AP1000三门项目二回路主给水流量测量分析

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  摘要:文章介绍了AP1000三门项目二回路主给水系统中所采用的流量测量方法及装置,并与其他电厂常见流量测量方法进行对比,说明该测量方式的优越性。同时,针对其高精度的特点,提出了其用途的扩展,使其可用于支持小幅提升机组功率,增加机组效益。
  关键词:超声波;文丘里管;AP1000;主给水流量
  中图分类号:TM623 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2013)15-0040-04
  1 概述
  核电站二回路主给水系统的主要功能是为蒸汽发生器提供给水,并保持其液位,同时蒸汽发生器可以通过换热作用,利用反应堆产生的热量加热给水并产生蒸汽来推动汽轮发电机发电。给水通过主给水泵和启动给水泵输送,流量过大可能导致蒸汽发生器液位过高,从而影响产生的蒸汽品质,蒸汽中水分过高会损坏汽轮机叶片;流量太小可能导致蒸汽发生器液位过低,从而无法充分导出反应堆产生的热量,在造成功率浪费的同时也可能引起堆芯过热的危险。当电厂处于稳态运行时,热功率测量系统需要使用主给水流量信号来精确测量一回路系统总的热功率。另外,主给水流量还用于其他一些关联的试验项目。因而对二回路给水流量的准确测量就显得非常重要。
  为了更加精确地测量二回路给水的流量,AP1000三门项目采用了不同于一般电站的测量方法,使用多种流量测量装置相结合的方法,特别是引入了一套高精度的超声波流量测量装置,使测量结果更具代表性和参考价值。这套测量装置的整体测量优势明显,但并没有得到充分利用,本文针对其高精度特点,对其用途进行扩展分析,使其适用于支持小幅提升机组功率,提高利用率。
  2 AP1000三门项目二回路主给水流量测量
  2.1 测量方法
  二回路主给水的测量采用三种流量测量装置相结合的方法,其测量回路如图1所示。在进入蒸汽发生器的两条主给水管道上,最下游是一套文丘里管流量测量装置,提供给水流量测量的基础数据,信号用于调节主给水控制阀和启动给水控制阀,也用于总的热功率计算。中间是一个多孔的节流孔板,主要用于减小紊流,提高下游文丘里管流量计的测量精度,不做信号出。上游是一套超声波流量测量装置,精度比较高,主要用于校准下游的文丘里管流量计,并提供给水的压力和温度数据,但不用于控制连锁。
  2.2 文丘里管流量测量装置
  文丘里管是一种节流件,如图2所示,流体经过节流件产生差压,利用差压和流速的关系测出流量,这就是差压式流量计的基本原理。
  充满管道的流体,当它流经管道内的节流件时,流速将在节流件处形成局部收缩,因而流速增加,静压力降低,于是在节流件前后便产生了压差。流体流量越大,产生的压差就越大,这样就可以依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程和伯努利方程为
  基础:
  式中:
  qm和qv——质量流量和体积流量
  C——流出系数
  ε——可膨胀性系数
  d——节流件开孔直径
  β——直径比d/D
  D——管道内径
  ρ1——被测流体密度
  ?ρ——差压
  差压变送器通过引压管线和文丘里管装配在一起配套使用,把差压通过计算转化为对应的流量数据,提供给DCS系统用于显示和控制。三门项目在每个文丘里管上配备了三个窄量程和三个宽量程的差压变送器,完成主给水流量控制以维持蒸汽发生器液位。
  2.3 节流孔板
  文丘里管流量计上游装有一个多孔的节流孔板,安装在主给水管道的截面上,该节流孔板不用于流量测量,没有配备对应的差压变送器,主要是想利用多孔节流孔板相对于单孔节流孔板具有减小紊流的特点,用于改善流体质量,以提高其下游文丘里管流量计的测量精度。
  多孔节流孔板每个孔的尺寸和分布都是基于特殊的公式和测试数据而定制的,称为函数孔。当流体穿过圆盘的函数孔时,流体将被平衡整流,减少了涡流的形成和紊流摩擦,降低了动能的损失,形成近似理想流体,从而还可以大大降低死区的形成,并保证脏污介质顺利通过多个孔,减少了流体孔被堵塞的机会,其最小直管段也只需要0.5D(管道直径)左右。如图3所示,我们可以清楚地看出多孔节流孔板相对于单孔节流孔板对流体的改善作用。
  2.4 超声波流量测量装置
