核电站一回路冷却剂流量变送器校准方案研究

尤兵，刘仁朋，李晓振 （福建福清核电有限公司，福建 福清 350300）

核电站一回路冷却剂流量变送器校准方案研究

尤兵，刘仁朋，李晓振 （福建福清核电有限公司，福建 福清 350300）

电容式差压变送器在高静压下会产生较大的测量偏差，针对福清1号机组调试执行TP1RCP59反应堆冷却剂流量验证试验（以下简称TP1RCP59）时未考虑静压影响的算法，从反应堆冷却剂流量测量原理入手，对一回路流量测量的方法进行了分析研究，并进行了现场验证，分析出TP1RCP59试验中变送器重新标定量程选择的正确性，提出了对今后维修期间更换变送器备件后重新标定量程的方法，并对TP1RCP59流量计算时使用的差压值给出了更准确的计算方法。

M310；一回路；环路流量；变送器校准。

福清核电一期工程堆型设计采用压水堆M310改进型，其一回路冷却剂系统（以下简称RCP）是堆芯的冷却系统，也是核能向热能转化的重要载体。一回路监测和控制的核心是水位、压力、温度、流量四个参数，其中一回路流量的测量是使用弯管流量计原理实现的。本文从弯管流量计的原理、安装、调试标定方法等方面介绍福清核电一回路弯管流量计的应用。

1 弯管流量计的工作原理

弯管流量计属于差压式流量计的一种，它利用了流体的惯性原理，对流体在弯管处产生的差压进行测量。当流体通过弯管时，由于弯管的约束作用，流体在弯管内作类似的圆周运动，从而产生惯性离心力。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。利用伯努利方程即可推导出的弯管流量计流量计算公式如式（1）所示。[1]

Q ：体积流量，m3/s；

R ：弯管曲率半径，m；

D ：弯管内径，m；

△p ：弯管内外侧压力差，Pa；

ρ：流体密度，kg/m3；

C ：流量系数。

与其他节流孔板式差压流量计相比，弯管流量计既继承了差压式流量计结构简单、性能稳定、测量精确的优点，又克服了差压式流量计压力损失大、容易堵塞、维护困难等缺点。更为重要的是，弯管流量计的主体部分就是正常的工艺管道，无需新增缺口安装节流装置，对核电一回路来说，能从原理上减少一回路泄漏的风险，并且弯管流量计对前后直管段的要求比节流孔板流量计低很多，更适合一回路主管段的实际情况，因此得到核电站的青睐。

优点虽然显著，但是缺点也是存在的。作为测量仪表，要求精准、方便，普通仪表的标定和校验都是以真实物理参数为基础计算一次参数值，但是一回路弯管流量计因为主管道设计、安装、主泵流量性能等方面都存在不确定度影响，这些不确定度的存在，致使设计只能给出一个参考量程，最终的流量变送器的校验需要在装料后热停堆平台根据工况进行标定，增加了调试和日后维护的工作量。

2 一回路环路流量变送器标定的准备

2.1 福清一回路环路流量变送器的选型

反应堆一回路流量测量的介质为高温、高压和高辐射的“三高”流体，对测量仪表的抗辐照、抗干扰要求较高，福清1号机组一回路环路流量变送器在设计选型上属于K1级压力变送器，采购时选用了罗斯蒙特（Rosemount）1154系列核级差压变送器。

设计上，环路弯管流量变送器要求实现0~120%FP的流量范围监测，设计参考差压量程为0~110kPa。

2.2 算法和静压修正考虑

在《TP1RCP59反应堆冷却剂流量验证》的规程中，涉及到一回路流量的重新标定的计算，计算方法为：

（1）三台主泵全部停运时，测量变送器的零点电流值，记录为I0；

（2）三台主泵同时运行时，测量变送器的输出电流为I ;

（3）推算三台主泵同时运行时变送器测量的差压值，如式（2）：

（4）将三台主泵同时运行时变送器测得的差压值作为100%FP流量值，因流量的平方与差压成正比，所以新的标定量程，如式（3）：

以上是TP1RCP59规程中利用差压和流量的对应关系得出的弯管流量变送器的校准方法，作为一种理论计算简单易用。但是考虑到变送器的实际测量工况，以上方法只是一种结果，因为它忽略了一个重要变量：“静压”，下面内容将从引入“静压”后的计算分析对以上TP1RCP59的试验计算公式进行验证。

