻。

2.1 雷諾數(shù)的限制

雷諾數(shù)表征流體流動(dòng)特性，從雷諾數(shù)的大小可以判斷出流體的流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于選定的節(jié)流裝置，如果在各種工況下流體的雷諾數(shù)范圍內(nèi)流出系數(shù)近似不變或變化很小，該節(jié)流裝置才能用于測(cè)量。因此流體的雷諾數(shù)是選取節(jié)流裝置的先決條件。不可壓縮流體流量方程式為[2,3]：

(1)

式中A0——節(jié)流件喉部開孔面積；

C——流出系數(shù)；

qm——質(zhì)量流量；

Δp——差壓值；

β——直徑比d/D；

ρ1——流體工作狀態(tài)下的密度。

式(1)是從伯努利方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)出來(lái)的，由式(1)可見，不可壓縮流體的流量是關(guān)于C、d、ρ1、Δp、β這5個(gè)參數(shù)的函數(shù)，其中d、ρ1、Δp、β為實(shí)測(cè)量，若能保證流出系數(shù)C不變或近似不變，則流量與差壓就能形成一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。在一定的安裝條件下對(duì)于給定的節(jié)流裝置，C值僅與雷諾數(shù)有關(guān)，因此雷諾數(shù)是選取節(jié)流裝置的關(guān)鍵。

2.2 測(cè)量精度的限制

出于安全考慮，核電站設(shè)計(jì)中必須要考慮所有影響因素，包括儀表測(cè)量誤差、隨機(jī)誤差及系統(tǒng)誤差等引入的測(cè)量不確定度。以AP1000依托項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例，對(duì)于壓水反應(yīng)堆堆芯熱功率，西屋公司采用熱平衡法進(jìn)行測(cè)量。壓水堆存在兩個(gè)循環(huán)水回路：一回路工作介質(zhì)(反應(yīng)堆冷卻劑)吸收反應(yīng)堆釋熱，并通過蒸汽發(fā)生器把熱量傳給二回路的水；二回路的水吸收熱量并經(jīng)處理后成為干度很高的飽和蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，最終把熱能變成電能[4]。其中，蒸汽發(fā)生器的熱平衡如圖1所示，熱平衡法核電站熱功率的計(jì)算式為：

Qcore=Wfw×(Hs-Hfw)-Wbd×(Hs-Hbd)+Qlo

(2)

式中Hbd——蒸汽發(fā)生器出口處排污水的比焓，Hbd=h(ps) ；

Hfw——蒸汽發(fā)生器入口處給水比焓，由給水溫度和壓力決定；

Hs——蒸汽發(fā)生器出口處蒸汽的比焓，由蒸汽壓力和蒸汽發(fā)生器的水分殘留量決定(通常保守的假定該殘留量為0或介于0與測(cè)試值之間)；

ps——蒸汽母管壓力；

Qcore——反應(yīng)堆堆芯熱功率；

Qlo——其他向反應(yīng)堆冷卻劑傳熱的功率或熱功率損失；

Wbd——排污流量；

Wfw——給水流量。

圖1 蒸汽發(fā)生器熱平衡示意圖

實(shí)際工程中給水質(zhì)量流量測(cè)量通常比蒸汽流量測(cè)量更精確，并且在長(zhǎng)期運(yùn)行條件下，這兩個(gè)流量與排污水流量形成平衡。排污水和其他熱量損失在熱功率計(jì)算時(shí)僅作為很小的修正項(xiàng)，而且蒸汽和給水的比焓相對(duì)來(lái)說是比較準(zhǔn)確的，因此熱功率的計(jì)算結(jié)果的不確定度主要取決于給水流量測(cè)量的不確定度[5]。以法國(guó)電力公司(EdF)給出的計(jì)算分析結(jié)果為例，熱功率的不確定度有83.18%是由給水流量測(cè)量的不確定度造成的[6]，因此，提高給水流量測(cè)量的準(zhǔn)確度對(duì)于獲得準(zhǔn)確的熱功率計(jì)算值非常重要。

根據(jù)美國(guó)核管會(huì)導(dǎo)則RG 1.49的規(guī)定[7,8]，與應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)(ECCS)有關(guān)的電廠安全分析必須在102%或高于102%額定功率下進(jìn)行，即保留2%功率不確定度裕量。當(dāng)電站處于100%滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，功率計(jì)算的不確定度應(yīng)小于2%，否則極易引起超功率運(yùn)行事故，而對(duì)于功率計(jì)算不確定度貢獻(xiàn)最大的主給水流量的不確定度應(yīng)盡可能小，以保證該限值。