  超声波在流动的流体中传播时可以载上流体流速的信息,因此我们通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速,从而换算成流量。AP1000三门项目主给水流量测量应用了西屋LEFM技术超声波流量计,采用传播速度差法,通过测量顺逆流传播的时间差法来计算流体流量。其中LEFM(Leading Edge Flow Meter,Leading Edge)是一种信号检测的方式,即所谓的上升沿触发,当检测器检测到信号波形发生突增时,认为信号到达。LEFM技术超声波流量计通常也叫“前沿流量计”,其发源就是三门项目核岛设计方美国西屋公司,验证精度可高达0.3%。
  三门项目采用的LEFM超声波流量计在传感器部分,采用了交叉的八声道设计,声道与管道成45°角,如图4所示,这样可以提高测量精度。另外在超声波流量计的直管段上,还配有一个压力变送器以及一个四线制的RTD(热电阻),用作流体流量计算的补偿。其中压力变送器用于流体介质密度和流量的计算,无报警和控制功能,在主控室有显示;RTD用于流体介质的密度、热焓及流量的计算,无报警和控制功能,在主控室有显示。另外,一台专用的超声波流量计机柜,用于接收和处理就地侧超声波流量计测得的数据,包括传播时间间隔、介质压力及温度等,计算得到主控室显示所需要的流量、温度、压力及故障诊断等信号。
  这里以单声道为例,来说明超声波流量计的流量计算原理,如图5所示:
  假设流向为从左到右,即A→B,那么就有:   式中:
  Tup——声波由B→A的传播时间
  Tdown——声波由A→B的传播时间
  L——AB之间斜线距离
  C——声波在介质中的传播速度
  V——介质的流速
  θ——AB斜线与水平管道之间的夹角
  于是我们可以计算出介质的平均流速V:
  由公式我们可以看出,依照这种方法测得的介质流速与声波在介质中的传播速度没有关系,因此不受介质的温度、密度和化学成分等的影响。同时,八支声道同时工作,再通过积分算法,更加提高了测量精度。
  最终介质的质量流量或体积流量由流速、密度以及管道截面积计算得到,而且介质密度是一个由温度和压力补偿计算得到的在线实时值。
  式中:
  qm和qv——质量流量和体积流量
  n——声道数
  S——两声道之间的过水断面面积
  3 与常规主给水流量测量方法对比
  3.1 常规主给水流量测量方法
  目前国内核电站对于主给水流量的测量大都是采用单纯的差压测量方法,即采用流量孔板加配宽窄量程差压变送器的方法。孔板式流量计是目前应用最广泛的流量计,结构简单牢固,性能稳定,使用寿命较长,测量精度一般在2%左右。
  3.2 两种测量方法的区别和分析
  AP1000三门项目所采用主给水流量测量方法比常规核电要复杂,但测量信号的基础还是差压式流量计,只是精度和可靠性更高。这种方法的优势体现在:
  3.2.1 以文丘里管流量计保证测量的稳定可靠性。文丘里管流量计具有孔板流量计结构牢固、性能稳定和使用寿命长的优点。同时文丘里管的节流部位无锐缘,不存在积污条件,能量损失小,压头损失约为测得压头的10%。法国的Grave lines和国内的岭澳、大亚湾等核电,就曾出现过由于孔板结垢引起孔板几何尺寸变化导致主给水流量测量不准确的问题。
  3.2.2 多孔节流孔板的采用,更加提高了文丘里流量计的测量精度。如果能完全按照ASME标准精确制造,文丘里管流量计测量精度可以达到0.5%,但是国产文丘里管由于其制造技术问题,精度很难保证。三门项目采用的进口文丘里管流量计精度为1%,而多孔节流孔板对流体品质的改善,又可以有效地保证该精度。
  3.2.3 高精度交叉式超声波流量计用于校准文丘里流量计。超声波流量计相对于文丘里管和孔板流量计,精度要高,直管段要求低,还可做非接触式测量,无流动阻扰,无压力损失。
  另外孔板在运行期间受到安装质量、迎面角的磨损、迎面光洁度的变化、孔板变形、孔板结垢、测量管道结垢等因素影响,可能会出现孔板流量测量的误差随着使用时间的增长而增大,导致主给水流量测不准的情况出现。同样对于文丘里管,流体对喉管的长期冲刷,致使其磨损严重,无法保证长期的测量精度。从而影响到反应堆热功率的准确性。同时这些因素是在孔板和文丘里管运行期间无法估计并监测到的。而不同于孔板和文丘里管类的机械式流量计,超声波流量计作为电子技术流量计,除了可以获得高精度的流量数据以外,还可以实现实时的自诊断和状态检测,有利于及时发现问题。
  4 超声波流量测量装置用于小幅提升功率
  4.1 超声波流量计利用率低问题
