海外華龍一號蒸汽流量測量通道驗證

胡家成

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223）

卡拉奇K2 機組是海外第一臺華龍一號堆型，反應堆熱功率3050MW，電功率1145MW，機組于2015 年8 月20日開工建設，2021 年5 月20 日移交巴方。

主蒸汽流量是監測核電廠運行的重要參數，核電廠的主蒸汽流量信號用于啟動安全注射和啟動主蒸汽管線的隔離、控制主給水閥開度，并在蒸汽和給水流量失配與任何一臺蒸汽發生器低水位符合時觸發反應堆緊急停堆，也可用于發電功率的計算。當機組進入裝料后啟動階段，需要對蒸汽發生器蒸汽流量通道進行全面的檢查驗證，確保各功率平臺下所有蒸汽流量通道精度滿足要求。

1 主蒸汽系統介紹及蒸汽流量測量

1.1 主蒸汽系統

主蒸汽系統（TSM）用于將蒸汽由蒸汽發生器輸送到汽輪機及凝汽器、汽水分離再熱器、除氧器等設備。主蒸汽系統與主給水流量控制系統（TFM），啟動給水系統（TFS）和輔助給水系統（TFA）一起，用于在電廠正常運行工況、緊急工況及事故工況下排出由反應堆產生的熱量。主蒸汽系統主要由主蒸汽管線、主蒸汽隔離閥（MSIV）、蒸汽發生器安全閥（MSSV）、疏水管線及其他閥門等設備組成，主蒸汽系統的正常運行是指機組運行在5%以上汽輪機負荷且發電機處于并網狀態。在該負荷下，堆芯功率和汽輪機負荷處于平衡狀態，反應堆和汽輪機控制系統處于自動控制狀態，汽輪機旁路系統（TSA/TSC）隔離。正常運行工況下，主蒸汽隔離閥開啟，主蒸汽安全閥關閉，MSIV 旁路管線關閉，輔助給水泵汽輪機供氣管線上的隔離閥開啟，讓管線處于連續加熱狀態，MSIV 上游疏水管線隔離。當處于廠用電負荷或者汽輪機停機時，堆芯功率和汽輪機負荷不平衡，多余蒸汽通過汽輪機旁路系統排到凝汽器中[1]。

1.2 主蒸汽流量測量

主蒸汽差壓流量測量的壓力來源取自于不同的系統：高壓端取自于主給水流量控制系統（TFM）蒸發器液位測量儀表的低壓端；低壓端取自于主蒸汽流量測量的節流件管段末端。高、低壓測量管線均將蒸汽介質引至冷凝罐的側面接口，并在冷凝罐形成標高穩定的引壓液面，從冷凝罐的下側接口通過儀表管線與差壓變送器連接，將蒸汽流量節流件前后的壓差通過冷凝水傳導至差壓變送器的高、低壓測量端口[2]，如圖1 所示。

圖1 主蒸汽流量測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of main steam flow measurement

主蒸汽流量測量信號由12 臺流量測量變送器及相關DCS 卡件組成，每個環路有4 臺流量變送器，3 個環路共計12 臺，分別是TSM001MD ～TSM012MD。主蒸汽流量變送器是上海光華生產的CECC(H3)/K-55E0G22B5S1(T)型變送器，設計量程是0t/h ～2500t/h，變送器差壓范圍是0Kpa ～99.6Kpa，變送器的精度等級是0.777%，安全級控制系統卡件精度等級是0.25%，非安全級控制系統卡件精度等級是0.05%。主蒸汽流量測量通道信號用于引發反應堆停堆、安全注入和蒸汽管線隔離等。

2 蒸汽流量通道試驗

2.1 試驗目的和先決條件

在反應堆功率上升階段，驗證二回路主蒸汽流量等儀表通道的有效性，確保主蒸汽流量的測量值和參考值的誤差滿足設計要求。

主蒸汽流量傳感器TSM001MD、002MD、003MD、004MD、005MD、006MD、007MD、008MD、009MD、010MD、011MD、012MD 和主蒸汽母管壓力變送器TSM024、025MP 已正確安裝且校驗合格可用，相關的TSM通道試驗已執行。蒸汽流量變送器零點檢查應在電站臨界狀態之前或者蒸汽發生器（SG）處于隔離狀態時的額定熱備用狀態，主蒸汽隔離閥、旁路隔離閥及旁排閥關閉之后進行。蒸汽流量變送器零點檢查是在每臺蒸汽發生器上逐個進行，該蒸發器應與二回路其它部分的蒸汽與給水側隔離。