2.3 工藝系統(tǒng)的限制

系統(tǒng)設(shè)計(jì)及管道布置等因素也是限制節(jié)流裝置選型的重要因素，包括管道布置時(shí)流出節(jié)流裝置的直管段長(zhǎng)度、系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)允許節(jié)流裝置造成的不可恢復(fù)壓力損失、工藝管道等級(jí)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)提出的各工況下的介質(zhì)參數(shù)等。由于主給水管道流通能力大、壓力高，如果采用壓力損失高的節(jié)流裝置，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成能量損耗，因此首選壓損低的儀表，并且降低壓損；而系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)則直接決定被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)，即雷諾數(shù)；管道的設(shè)計(jì)等級(jí)及安全等級(jí)及連接方式等也對(duì)節(jié)流裝置選型有一定限制。

3 C-2項(xiàng)目主給水流量測(cè)量裝置

基于上文的分析，C-2項(xiàng)目最終選用了低β值喉部取壓噴嘴來(lái)測(cè)量主給水流量，該噴嘴永久壓力損失非常小，適用于高能管道測(cè)量；且如果制造合格，能滿足ASME PTC 6-1996的各項(xiàng)要求。經(jīng)實(shí)流標(biāo)定后，不確定度可以達(dá)到±0.25%以內(nèi)；雖然需要實(shí)流標(biāo)定，但在滿足一定條件的前提下，標(biāo)準(zhǔn)允許使用外推，因此對(duì)于標(biāo)定臺(tái)架的要求也降低了很多；直管段長(zhǎng)度也能滿足工藝布置的要求。雖然對(duì)于制造工藝提出了較高的要求，且對(duì)于該設(shè)備的制造經(jīng)驗(yàn)比較缺乏，但目前國(guó)內(nèi)有部分廠家引進(jìn)了高精度的數(shù)控機(jī)床等機(jī)加工設(shè)備，經(jīng)研究攻關(guān)后還是能夠完成研制的。

3.1 低β值喉部取壓噴嘴

C-2主給水流量測(cè)量裝置采用了如圖2所示的結(jié)構(gòu)，4對(duì)取壓口隔90°均勻分布，經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)嚴(yán)格標(biāo)定之后，取出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的兩對(duì)取壓口，并采用均壓環(huán)連接，在均壓環(huán)上配置截止閥，以便截?cái)嗑鶋涵h(huán)；制造商在加工噴嘴時(shí)也加工了前后直管段，在前直管段安裝了整流器，前后直管段的粗糙度符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。以上改進(jìn)措施提高了整套系統(tǒng)的測(cè)量精度，根據(jù)節(jié)流裝置的計(jì)算書和標(biāo)定機(jī)構(gòu)的校驗(yàn)報(bào)告，C-2主給水節(jié)流裝置的制造、加工都能滿足ASME PTC6-1996的各項(xiàng)要求，其測(cè)量精度較C-1有了很大的改進(jìn)，流出系數(shù)不確定度達(dá)到了±0.25%。

圖2 低β值喉部取壓噴嘴示意圖

3.2 性能與特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)核電廠的高精度主給水流量測(cè)量裝置大多依賴進(jìn)口，本裝置從設(shè)計(jì)、制造到標(biāo)定全過程都實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，對(duì)于同類型設(shè)備來(lái)講尚屬首次，技術(shù)水平處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。大部分法國(guó)堆型核電廠的主給水流量測(cè)量采用文丘里管作為主測(cè)量裝置(孔板用于與文丘里管互相標(biāo)定)，三代核電AP1000堆型采用的主給水流量測(cè)量組件也是文丘里管，該組件除了主測(cè)量元件(文丘里管)與本裝置不同外，其他設(shè)計(jì)包括前后直管段、整流器的設(shè)計(jì)以及標(biāo)定方法均與本裝置相同或類似，且本裝置的性能指標(biāo)與AP1000主給水流量測(cè)量組件相同，技術(shù)上與三代核電并無(wú)太大差異，因此技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)設(shè)計(jì)同步。表1為本裝置與AP1000主給水流量測(cè)量裝置的性能指標(biāo)對(duì)比。

