戚佳杰

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院， 上海 200233)

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主給水文丘里管的特點(diǎn)及其在三代核電廠中的應(yīng)用

戚佳杰

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院， 上海 200233)

介紹了核電廠主給水文丘里管的主要特征、主給水文丘里管校準(zhǔn)試驗(yàn)的常用方法，分析了主給水文丘里管運(yùn)行過(guò)程中易產(chǎn)生的問(wèn)題，以及結(jié)合三代非能動(dòng)電廠中的應(yīng)用情況采取應(yīng)對(duì)的措施。

核電廠； 主給水文丘里管； 校驗(yàn)

核電廠主給水文丘里管流量計(jì)是核電廠安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一，要求具有高可靠性和高測(cè)量精度。目前在百萬(wàn)級(jí)核電廠中，二回路主給水系統(tǒng)一般配置2～3個(gè)環(huán)路，用于向蒸汽發(fā)生器提供給水。主給水流量是電廠重要的過(guò)程參數(shù)之一，而在核電廠主給水流量測(cè)量方面，孔板、噴嘴、文丘里管、超聲波流量計(jì)等儀表均有采用。筆者針對(duì)主給水文丘里管的特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并結(jié)合三代非能動(dòng)電廠中的應(yīng)用情況進(jìn)行了論述。

1　主給水流量測(cè)量的主要方式

當(dāng)前在各種堆型的核電廠中，二回路主給水流量測(cè)量主要采用經(jīng)典的差壓測(cè)量方法，即節(jié)流裝置結(jié)合差壓變送器的測(cè)量方式?？紤]到測(cè)量精度和永久壓損，節(jié)流裝置普遍采用文丘里管或ASME低β值喉部取壓長(zhǎng)徑噴嘴，如在恰?，敽穗姀S二期工程中，主給水流量測(cè)量采用ASME低β值喉部取壓長(zhǎng)徑噴嘴，在AP1000依托項(xiàng)目和大亞灣等核電廠中采用文丘里管進(jìn)行流量測(cè)量。文丘里管和ASME長(zhǎng)徑噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1和圖2。

圖1　文丘里管

圖2　ASME低β值喉部取壓長(zhǎng)徑噴嘴

ASME長(zhǎng)徑噴嘴也用于汽輪機(jī)性能試驗(yàn)時(shí)的主給水流量測(cè)量(ASME PTC6—2004SteamTurbines[1])。相對(duì)而言，ASME噴嘴的制造加工難度要稍高一些。筆者主要針對(duì)主給水文丘里管進(jìn)行討論。

2　文丘里流量測(cè)量裝置原理及型式

文丘里管是一種節(jié)流裝置，當(dāng)管道內(nèi)充分發(fā)展的流體流經(jīng)文丘里管時(shí)，流束在文丘里管收縮段和喉部處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在文丘里管的入口和喉部之間產(chǎn)生了靜壓差。流體流量越大，產(chǎn)生的壓差就越大。 根據(jù)式(1)，便可根據(jù)測(cè)得的壓差獲得流體的質(zhì)量流量。體積流量可通過(guò)式(2)獲得。

(1)

(2)

式中：ε為可膨脹性系數(shù)；ρ1為水密度；qm為質(zhì)量流量；qv為體積流量；d為文丘里管的喉部直徑；Δp為壓差；β為直徑比；C為流出系數(shù)。

差壓變送器通過(guò)引壓管和文丘里管上的取壓口相連，測(cè)量文丘里管上下取壓口之間的壓差，將壓差傳送至二次儀表，通過(guò)計(jì)算獲得流量值。

常用的文丘里管一般可分為經(jīng)典文丘里管和通用型文丘里管等幾類(lèi)。對(duì)于經(jīng)典文丘里管，GB/T 2624—2006 《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量》給出了三種形式：鑄造收縮段經(jīng)典文丘里管、機(jī)械加工收縮段經(jīng)典文丘里管、粗焊鐵板收縮段經(jīng)典文丘里管。它們的適用范圍均在106量級(jí)的雷諾數(shù)以下，而通常核電廠主給水系統(tǒng)水流量的雷諾數(shù)在107量級(jí)。另外，核電廠的主給水壓力在7～9 MPa，主給水文丘里管要求40～60年的預(yù)期使用壽命，經(jīng)典文丘里管不加以改造，一般不易滿足。對(duì)于通用文丘里管，是通過(guò)對(duì)經(jīng)典文丘里管進(jìn)行改造制成，包括更改收縮角度和擴(kuò)散段長(zhǎng)度，以達(dá)到縮短本體長(zhǎng)度和降低壓力損失的目的。