2.2 試驗過程

2.2.1 零位調整

主蒸汽流量變送器在正常運行工況下容易出現零點漂移，因此機組在熱停堆工況下，需要驗證蒸汽流量變送器的零點。

在熱停堆期間，分別對12 臺蒸汽流量變送器進行零位調整，每個環路須單獨操作，零位調整前需主控室操縱員配合關閉3 臺主蒸汽隔離閥，關閉一個環路汽輪機旁路-A系統（TSA）大氣釋放閥，確保當前環路無蒸汽流動，將環路壓力保持在一個相對穩定的范圍，避免對零位調整造成干擾。由于長時間憋壓，會導致一回路溫度和壓力升高，所以必須同時確保其他兩個環路汽輪機旁路-A 系統大氣釋放閥開啟。根據以往工作經驗，將變送器零點輸出調整為4.02mA，由于管線可能有蒸汽波動，故需多次驗證變送器零位準確性。在保證零位調整準確的前提下，盡量快速完成3 個環路蒸汽流量計零位調整工作，然后恢復TSA 大氣釋放閥為自動狀態。

2.2.2 通道驗證

在變送器零位調整完成后，分別在15%FP、25%FP、50%FP、75%FP、90%FP、100%FP 功率平臺，對TSM 系統蒸汽流量通道進行驗證。蒸汽流量通道驗證參考以下參數及公式：

1）Qfw0：參考流量，2TFM005-007YD 孔板變送器測量流量。

2）Qfw：文丘里管測量的給水流量。

3）ξ0、ξfw：測量不確定性。

4）Qbd：蒸發器排污流量。

5）Qst0：蒸汽流量，2TSM001 ～012MD 變送器測量流量。

6）ξbd、ξst：排污精度，蒸汽流量精度。

7）Pref：參考壓力。

8）Ptsm：蒸汽母管壓力。

9）ξref、ξtsm：測量不確定性。

用ΔP計算蒸汽流量。

ρ：在PV 時的密度。

ΔP：傳感器差壓。

K：由邊界條件定義。

Qst=Qr0（Qr0：流量變送器量程[T/h]）。

ΔP=R0（R0：流量變送器量程[kPa]）。

ρ=ρ0，ρ0為壓力P0時的密度。

流量計算公式如下：

由ΔP測量產生的誤差：

飽和蒸汽測量范圍是6.8MPa ～7.63MPa，設計院根據蒸汽壓力和飽和蒸汽密度擬合出壓力-蒸汽密度曲線，ρ=5.9P-4.82 且ρAVG=38 Kg/m3。

因而

試驗壓力表的δP值為0.0125Mpa：

另外

2.3 試驗中出現的問題

根據設計院的指導文件《主給水和主蒸汽系統名義值的確定和儀表通道標定檢查》要求，蒸汽流量必須滿足：|Qfw0-Qbd-Qst|＜ξst+ξ0+ξbd。其中，Qfw0 為熱平衡給出的給水參考流量；Qbd 為蒸汽排污流量；Qst 為蒸汽流量；ξ0 為孔板測量精度；ξbd 為排污精度；ξst 為蒸汽流量精度[3]。在15%FP、25%FP、50%FP 平臺，所有蒸汽流量通道均滿足要求。在75%FP、90%FP、100%FP 功率平臺，蒸汽流量通道精度不符合誤差要求。具體數據見表1。

表1 75%FP、90%FP、100%FP功率平臺蒸汽流量通道數據Table 1 Steam flow channel data of 75% FP, 90% FP, and 100% FP power platforms

表2 一環各功率平臺蒸汽流量通道數據Table 2 Steam flow channel data of each power platform in the first ring

3 蒸汽流量通道解決方案

在反應堆功率重新升至各平臺后，對參考流量和實測流量的偏差進行重新判定。如果偏差再次超過要求值，使用臨時方案對需要再次調整量程的通道進行單獨在線修正。

3.1 新量程計算

如果差壓變送器零點被正確調整，并且冗余通道之間的偏差不超過允許范圍，就需要計算變送器的新量程；執行校驗可使測量通道的指示值和100%FP 下熱平衡獲得的參考值一致。如果在100%FP 不滿足準則，需使Qref=Q。Qref由熱平衡給出，Q由相關通道給出。于是：