表1 低β值喉部取壓噴嘴與AP1000

從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說，以C-2工程為例，進(jìn)口的主給水流量測(cè)量裝置報(bào)價(jià)是每臺(tái)300萬(wàn)元以上，且根據(jù)質(zhì)保要求，業(yè)主與設(shè)計(jì)方應(yīng)對(duì)設(shè)備的制造與實(shí)流標(biāo)定進(jìn)行見證，以及其他技術(shù)協(xié)調(diào)會(huì)議等所產(chǎn)生的一系列費(fèi)用也相當(dāng)可觀。而本裝置實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化之后，總成本控制在每臺(tái)50萬(wàn)元左右，并且業(yè)主與設(shè)計(jì)方能很方便的對(duì)制造過程與試驗(yàn)過程進(jìn)行全程見證，質(zhì)量控制得力，從而保證了最終交貨產(chǎn)品的性能與可靠性。

3.3 計(jì)算與標(biāo)定

經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)流出系數(shù)還不能做出令人滿意的預(yù)測(cè)，因此有必要通過試驗(yàn)對(duì)節(jié)流裝置進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)應(yīng)在具有相關(guān)資質(zhì)的設(shè)施上進(jìn)行，且盡量模擬現(xiàn)場(chǎng)的安裝情況。2008年4月，在機(jī)械工業(yè)大型水電設(shè)備大型電機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的高水頭水力機(jī)械通用試驗(yàn)I臺(tái)上，按照該中心的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)程序?qū)τ糜贑-2主給水流量測(cè)量的低β值喉部取壓噴嘴進(jìn)行了校驗(yàn)。

3.3.1標(biāo)定試驗(yàn)簡(jiǎn)介

噴嘴流量計(jì)的檢定采用容積法，帶有表讀數(shù)器的120m3金屬量器(直徑為4.8m，高6.75m)的精度為0.08%。兩只氣缸帶動(dòng)切換器工作，將流經(jīng)噴嘴流量計(jì)的水切入到120m3金屬量器中，同時(shí)觸發(fā)行程開關(guān)使計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，行程開關(guān)的精度為0.001s。當(dāng)一個(gè)測(cè)程結(jié)束，水流被切回旁通管道中時(shí)，計(jì)時(shí)器同時(shí)停止計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)采集器記錄所用時(shí)間。使用鉑熱電阻溫度傳感器測(cè)量水溫，用壓力表測(cè)量檢驗(yàn)管路中的壓力，以此計(jì)算水密度。取壓口的差壓測(cè)量采用Rosemount高精度的差壓變送器。

校驗(yàn)應(yīng)至少包含20個(gè)可接受的點(diǎn)，這20個(gè)點(diǎn)在試驗(yàn)臺(tái)架上的雷諾數(shù)范圍應(yīng)盡量覆蓋所有工況，若在同一個(gè)雷諾數(shù)上進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)時(shí)結(jié)果出現(xiàn)0.1%以上的偏差，則推薦在該雷諾數(shù)上再做一次獲得一個(gè)額外試驗(yàn)點(diǎn)。若這20個(gè)點(diǎn)符合要求，但實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)無(wú)法覆蓋所要求工況，該標(biāo)準(zhǔn)允許對(duì)校驗(yàn)曲線進(jìn)行外推[9]。所有4組取壓口都應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn)，選出兩組能最大程度滿足ASME PTC-6要求(包括Cxavg判據(jù)、Cx獨(dú)立性判據(jù)、校驗(yàn)數(shù)據(jù)離散度判據(jù))的取壓口。

3.3.2標(biāo)定結(jié)果

本次試驗(yàn)包含了21個(gè)可接受的測(cè)程，雷諾數(shù)變化范圍從1.657×106到3.397×106。但實(shí)際上根據(jù)C-2主給水的工況，設(shè)計(jì)溫度達(dá)到220℃，設(shè)計(jì)流量接近1 000t/h，最大流量更是達(dá)到了1 200t/h，由此可以計(jì)算出在C-2運(yùn)行過程中，所要求的雷諾數(shù)范圍最大值接近1×107，由于該機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)臺(tái)駕無(wú)法滿足這么高的雷諾數(shù)，故需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 校驗(yàn)結(jié)果