套管式文丘里管是另一種非標(biāo)準(zhǔn)的文丘里管型式，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。文丘里管外套裝有一個(gè)套管，套管內(nèi)徑等于文丘里管收縮段最大外徑，收縮段與擴(kuò)散段兩端固定于套管內(nèi)。由于文丘里管內(nèi)的壓力與套管和文丘里管之間的壓力相當(dāng)，文丘里管在相對(duì)壓力較低的場(chǎng)合下運(yùn)行，套管式文丘里管主要適用于口徑較大并且壓力較高的場(chǎng)合。通過(guò)良好的設(shè)計(jì)和加工，套管式文丘里管可達(dá)到±0.25%的精度，并且可以達(dá)到幾十千帕永久壓損的能力，因此套管式文丘里管已應(yīng)用于多個(gè)核電廠主給水流量測(cè)量場(chǎng)合。但由于文丘里管與套管之間存在多個(gè)焊接點(diǎn)，喉部取壓口需要通過(guò)金屬軟管引壓至套管外，導(dǎo)致加工要求較高，并且隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，管系振動(dòng)等因素可能會(huì)對(duì)焊接點(diǎn)產(chǎn)生一些不利影響。

圖3　套管式文丘里管

在工程中被使用的另外一種文丘里管，其廓形與經(jīng)典文丘里管一致，但采用的材料為不銹鋼鍛件(如304不銹鋼鍛件或316不銹鋼鍛件等)，通過(guò)對(duì)鍛件粗加工和精加工，獲得文丘里管。通過(guò)該方法獲得的文丘里管，其耐壓能力與管道相當(dāng)或高于管道的耐壓等級(jí)，滿足核電廠主給水流量測(cè)量場(chǎng)合的壓力等級(jí)要求，且便于在文丘里管喉部區(qū)域設(shè)置窺視孔，通過(guò)內(nèi)窺探頭觀察文丘里管內(nèi)部的情況。通過(guò)加工精度(包括同心度、表明粗糙度和取壓孔銳利度等)的控制，一般可滿足主給水流量測(cè)量場(chǎng)合的精度要求。

3　主給水流量測(cè)量文丘里管的特點(diǎn)

3.1 主給水流量測(cè)量的重要性

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)生器的給水是由主給水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)的，它將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的水位維持在程序液位。程序液位是汽輪機(jī)負(fù)荷的函數(shù)。當(dāng)電廠機(jī)組運(yùn)行在某一額定功率以上時(shí)，主給水系統(tǒng)正常運(yùn)行，在此功率范圍內(nèi)，反應(yīng)堆功率和汽輪機(jī)負(fù)荷需求相平衡，主給水流量控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。控制系統(tǒng)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)的三沖量控制方式來(lái)控制主給水調(diào)節(jié)閥。另外，核電廠項(xiàng)目在保證安全性的前提下，需滿足電廠經(jīng)濟(jì)性要求。

3.2 主給水流量測(cè)量工況

核電廠二回路主給水系統(tǒng)通常設(shè)置多臺(tái)主給水泵，機(jī)組正常滿功率運(yùn)行時(shí)，除氧器水箱中的水經(jīng)主給水泵、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥等設(shè)備輸送至蒸汽發(fā)生器。根據(jù)電廠滿功率運(yùn)行時(shí)負(fù)荷的差異，不同功率電廠的主給水流量差異較大，功率越高，所需給水流量越大；而主給水管道內(nèi)介質(zhì)的溫度和壓力相差不大，通常核電廠正常運(yùn)行時(shí)的主給水溫度約在220～250 ℃，主給水壓力在8 MPa左右，主給水流量隨電廠功率的不同而不同，百萬(wàn)千瓦核電廠的主給水流量可達(dá)到3 000 t/h的流量水平。因此，在電廠滿功率正常運(yùn)行工況下，主給水管道流體的雷諾數(shù)在2×107以上。

3.3 主給水文丘里管的性能要求及校驗(yàn)方法

主給水文丘里管作為一種要求具有長(zhǎng)期使用壽命的設(shè)備，需滿足在電廠額定功率運(yùn)行等穩(wěn)態(tài)工況、負(fù)荷發(fā)生一定階躍變化等瞬態(tài)工況下維持可靠運(yùn)行，并保證一定的精度，以及由節(jié)流效應(yīng)引起的永久壓損較小。通常要求在正常運(yùn)行工況下，主給水文丘里管的精度達(dá)到±0.25%。如第3章中所述，正常運(yùn)行條件下的主給水流量工況已超出GB/T 2624—2006中給出的3種經(jīng)典文丘里管的適用范圍，從而驗(yàn)證文丘里管是否滿足精度要求，并不能用幾何檢驗(yàn)法進(jìn)行。另外，由于主給水流量較大，通常在校驗(yàn)設(shè)施上進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，校驗(yàn)設(shè)施并不能達(dá)到要求的流量，采用JJG 640—1994 《差壓式流量計(jì)檢定規(guī)程》給出的系數(shù)檢定法不能對(duì)主給水文丘里管進(jìn)行全流量校驗(yàn)。因此，通常核電廠主給水文丘里管的校準(zhǔn)試驗(yàn)依據(jù)ASME PTC19.5—2004FlowMeasurement[2]給出的方法進(jìn)行。通過(guò)在試驗(yàn)設(shè)施能力達(dá)到的最大雷諾數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行若干次試驗(yàn)，在較低的雷諾數(shù)下獲得文丘里管的流出系數(shù)，并通過(guò)外推獲得實(shí)際運(yùn)行時(shí)高雷諾數(shù)條件下的流出系數(shù)。校準(zhǔn)試驗(yàn)用以證明：

