尤兵，劉仁朋，李曉振 （福建福清核電有限公司，福建 福清 350300）

核電站一回路冷卻劑流量變送器校準(zhǔn)方案研究

尤兵，劉仁朋，李曉振 （福建福清核電有限公司，福建 福清 350300）

電容式差壓變送器在高靜壓下會產(chǎn)生較大的測量偏差，針對福清1號機組調(diào)試執(zhí)行TP1RCP59反應(yīng)堆冷卻劑流量驗證試驗（以下簡稱TP1RCP59）時未考慮靜壓影響的算法，從反應(yīng)堆冷卻劑流量測量原理入手，對一回路流量測量的方法進(jìn)行了分析研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場驗證，分析出TP1RCP59試驗中變送器重新標(biāo)定量程選擇的正確性，提出了對今后維修期間更換變送器備件后重新標(biāo)定量程的方法，并對TP1RCP59流量計算時使用的差壓值給出了更準(zhǔn)確的計算方法。

M310；一回路；環(huán)路流量；變送器校準(zhǔn)。

福清核電一期工程堆型設(shè)計采用壓水堆M310改進(jìn)型，其一回路冷卻劑系統(tǒng)（以下簡稱RCP）是堆芯的冷卻系統(tǒng)，也是核能向熱能轉(zhuǎn)化的重要載體。一回路監(jiān)測和控制的核心是水位、壓力、溫度、流量四個參數(shù)，其中一回路流量的測量是使用彎管流量計原理實現(xiàn)的。本文從彎管流量計的原理、安裝、調(diào)試標(biāo)定方法等方面介紹福清核電一回路彎管流量計的應(yīng)用。

1 彎管流量計的工作原理

彎管流量計屬于差壓式流量計的一種，它利用了流體的慣性原理，對流體在彎管處產(chǎn)生的差壓進(jìn)行測量。當(dāng)流體通過彎管時，由于彎管的約束作用，流體在彎管內(nèi)作類似的圓周運動，從而產(chǎn)生慣性離心力。離心力與流體的流速具有單一的函數(shù)關(guān)系，其大小可以通過測量彎管內(nèi)外側(cè)的差壓確定，進(jìn)而可計算出流體的流速，將流速與管道的截面積和流體的密度相乘，即可確定流體的流量。利用伯努利方程即可推導(dǎo)出的彎管流量計流量計算公式如式（1）所示。[1]

Q ：體積流量，m3/s；

R ：彎管曲率半徑，m；

D ：彎管內(nèi)徑，m；

△p ：彎管內(nèi)外側(cè)壓力差，Pa；

ρ：流體密度，kg/m3；

C ：流量系數(shù)。

與其他節(jié)流孔板式差壓流量計相比，彎管流量計既繼承了差壓式流量計結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、測量精確的優(yōu)點，又克服了差壓式流量計壓力損失大、容易堵塞、維護(hù)困難等缺點。更為重要的是，彎管流量計的主體部分就是正常的工藝管道，無需新增缺口安裝節(jié)流裝置，對核電一回路來說，能從原理上減少一回路泄漏的風(fēng)險，并且彎管流量計對前后直管段的要求比節(jié)流孔板流量計低很多，更適合一回路主管段的實際情況，因此得到核電站的青睞。

優(yōu)點雖然顯著，但是缺點也是存在的。作為測量儀表，要求精準(zhǔn)、方便，普通儀表的標(biāo)定和校驗都是以真實物理參數(shù)為基礎(chǔ)計算一次參數(shù)值，但是一回路彎管流量計因為主管道設(shè)計、安裝、主泵流量性能等方面都存在不確定度影響，這些不確定度的存在，致使設(shè)計只能給出一個參考量程，最終的流量變送器的校驗需要在裝料后熱停堆平臺根據(jù)工況進(jìn)行標(biāo)定，增加了調(diào)試和日后維護(hù)的工作量。

2 一回路環(huán)路流量變送器標(biāo)定的準(zhǔn)備

2.1 福清一回路環(huán)路流量變送器的選型

反應(yīng)堆一回路流量測量的介質(zhì)為高溫、高壓和高輻射的“三高”流體，對測量儀表的抗輻照、抗干擾要求較高，福清1號機組一回路環(huán)路流量變送器在設(shè)計選型上屬于K1級壓力變送器，采購時選用了羅斯蒙特（Rosemount）1154系列核級差壓變送器。