  由上述可知,目前AP1000三门项目的主给水流量测量方式,较传统的孔板测量方式在性能上有明显优势,但是成本较高。该方式主体还是运用文丘里管流量计测量得到的数据,只有这些数据用于相关的连锁控制、实验和计算等;而更高精度的超声波流量计数据,只限于主控室的显示和诊断报警功能,用于人为地核对校准文丘里管流量计数据,以便及时发现文丘里管流量计出现的问题,并未参与到实际的运行控制中。这样就造成了高精度数据利用率的浪费。
  4.2 主给水流量信号用于计算一回路总热功率
  根据核电的设计要求,当电厂处于稳态运行时,热功率测量系统使用主给水流量信号来精确测量一回路系统总的热功率:
  式中:
  QSG——蒸汽发生器热功率,三门项目单台机组有2台蒸汽发生器
  Gf——主给水流量
  Gd——排污流量
  hs——蒸汽发生器出口蒸汽比焓
  hf——主给水比焓
  hd——排污比焓
  hs=hg-x(hg-hw)
  式中:
  hg——蒸汽发生器饱和蒸汽比焓
  x——蒸汽发生器出口蒸汽湿度
  hw——蒸汽发生器饱和水比焓
  4.3 高精度数据用于提升功率可行性分析
  根据核安全标准,考虑到仪表有制造误差,故鉴于仪表的这种不确定性,为了保证反应堆的安全裕量,核电执照许可的热功率水平必须留有2%的裕度,这个余量用来在汽轮发电机上设计一个更高的额定容量,保证堆芯安全。这样反应堆的实际出力最大可达102%的额定值,由于超声波流量计0.3%的精度相对于常规核电孔板流量计2%的精度,主给水流量测量精度提高了1.7个百分点,即不超过反应堆实际出力的101.7%,就能满足反应堆安全裕度,这就为功率提升创造了必要的条件,如图6所示:
  目前主要是考虑到超声波流量计对主给水流量的测量在国内没有实际的运行经验,故AP1000三门项目虽然采用了该装置,但并没有让其参与到实际的运行控制中。通过后续的设计改造,并不难实现其参与实际的电厂控制
  计算。
  4.4 性价比分析
  相对于常规流量测量仪表2%的不确定度,这种交叉式的超声波流量计相对提高了1.7个百分点,根据热功率计算,若是认为提高的热功率转换成对应的电功率,粗略估算,保守估计提升1.5个百分点。
  根据三门项目单台机组1250MW的额定功率,再按照7000h的年利用小时数,可以得出单台机组年增加发电量为:1.5×1250WM×7000h=131250MWh。
  上网电价按照0.4元/kWh计算,即400元/MWh,可以得出单台机组年增收益额为:1312580MWh×400元/MWh=5250万元。
  进口交叉超声波流量计成本比较高,预估为3000万元。另外,超声波流量计还需要维护费用,主要包括每个大修周期(18个月)4万元的数据分析费用,探头寿命3个换料周期,每次更换费为20万元。平均每个大修周期的维护费用为:4万元+20万元/3=10.7万元。
  从上我们可以看出,在一个换料周期内就可以收回采购成本,每年的增益额还是很可观的。
  美国核电站目前普遍采用“交叉超声波流量测量”技术来进行主给水流量的测量,来消除运行期间主给水流量测不准的问题,保证与之相关联的其他试验的准确性,既能确保核安全,又能充分发挥机组出力能力,是小幅提升机组功率的一种有效的途径,对提高电站的经济效益有明显的作用。
  5 结语
  由于二回路主给水流量测量的准确性直接关系到核电运行的安全和机组总的热功率计算,AP1000三门项目采用了更加先进、稳定和准确的测量方法和设备来保证主给水流量数据的测量,本文详细阐述了其不同于常规核电的测量方法及设备构成,并对比分析其优缺点,提出功能扩展。分析表明,三门项目在主给水流量测量上具有更高的稳定性和精确度,并为机组小幅提升功率创造了条件,能够明显提高电站的经济效益,性价比较高,可为国内核电站二回路主给水流量测量的设计提供一定的参考。
  参考文献
  [1] 顾军,等.AP1000核电厂系统与设备[M].北京:原子能出版社,2010:209-223.
  [2] 孙淮清,王建中.流量测量节流装置设计手册[M].北京:化学工业出版社,2005.
  [3] 梁国伟,蔡武昌.流量测量技术及仪表[M].北京:机械工业出版社,2005.
  [4] 顾斌,等.三门项目1&2机组最终安全分析报告[R].上海核工院,2012.
  作者简介:郝晓锋(1985—),男,浙江宁波人,中核集团三门核电有限公司助理工程师,研究方向:仪表核
  控制。
  (责任编辑:黄银芳)
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