表2中Cx為流出系數(shù)C與雷諾數(shù)Re的函數(shù)，無(wú)量綱；b±tS(b)為一元線性回歸方程a=Cx-b×Re中斜率b的95%置信度，S(b)為斜率b的標(biāo)準(zhǔn)偏差，t為學(xué)生分布因子。由表2可知：1#、3#、4#取壓口滿足Cxavg在[1.006 29，1.007 40]范圍之間的要求，1#、3#取壓口更為理想一些。另外，1#、3#口的Cx值的95%置信度下的置信區(qū)間也沒有超過6.000 0×10-4，b±tS(b)的值也滿足跨零分布的要求。因此，可以認(rèn)為1#、3#更大程度上滿足ASME PTC6的要求，所以判定為合格，并作為實(shí)際使用的取壓口。

綜上所述，1#和3#取壓口校驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿足ASME規(guī)定的判據(jù)，所以對(duì)1#和3#取壓口進(jìn)行外推。依照ASME規(guī)程的規(guī)定，根據(jù)上述的校驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)當(dāng)噴嘴流量計(jì)的雷諾數(shù)分別為4.840×106、7.260×106、9.681×106時(shí)的相應(yīng)流出系數(shù)C值，結(jié)果見表3。

表3 1#、3#取壓口的外推結(jié)果

3.3.3差壓計(jì)算與補(bǔ)償

由于節(jié)流裝置的尺寸校驗(yàn)、標(biāo)定等都是在常溫下進(jìn)行，而實(shí)際運(yùn)行工況的溫度高達(dá)220℃，與常溫20℃左右有巨大的差異，為保證獲得高精度的測(cè)量結(jié)果，因此部分對(duì)溫度敏感的參數(shù)必須經(jīng)過溫度補(bǔ)償。

在設(shè)計(jì)工作溫度220℃下，計(jì)算管道內(nèi)徑D220和節(jié)流裝置喉部?jī)?nèi)徑d220，其計(jì)算式分別為[10,11]：

D220=D20[1+ΛD(t1-20)]

(3)

d220=d20[1+Λd(t1-20)]

(4)

式中d20——20℃下(常溫下)實(shí)測(cè)得到的噴嘴喉部?jī)?nèi)徑；

D20——20℃下(常溫下)實(shí)測(cè)得到的管道內(nèi)徑；

Λd——節(jié)流件材料的線膨脹系數(shù)；

ΛD——管道材料的線膨脹系數(shù)。

直徑比β220的計(jì)算式為：

β220=d220/D220

(5)

根據(jù)標(biāo)定報(bào)告上給出的流出系數(shù)C計(jì)算流量系數(shù)α，其計(jì)算式為：

(6)

查表得220℃下介質(zhì)的密度ρ1，根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算不同流量所對(duì)應(yīng)的差壓值，其計(jì)算式為：

(7)

在不同溫度下，同一流量所測(cè)的對(duì)應(yīng)差壓是不同的。由于系統(tǒng)冷態(tài)調(diào)試時(shí)，溫度不會(huì)達(dá)到220℃的設(shè)計(jì)溫度，相同流量下溫度低時(shí)差壓變送器測(cè)得的差壓值較220℃時(shí)的差壓值小。在冷態(tài)調(diào)試時(shí)，可使用上述步驟根據(jù)測(cè)得的溫度值和一定的流量值來(lái)標(biāo)定差壓值所對(duì)應(yīng)流量。

4 結(jié)束語(yǔ)

在以往的核電廠主給水系統(tǒng)中，使用孔板、文丘里管或長(zhǎng)頸噴嘴等節(jié)流裝置或它們的組合來(lái)測(cè)量主給水流量，但由于受限于國(guó)內(nèi)廠商的技術(shù)能力、機(jī)加工水平和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定能力，應(yīng)用于核電廠主給水流量測(cè)量的節(jié)流裝置大部分依賴進(jìn)口。低β值喉部取壓噴嘴節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)、制造與標(biāo)定分別由上海核工程研究設(shè)計(jì)院、江陰宏達(dá)儀表有限公司和機(jī)械工業(yè)大型水電設(shè)備大型電機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心完成，本裝置的設(shè)計(jì)、制造和標(biāo)定嚴(yán)格執(zhí)行了ASME PTC6-1996的各項(xiàng)要求，并按照核電廠設(shè)備的質(zhì)保要求進(jìn)行制造、流量標(biāo)定、驗(yàn)收和文件提交，實(shí)現(xiàn)了完全的國(guó)產(chǎn)化和自主化，對(duì)于同類型設(shè)備來(lái)講尚屬首次，技術(shù)水平處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。