設(shè)計上，環(huán)路彎管流量變送器要求實現(xiàn)0~120%FP的流量范圍監(jiān)測，設(shè)計參考差壓量程為0~110kPa。

2.2 算法和靜壓修正考慮

在《TP1RCP59反應(yīng)堆冷卻劑流量驗證》的規(guī)程中，涉及到一回路流量的重新標(biāo)定的計算，計算方法為：

（1）三臺主泵全部停運時，測量變送器的零點電流值，記錄為I0；

（2）三臺主泵同時運行時，測量變送器的輸出電流為I ;

（3）推算三臺主泵同時運行時變送器測量的差壓值，如式（2）：

（4）將三臺主泵同時運行時變送器測得的差壓值作為100%FP流量值，因流量的平方與差壓成正比，所以新的標(biāo)定量程，如式（3）：

以上是TP1RCP59規(guī)程中利用差壓和流量的對應(yīng)關(guān)系得出的彎管流量變送器的校準(zhǔn)方法，作為一種理論計算簡單易用。但是考慮到變送器的實際測量工況，以上方法只是一種結(jié)果，因為它忽略了一個重要變量：“靜壓”，下面內(nèi)容將從引入“靜壓”后的計算分析對以上TP1RCP59的試驗計算公式進(jìn)行驗證。

關(guān)于靜壓影響，羅斯蒙特1154變送器運行與維修手冊（以下簡稱EOMM）中這樣解釋：如果差壓變送器的常壓下進(jìn)行校準(zhǔn)，但是卻要使用于靜壓較高的地方，需要到量程范圍進(jìn)行重新校準(zhǔn)，以保證測量精度。羅斯蒙特特別針對1154系列每個變送器都進(jìn)行了靜壓影響測試，測試數(shù)據(jù)記錄在竣工文件中。

根據(jù)廠家EOMM數(shù)據(jù)，在一回路正常工況15.4MPa（2247 psi）下，靜壓對變送器量程的改變量約1%~2%，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 環(huán)路流量變送器靜壓修正因子

另外，因制造工藝所限，電容式差壓變送器的核心元件不可能做到完全兩邊對稱，當(dāng)靜壓較大時，無差壓時也會產(chǎn)生零點的漂移，一般會達(dá)到0.5%左右，該漂移一般為隨機性，但對于某個變送器來說漂移值是符合固定規(guī)律的。

綜合以上的量程的靜壓修正因子和零點靜壓漂移，冷態(tài)下校準(zhǔn)的0~110kPa的變送器量程在實際熱停堆工況下測量的值已經(jīng)不再適用原量程的線性關(guān)系，預(yù)計會產(chǎn)生2%左右的偏差。根據(jù)TP1RCP59的調(diào)試步驟，能夠在線調(diào)試出零點符合要求，三臺主泵同時運行流量為100%FP的輸出值，但卻使維修部門失去了對真實值的跟蹤。換句話說，因為無法跟蹤真實的量程范圍，所以失去了今后預(yù)防性變送器校驗的依據(jù)，如果因故障需要更換新的變送器，因每個變送器的出廠靜壓修正因子是不一致的，也無法預(yù)先計算出變送器需要遷移的量程，對維修工作會產(chǎn)生較大的困擾。因此，需在TP1RCP59試驗前在考慮靜壓修正的基礎(chǔ)上運用流量與差壓的關(guān)系進(jìn)行彎管流量變送器的遷移建模，得出較為精準(zhǔn)的熱態(tài)下的差壓范圍，并折算回常壓下的量程標(biāo)定值，方便維修工作的開展。

2.3 裝料前熱態(tài)功能試驗演練

在福清核電1號機組一回路水壓試驗階段，主泵正常運行期間，我們對一回路9個環(huán)路流量進(jìn)行了關(guān)注，三臺主泵全啟動的情況下，9個環(huán)路流量在DCS中顯示均為IOBAD（輸入輸出故障），實際測量變送器的輸出電流，均在22mA左右，變送器的測量原理使得4~20mA區(qū)間為線性區(qū)間，除此之外的數(shù)據(jù)都存在死區(qū)，22mA的數(shù)據(jù)很難作為線性參考，數(shù)據(jù)無法用于計算。因此，在冷熱結(jié)束后我們嘗試對所有的流量變送器進(jìn)行了常壓下的量程擴展，由110kPa擴展到140kPa。

當(dāng)?shù)谝浑A段熱試達(dá)到熱停堆工況時，在三臺主泵全啟動的情況下，三個環(huán)路的流量均在93%~95%FP區(qū)間內(nèi)，數(shù)據(jù)記錄分析后，運用初步的建模工具計算出新的量程范圍在第二階段熱試前進(jìn)行了再校準(zhǔn)，再次達(dá)到熱停零時，流量結(jié)果在99%~101%FP之間波動，達(dá)到預(yù)期要求。此次新標(biāo)定的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 熱態(tài)功能試驗標(biāo)定量程