(1) 流出系數(shù)不確定度滿足±0.25%的要求。

(2) 從某一雷諾數(shù)開(kāi)始至實(shí)際文丘里管運(yùn)行時(shí)的雷諾數(shù)，流出系數(shù)C值幾乎保持不變，與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)。

(3) 文丘里管引起的永久壓損較小。

通常試驗(yàn)采用稱重法進(jìn)行，校準(zhǔn)過(guò)程如下：將待校準(zhǔn)節(jié)流裝置(包括自帶上下游直管段)水平安裝于校驗(yàn)管路上，并與實(shí)際投入使用時(shí)的安裝情況相符。啟動(dòng)液體循環(huán)系統(tǒng)，向稱重容器內(nèi)注入水至某一液位較低的初始液位，切換器快速將水切換至旁通管路，待液位穩(wěn)定后，測(cè)出其初始質(zhì)量；待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行足夠長(zhǎng)的時(shí)間，傳感器等設(shè)備輸出穩(wěn)定后，通過(guò)切換器向稱重容器內(nèi)快速切水，同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)采集節(jié)流裝置各組取壓口上差壓變送器的輸出值；當(dāng)稱重容器內(nèi)水注入到預(yù)定的液位后，切換器快速將水切回到旁通管路，同時(shí)計(jì)時(shí)器和數(shù)據(jù)采集器也停止采集，待容器內(nèi)水位穩(wěn)定后，測(cè)出其終止質(zhì)量。體積流量qv可由式(3)獲得。

(3)

式中：m1為容器內(nèi)的最終質(zhì)量；m0為容器內(nèi)的初始質(zhì)量；ρ為容器內(nèi)的水密度；T為一個(gè)測(cè)程的時(shí)間；ε為校正系數(shù)。

喉部雷諾數(shù)Red和流出系數(shù)C則分別由式(4)和式(5)計(jì)算獲得。

(4)

(5)

式中：ρ1為節(jié)流裝置喉部處的水密度；qm為質(zhì)量流量；μ1為水的動(dòng)力黏度；d為文丘里管的喉部直徑；Δp為壓差；β為直徑比。

進(jìn)行多次試驗(yàn)后使校驗(yàn)至少包含20個(gè)覆蓋大的雷諾數(shù)變化范圍的可接受的點(diǎn)。若同一雷諾數(shù)下進(jìn)行重復(fù)性校驗(yàn)，差別超過(guò)0.1%，則一般需在同一雷諾數(shù)下再建立一個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)。

通過(guò)試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：

(1) 按照式(6)計(jì)算獲得每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)流出系數(shù)C對(duì)應(yīng)的Cx；將Cx的平均值代入式(5)獲得標(biāo)定曲線；計(jì)算Cx的標(biāo)準(zhǔn)差為：

(6)

(2) 每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)在標(biāo)定曲線±0.25%的范圍內(nèi)。

(3)采用ΔCx=a+bRed表示的方程式進(jìn)行無(wú)約束線性回歸(最小平方擬合)來(lái)確定，計(jì)算出斜率的標(biāo)準(zhǔn)差s(b)。b的95%置信度用b±ts(b)來(lái)表示，其中t是n-2自由度學(xué)生氏分布值。如果該置信區(qū)間包括零，那么則認(rèn)為Cx不隨Red變化，其中ΔC=C-Cfitted，Cfitted為根據(jù)步驟(1)得到的標(biāo)定曲線進(jìn)行計(jì)算獲得的流出系數(shù)。

步驟(2)用于證明校驗(yàn)文丘里管在標(biāo)定段的流出系數(shù)滿足±0.25%的不確定度要求。步驟(3)用于證明從某一雷諾數(shù)開(kāi)始，流出系數(shù)與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，且不確定度在±0.25%以內(nèi)。當(dāng)步驟(3)的要求滿足時(shí)，流出系數(shù)可外推至未經(jīng)校驗(yàn)設(shè)施校準(zhǔn)的雷諾數(shù)區(qū)域，否則流出系數(shù)局限于校準(zhǔn)試驗(yàn)直接驗(yàn)證區(qū)段內(nèi)使用。

