核电厂一回路流量测量方式的研究与故障分析

核电厂一回路流量测量方式的研究与故
障分析
摘要：核电厂一回路流量测量是运行人员监视机组正常运行的一个重要参数，不同堆形的机组对于一回路流量的测量方式存在差异，通过测量原理的介绍，从
试验结果及故障排查，分析机组实际运行过程中产生流量波动的具体原因。

关键词：核电厂；一回路；流量测量
一、一回路流量测量方式的差异
M310机组反应堆冷却剂系统（RCP）环路流量测量仪表为弯管式压差流量表（MD），安装于过渡段蒸汽发生器出口弯管位置，每环路有3块流量表，负压侧
共用一条仪表引压管，如下图。

华龙一号机组反应堆冷却剂系统（RCS）环路流量测量表则取消了弯管流量计，每环路安装5块压差表（MP）用于监测主泵前后压差，其正压侧引压管安装
于主泵出口冷段，负压侧引压管安装于主泵入口过渡段，如下图。

M310机组采用的弯管流量计是利用流体流经弯管传感器的离心力产生压差，
离心力的大小与流体流速、流体的密度及弯管特性等因素有关，在它的作用下使
流体对弯管内、外侧产生压力差，传感器将压差信号转换成电流信号反馈到DCS
系统。

离心力与流体的流速具有单一的函数关系，其大小可以通过测量弯管内外
侧的差压确定，进而可计算出流体的流速，将流速与管道的截面积和流体的密度
相乘，即可确定流体的流量。

弯管流量计具有节能、精度高、耐高温稳定性强等
特点。

华龙一号机组用每环路5块主泵前后压差来表征主回路流量，以一环为例，RCS180MP-183MP主要参与反应堆停堆保护逻辑及相互校准，RCS184MP为0.075%
的高精度压差表用作试验用仪表，主要用于试验中计算主回路流量。

由压差读数
通过扬程公式计算出主泵扬程，将主泵扬程与流体密度及重力加速度相乘，可确
定主泵增压压强，通过压强、流量、主泵有效功率的对应关系可计算出环路流量。

在华龙一号的设计中，反应堆冷却剂流量测量设计的功能如下：1）RPS一条
环路冷却剂流量低与P8符合触发紧急停堆；2）RPS/DAS两条环路冷却剂流量低
与P7符合触发紧急停堆；3）参生成P15信号（P15信号用于热段过冷度低和热
段水位低触发安注）；4）在余排未接入的情况下，当反应堆冷却剂泵丧失（失
去强循环）和堆芯衰变热低时触发防硼误稀释保护）；5）参与热功率计算。

相
关的保护定值如下表所示。

二、流量波动的原因分析
（一）测量方式、物理现象分析
在RCS59调试试验中，在三台主泵运行的情况下发现流量显示值存在大约3%
的上下波动，且当执行偏环运行试验时，运行环路显示的流量减少而实际流量值
增大，存在不一致的情况，
某核电项目采用主泵进出口压差开根号来表征反应堆冷却剂流量，测量方式
为从主泵进口和出口通过仪表管分别引压至差压变送器，压差通过变送器进行测量，由于主泵转动时的影响，变送器测量时不可避免的会产生波动，从而导致DCS采集到的流量信号也会产生波动，这是由测量方式本身特性所确定的，采用
同样测量方式的EPR机组也出现了波动的情况；其次，主泵进出口压差实际上也
表征了主泵的扬程，部分主泵停运时，主泵运行环路的流阻降低，会导致运行环
路的流量增大，而根据主泵的流量-扬程曲线，运行环路主泵的进出口压差降低，DCS中开根号后的流量显示也相应降低，这便出现了部分主泵停运时，运行环路
流量显示降低而系统实际流量增大的情况。

某核电项目主泵进出口压差仪表初始标定值为（0～1000.8）kPa，对应（4-
20mA），在DCS中对差压信号开方获得对应的流量信号（0%～120%）Qn，在热停
工况下通过对变送器进行校准来执行第一次流量系数标定（在TP RCS59中已完成），使流量在该平台下显示为100%Qn（由于存在波动，取20分钟的差压平均
值进行仪表标定，使该压差平均值在DCS中显示为100%Qn），在反应堆到达满功
率时，在DCS中对流量系数进行最终的标定，使流量在100%FP下显示为100%Qn （同样需要取20分钟的压差值），该方式与EPR机组在调试中的校准方式一致。