3 靜壓修正建模

與本文中2.2節(jié)的簡單量程遷移不同，加入零點和量程的靜壓修正后，量程的標(biāo)定計算過程就比較復(fù)雜，下文4.2節(jié)將以1RCP025MD為例介紹修正后的量程標(biāo)定范圍。

4 TP1RCP59實施過程

4.1 試驗前冷態(tài)標(biāo)定

福清1號機組裝料完成后，因為壓力容器內(nèi)燃料組件的裝入，必然會使一回路的流阻發(fā)生改變，流量也會產(chǎn)生較大變化，因此為了配合TP1RCP59的實施，一回路升溫升壓前，又對所有的彎管流量變送器的量程進(jìn)行了重新標(biāo)定，更改為原始的設(shè)計定值：0~110kPa。因為此次標(biāo)定的誤差值會影響接下來的計算結(jié)論，所以要求標(biāo)定精度很高，基本要做到零點、滿點零誤差，還要對可能出現(xiàn)的100%FP測量點檢查線性情況（根據(jù)同行電廠經(jīng)驗，100%FP流量時差壓在80~85kPa左右）。[2]

4.2 TP1RCP59試驗時的靜壓修正法的重新標(biāo)定

根據(jù)試驗前確定的彎管流量變送器的標(biāo)定模型，結(jié)合試驗的過程，對每個待標(biāo)定的變送器，需獲得冷態(tài)標(biāo)定量程、熱停堆時三臺主泵全部停運時的零點電流、三臺主泵全啟動穩(wěn)定時的測量電流、廠家給定的靜壓修正系數(shù)，以1RCP025MD為例，標(biāo)定流程如下所示：

(1) 冷態(tài)標(biāo)定量程：0~110kPa，查得EOMM文件中靜壓修正因子為0.77% per 1000 psi，在15.4MPa時，修正因子為0.77%×2.247=1.7%；

(2) 記錄主泵全停時零點電流為I0=4.122mA，主泵全啟動時流量電流為I100%FP=16.21mA

(3) 計算熱態(tài)下4~20mA實際對應(yīng)的量程范圍：

(4) 根據(jù)主泵全部啟動時記錄的100%FP對應(yīng)的電流16.21mA，計算當(dāng)前實際的差壓值：

(5) 得到實際差壓值后，將此差壓值作為100%FP流量，根據(jù)流量與差壓的關(guān)系，可得出變送器熱態(tài)時的實際需求范圍：

(6) 熱態(tài)時的實際需求范圍確定后，為了實現(xiàn)常壓下的校準(zhǔn)，需要反向推算靜壓修正值：

(7) 實際校驗時，根據(jù)步驟（6）算出的值對變送器進(jìn)行0~119.671kPa的標(biāo)定，之后再利用三通加靜壓或在線開平衡閥的方法，對零點進(jìn)行修正，即可完成變送器的標(biāo)定。如果更換新的變送器，只需將步驟（6）的靜壓修正因子更新，即可算出新的標(biāo)定量程。

(8) 根據(jù)以上標(biāo)定的步驟，對其他8個變送器進(jìn)行了計算，結(jié)果如表3所示。

表3 執(zhí)行TP1RCP59靜壓修正算法標(biāo)定結(jié)果

4.3 靜壓修正標(biāo)定與2.2節(jié)標(biāo)定方法的結(jié)果對比

在完成靜壓修正后的量程標(biāo)定計算后，筆者按照TP1RCP59的規(guī)程中的計算模型進(jìn)行了演算，得出結(jié)果如表4所示。

表4 靜壓修正計算與TP1RCP59規(guī)程中算法結(jié)果對比

推算完成后，發(fā)現(xiàn)按照靜壓修正計算的常壓下的標(biāo)定量程與TP1RCP59試驗中的量程計算的結(jié)果完全一致，檢查計算過程，發(fā)現(xiàn)在步驟（3）中靜壓修正后在步驟（6）中又反向由靜

壓值向常壓值進(jìn)行了修正。即按照TP1RCP59中的算法，也能夠?qū)崿F(xiàn)變送器量程的重新標(biāo)定。但是如果出現(xiàn)更換變送器備件時，新變送器與被更換變送器的靜壓因子差別較大時，由于沒有條件進(jìn)行TP1RCP59類似的試驗，將導(dǎo)致實際測量精度無法滿足需求，而用本文中闡述的靜壓修正的模型進(jìn)行變送器校準(zhǔn)能夠避免靜壓對測量精度的影響，因此本文闡述的方法具有較現(xiàn)實的意義。