在不同的核電廠設(shè)計(jì)中，主給水流量在蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)中采用的判定邏輯略有差異，有的采用4取2邏輯，有的采用3取2邏輯，而實(shí)現(xiàn)多通道流出輸出的方式也不盡相同。在三門(mén)核電依托項(xiàng)目中，主給水文丘里管共設(shè)置3對(duì)取壓口，每對(duì)取壓口各接一個(gè)寬量程差壓變送器和一個(gè)窄量程差壓變送器，在給水流量較大時(shí)采用寬量程變送器輸出，在流量較低時(shí)采用窄量程變送器輸出，以提高測(cè)量精度。因此，要求主給水文丘里管的3對(duì)取壓口均滿足ASME PTC 19.5的要求，從而對(duì)文丘里管的加工制造提出了較高的要求。

3.4 主給水文丘里管易產(chǎn)生的問(wèn)題及處理方法

主給水文丘里管作為一個(gè)機(jī)械類(lèi)儀表設(shè)備，相對(duì)電子類(lèi)儀表設(shè)備而言，產(chǎn)生的故障形式并不多。其可能發(fā)生的故障形式主要有：由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能產(chǎn)生的雜質(zhì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中堵塞引壓管，文丘里管內(nèi)部在長(zhǎng)期運(yùn)行后產(chǎn)生沖蝕而導(dǎo)致流量測(cè)量不準(zhǔn)。大亞灣核電廠曾發(fā)生因主給水文丘里管存在沖蝕(主要在喉部)而使取壓口兩端壓差變小，導(dǎo)致流量測(cè)量不準(zhǔn)的情況，主要原因是主給水文丘里管所用材料的抗沖蝕能力不足。

為了避免和減少主給水文丘里管故障的發(fā)生，在設(shè)計(jì)制造階段需要采取一定的措施進(jìn)行預(yù)防和改善，如采用抗沖蝕能力較強(qiáng)的材料制造文丘里管。法國(guó)某核電廠曾發(fā)生過(guò)主給水文丘里管因長(zhǎng)時(shí)間沖蝕而穿孔的事故，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)根本原因在于收縮段所用合金鋼含鉻量偏低而導(dǎo)致其抗沖蝕能力偏低，后采用了含鉻量略高的合金鋼材料制造文丘里管進(jìn)行更換。在三代非能動(dòng)核電廠中，主給水文丘里管采用了300系列不銹鋼鍛件整體加工制造，收縮段、喉部、擴(kuò)散段等位置處管壁厚度高于前后直管段，也在一定程度上減少了管壁因長(zhǎng)期沖蝕而穿孔的風(fēng)險(xiǎn)。另外，文丘里管喉部設(shè)置了觀察孔，可定期利用窺鏡通過(guò)觀察孔觀察文丘里管內(nèi)壁降級(jí)的程度。

在核電廠的運(yùn)行過(guò)程中，文丘里管可能隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，因各種因素而導(dǎo)致性能有所下降。在三代非能動(dòng)核電廠中，主給水文丘里管同一管路上，安裝了高精度的主給水超聲波流量計(jì)，以對(duì)主給水文丘里管進(jìn)行定期校驗(yàn)，并根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正，保證主給水文丘里管的精度在要求范圍內(nèi)。

4　結(jié)語(yǔ)

主給水流量的測(cè)量對(duì)于核電廠的穩(wěn)定運(yùn)行和電廠經(jīng)濟(jì)性方面具有重要的作用。因此，應(yīng)選擇合適的材料加工制造，選擇合適的試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行校驗(yàn)，并在同一管路上通過(guò)安裝其他高精度流量計(jì)進(jìn)行在線周期性校正，從而使主給水文丘里管測(cè)量達(dá)到較高的精度，有利于提高電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

[1] American Society of Mechanical Engineers. Steam turbines performance test codes: ASME PTC6—2004[S]. New York: American Society of Mechanical Engineers, 2004.

[2] American Society of Mechanical Engineer. Flow measurement-performance test codes: ASME PTC19.5—2004[S]. New York: American Society of Mechanical Engineers, 2004.

Features of Main Feedwater Venturi Tube and its Application in Third Generation Nuclear Power Plants

Qi Jiajie

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

An introduction is presented to the key features of main feedwater venturi tube for nuclear power plants, and to the common methods for its calibration test, together with an analysis on problems likely to occur during operation, for which corresponding countermeasures are proposed considering the application conditions of main feedwater venturi tube in third generation passive nuclear power plants.

nuclear power plant; main feedwater venturi tube; calibration

2015-10-27

戚佳杰(1983—)，男，工程師，主要從事核電廠儀控設(shè)計(jì)工作。

E-mail: qijiajie@snerdi.com.cn

TM623.4

A

1671-086X(2016)04-0237-04