下图为目前RCS59完成后（仪表已完成第一次流量系数标定）1小时的流量
显示数据，流量波动的最大值为102.6100%Qn，最小值为99.02%Qn，平均值为100.583616%Qn，流量的上下波动最大为3.59%Qn，由于冷段冷却剂密度从热停到
满功率几乎不变，满功率完成最终校准后趋势应与此接近。

在目前的设计中，流量测量系数在100%FP进行最终标定，在电厂的其他工
况下该流量系数不进行修改，在机组从热态向冷态过渡的过程中。

反应堆冷却剂
温度下降后密度增加，环路阻力增加，变送器测量到的压差会增加。

对现有的数
据进行分析，从100%FP到冷态（55℃、2.8MPa），主泵进出口实际压差从
530kPa变化至约810kPa，仪表在热态下标定范围为0-763kPa对应4-20mA，目前
每个仪表设置的质量位上限为12.5%，即质量位上限判断值为858kPa，包络了
810kPa，因此从电厂冷态至满功率，不会触发测量通道质量位。

（二）流量波动故障分析
某核电厂调试期间主泵进出口压差表（测量一回路冷却剂流量）由于主泵的
扰流，导致流量测量值存在真实波动。

详见下图。

以180MP为例，梳理环路流量计的信号分配路径：
①180MP→IM（信号隔离分配）→DAS
②180MP→IM（信号隔离分配）→A/D转换→ISOL（信号隔离不分配）→IIC
③180MP→IM（信号隔离分配）→A/D转换→阈值比较→RRP系统
④180MP→IM（信号隔离分配）→A/D转换→GD函数计算→D/A转换→IDA
⑤180MP→IM（信号隔离分配）→A/D转换→GD函数计算→ISOL（信号隔离不分配）→IIC
180MP→IM（信号隔离分配）→A/D转换→GD函数计算→ISOL（信号隔离不分配）→反应堆热功率计算（NC DCS）
180MP、IM（信号隔离分配）→A/D转换→GD函数计算→阈值比较→RRP系统
以上路径①送入DAS，在安全级DCS经过计算之后送到非安全级DCS进行反应堆热功率计算，其余都在安全级DCS中进行数据处理；
上图为热试期间环路流量计的波动曲线，红色为非安全级DCS侧的趋势，绿色为经过1E计算完成后经过网关送出的趋势。

上图明显可以看出非安全级DCS 的波动趋势小于经过1E计算之后送出来的波动趋势。

以180MP为例，继续分析信号在卡件里面的路径：
180MP信号进入预处理柜后依次通过SAA1、SNV1两个模块，再送入安全级的AI卡件，经查阅对应的安全级AI卡件的说明书，没有滤波功能。

而送出的三个信号中有一个参与了非安全级DCS的反应堆热功率计算，而该信号在非安全级DCS的波动趋势较为平缓。

由于非安全级DCS对该信号进行了滤波，这才导致上图中红色与绿色曲线的波动差异性。

所以将缺陷处理定位在了SAA1、SNV1两个模块的参数修改。

缺陷处理前180MP在预处理柜的SAA1模块为电流输出，而电流输出通道无滤波器，直接送入标准信号乘法器模块（分配不隔离）。

来自传感器的电流信号通过R1=125Ω测量电阻器可转换为电压信号。

对于0～20 mA测量信号，比例电压信号为0～+2.5伏。

一阶低通（即RC滤波器）串联至测量电阻器，以阻尼测量信号。

RC滤波器的时间常数可以通过在开关S1/1-S1/3的帮助下分阶段改变电容来调整。

在开关S1（信道1）和S2（信道2）上设置RC滤波器的时间常数和截止频率（出厂设置=94 ms）；
出于更好的滤波效果考虑，在将输出改成电压的模式下，将时间常数同时改为188ms；最终修改的图纸如下图所示：
三、总结
核电厂一回路流量测量方式在不同的机组存在差异，通过华龙一号的调试试验，分析了一回路流量波动产生的故障形式及具体原因，为后续机组的故障处理提供分析思路。