另外值得注意的是，熱停堆條件下三臺主泵全啟動時的差壓值在TP1RCP59規(guī)程中需要參與計算參考流量，但是根據(jù)靜壓修正計算的結(jié)果和TP1RCP59規(guī)程中的計算方法平均相差1kPa，折算成主泵流量會帶來約1%的誤差，此類可預(yù)見的誤差在試驗時要盡量避免。

5 結(jié)語

本文對核電站一回路冷卻劑流量變送器校準(zhǔn)方案研究的出發(fā)點是為了更精準(zhǔn)地執(zhí)行TP1RCP59規(guī)程。考慮到變送器的15.4MPa高靜壓下的測量范圍已經(jīng)發(fā)生變化，通過計算建模和實踐驗證，證明了靜壓修正法實施變送器校準(zhǔn)的可執(zhí)行性，并驗證了TP1RCP59中的變送器重新標(biāo)定結(jié)果的正確性，同時分析了靜壓修正法變送器校準(zhǔn)方案在后續(xù)變送器更換、預(yù)防性校驗等維修工作中的作用，對用于流量計算的差壓值提出了合理建議并計算出更精確的實際值。

[1] 楊洪旭. 核電站彎管流量計的應(yīng)用案例[J]. 自動化應(yīng)用，2012，2: 70 - 72.

[2] 趙德元，周獲堂. 嶺澳核電站2號機組一回路流量測量偏差分析及處理[J].核電動力工程，2004，4: 373 - 376.

圖13 風(fēng)光互補發(fā)電智能物聯(lián)監(jiān)控管理系統(tǒng)界面圖2

4 結(jié)語

目前，現(xiàn)有的風(fēng)光互補控制系統(tǒng)主要存在著風(fēng)光配比不合理、蓄電池壽命短、斷電頻繁、感性負(fù)載啟動困難等問題，其原因主要是對風(fēng)光互補供電系統(tǒng)配置不足和蓄電池管理功能不完善。本文采用了太陽能電池的最大功率點和最大功率跟蹤技術(shù)、高效風(fēng)機發(fā)電控制技術(shù)來提升風(fēng)光系統(tǒng)的效能和增加供電能力，設(shè)計制作了離網(wǎng)型風(fēng)光互補逆變控制器一體機樣機。通過實際測試驗證，本文設(shè)計的逆變控制一體機控制電路性能優(yōu)良，逆變部分輸出正弦波電壓、頻率穩(wěn)定，可以有效提高風(fēng)能和光能的利用率，解決了風(fēng)光互補一體機發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計中使用復(fù)雜，安全性低，生產(chǎn)成本較高的問題，從而延長了產(chǎn)品的使用壽命。

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[5] 孫秋冬. 軟件系統(tǒng)的分層設(shè)計[J]. 計算機工程與應(yīng)用, 2001, 7.

作者簡介

陳冰（1985-），男，黑龍江人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)自動化。

高潔（1981-），女，云南人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，主要研究方向為油氣自動化。

衛(wèi)乾（1984-） ，男，河南南陽人，本科，現(xiàn)任北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司研發(fā)部經(jīng)理，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)自動化。

陳寶（1978-），男，河北人，本科，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，主要研究方向為油氣自動化。

Analysis of the Calibration of Reactor Coolant Flow Rate Measurement

Affection of static pressure may cause some errors when difference pressure transmitter is used. Based on the coolant flow rate measurement of reactor, algorithm does not consider the affection of static pressure. Analysis is performed on the TP1RCP59 procedure in the reactor coolant flow rate measurement during the commissioning of Unit 1 of Fuqing Nuclear Power Plant. By the test verification it has been found that the calibration algorithm of TP1RCP59 is right, but not perfect. When the sensors is replaced the better arithmetic is provided by this article. Meanwhile the difference pressure used to calculate the reactor coolant flow rate is not exact, which should be ameliorated. Key words: M310; RCP; Reactor coolant flowrate; Calibration

B

1003-0492(2015)12-0096-04

TP273

尤兵（1983- ），男，江蘇高郵人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中核集團(tuán)福建福清核電有限公司，研究方向為核電廠儀表及控制系統(tǒng)維修及調(diào)試。

劉仁朋（1985-），男，安徽阜陽人，工程師，本科，現(xiàn)就職于中核集團(tuán)福建福清核電有限公司，研究方向為核電廠核島主系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)儀控設(shè)備維修。

李曉振（1984-），男，山東煙臺人，助理工程師，碩士，現(xiàn)就職于中核集團(tuán)福建福清核電有限公司，研究方向為核電廠儀表及控制系統(tǒng)維修及調(diào)試。