Rn：新量程

以一環為例，在反應堆功率達到90%FP 時，整理收集各功率平臺數據，根據功率平臺和平均蒸汽流量擬合出FP - AVE(Qst)曲線，y=1935.6x-60.144。根據功率平臺和平均參考蒸汽流量擬合出FP - AVE(Qref)曲線，y=2087.1x-82.157。根據?P 和(Qref/Qr)2擬合出?P-(Qref/Qr)2曲線，y =87.242x+ 0.0996。提前預估出變送器新的量程，初步制定量程修改方案，等待功率升至100%FP 時讀取相關參數，然后計算真正的新量程，將初步估算值和最終計算值進行對比，兩者數值非常接近。

根據計算公式計算預估新量程為Rn1=99.6×1875.46×1875.46÷2004.94÷2004.94=87.15，實際新量程為Rn1=99.6×1894.97×1894.97÷2018.20÷2018.20=87.8。

根據100%FP 滿功率平臺實際數據計算，3 個環路新量程不一致。分別是一環新量程為0kPa ～87.8kPa，二環新量程為0kPa ～88.8kPa，三環新量程為0kPa ～87.2kPa。計算出新量程后組織交流討論，新量程數據得到調試專家組及設計院代表認可。

3.2 新量程驗證

在100%FP 下計算出的新量程可以通過?P 和Qref之間的線性反演算來驗證，即Qref=f（?P）的反演算。在不同功率水平下：

式（8）中：Qref為參考流量（熱平衡）；ρ為密度（熱平衡）；ρ0為傳感器在校驗時的密度。

用獲得的值?P 進行線性反演算：

如果符合下列條件，則標定結果正確：

A ≈Rn B ≈0

在此情況下，線性反演算校正系數≈1。在功率提升結束前，不能重新調整量程和零點，否則，線性反演算的結果就不可靠。

新量程驗證，根據調整前75%FP、90%FP、100%FP功率平臺數據，利用?P 反推新量程后對應的流量，然后計算所有通道誤差，所有通道滿足精度要求。表3 是調整后75%功率平臺反推數據。

表4 調整量程后90%FP平臺蒸汽流量通道反推數據Table 4 Reverse extrapolation data of 90% FP platform steam flow channel after adjusting the range

3.3 變送器量程調整及零位調整

調整就地變送器量程，將12 塊變送器的量程從99.6kPa 調整到新量程，同時在合適的窗口重新調整零位。

在熱停堆期間準備好變送器、萬用表、打壓儀、呆扳手、螺絲刀等備件和工器具。由于流量測量變送器安裝在反應堆廠房，屬于輻射控制區，因而在去現場調整前先在辦公室進行預操作，提前讓工作組成員熟悉操作步驟和注意事項，提高現場工作效率，減少輻射環境下的工作時間?，F場進行量程調整時，關閉變送器三閥組，將變送器正壓腔引壓管拆除，連接打壓儀，確認管線無漏氣后用打壓儀輸出壓力為新的量程值，同時用萬用表測量此時的電流值，順時針調整滿量程旋鈕，萬用表顯示接近20mA 時進行微調，20mA 時停止調整。多次重復該操作，確保新量程調整無誤。單個變送器量程調整完成后，恢復連接管線，投用變送器。變送器量程調整工作可3 個環路同時進行，加快現場工作進度。

3.4 DCS量程修改

主蒸汽流量變送器流量信號送非安全級控制系統參與蒸發器水位調節控制，送安全級控制系統參與反應堆保護控制。在IPC 和IPG 系統分別對12 塊蒸汽流量變送器進行量程修改下裝，確保DCS 側量程參數和就地儀表量程參數保持一致。

4 重新試驗

主蒸汽流量變送器量程調整完成及DCS 通道量程修改完成后，根據工期安排，按照《驗證蒸汽發生器給水流量和蒸汽流量測量通道》調試規程要求，分別在15%FP、25%FP、50%FP、75%FP、90%FP、100%FP 功率平臺，重新對TSM 系統流量通道進行試驗分析，經過多次反復讀取試驗相關數據，計算得出所有蒸汽流量通道精度均滿足誤差要求。

5 結論

本文主要對卡拉奇K2 機組的蒸汽流量通道參數在不同的功率平臺進行試驗分析，針對蒸汽流量變送器通道精度不滿足要求進行優化調整，完美解決了蒸汽流量通道精度不滿足要求的缺陷。調試方案優化后，顯著提高了蒸發器水位控制系統的穩定性，確保機組更加安全穩定運行。

卡拉奇K2 機組作為海外首臺華龍一號機組，調試經驗非常寶貴，特別是對后續將開展調試同樣的華龍一號堆型來說，有大量可以借鑒的地方，為機組后續安全穩定運行打下堅實基礎，同時也可為其他電廠調試提供思路，對于加快核電調試進度有著重要意義。