关于静压影响，罗斯蒙特1154变送器运行与维修手册（以下简称EOMM）中这样解释：如果差压变送器的常压下进行校准，但是却要使用于静压较高的地方，需要到量程范围进行重新校准，以保证测量精度。罗斯蒙特特别针对1154系列每个变送器都进行了静压影响测试，测试数据记录在竣工文件中。

根据厂家EOMM数据，在一回路正常工况15.4MPa（2247 psi）下，静压对变送器量程的改变量约1%~2%，具体数据如表1所示。

表1 环路流量变送器静压修正因子

另外，因制造工艺所限，电容式差压变送器的核心元件不可能做到完全两边对称，当静压较大时，无差压时也会产生零点的漂移，一般会达到0.5%左右，该漂移一般为随机性，但对于某个变送器来说漂移值是符合固定规律的。

综合以上的量程的静压修正因子和零点静压漂移，冷态下校准的0~110kPa的变送器量程在实际热停堆工况下测量的值已经不再适用原量程的线性关系，预计会产生2%左右的偏差。根据TP1RCP59的调试步骤，能够在线调试出零点符合要求，三台主泵同时运行流量为100%FP的输出值，但却使维修部门失去了对真实值的跟踪。换句话说，因为无法跟踪真实的量程范围，所以失去了今后预防性变送器校验的依据，如果因故障需要更换新的变送器，因每个变送器的出厂静压修正因子是不一致的，也无法预先计算出变送器需要迁移的量程，对维修工作会产生较大的困扰。因此，需在TP1RCP59试验前在考虑静压修正的基础上运用流量与差压的关系进行弯管流量变送器的迁移建模，得出较为精准的热态下的差压范围，并折算回常压下的量程标定值，方便维修工作的开展。

2.3 装料前热态功能试验演练

在福清核电1号机组一回路水压试验阶段，主泵正常运行期间，我们对一回路9个环路流量进行了关注，三台主泵全启动的情况下，9个环路流量在DCS中显示均为IOBAD（输入输出故障），实际测量变送器的输出电流，均在22mA左右，变送器的测量原理使得4~20mA区间为线性区间，除此之外的数据都存在死区，22mA的数据很难作为线性参考，数据无法用于计算。因此，在冷热结束后我们尝试对所有的流量变送器进行了常压下的量程扩展，由110kPa扩展到140kPa。

当第一阶段热试达到热停堆工况时，在三台主泵全启动的情况下，三个环路的流量均在93%~95%FP区间内，数据记录分析后，运用初步的建模工具计算出新的量程范围在第二阶段热试前进行了再校准，再次达到热停零时，流量结果在99%~101%FP之间波动，达到预期要求。此次新标定的数据如表2所示。

表2 热态功能试验标定量程

3 静压修正建模

与本文中2.2节的简单量程迁移不同，加入零点和量程的静压修正后，量程的标定计算过程就比较复杂，下文4.2节将以1RCP025MD为例介绍修正后的量程标定范围。

4 TP1RCP59实施过程

4.1 试验前冷态标定

福清1号机组装料完成后，因为压力容器内燃料组件的装入，必然会使一回路的流阻发生改变，流量也会产生较大变化，因此为了配合TP1RCP59的实施，一回路升温升压前，又对所有的弯管流量变送器的量程进行了重新标定，更改为原始的设计定值：0~110kPa。因为此次标定的误差值会影响接下来的计算结论，所以要求标定精度很高，基本要做到零点、满点零误差，还要对可能出现的100%FP测量点检查线性情况（根据同行电厂经验，100%FP流量时差压在80~85kPa左右）。[2]

4.2 TP1RCP59试验时的静压修正法的重新标定

根据试验前确定的弯管流量变送器的标定模型，结合试验的过程，对每个待标定的变送器，需获得冷态标定量程、热停堆时三台主泵全部停运时的零点电流、三台主泵全启动稳定时的测量电流、厂家给定的静压修正系数，以1RCP025MD为例，标定流程如下所示：

(1) 冷态标定量程：0~110kPa，查得EOMM文件中静压修正因子为0.77% per 1000 psi，在15.4MPa时，修正因子为0.77%×2.247=1.7%；

(2) 记录主泵全停时零点电流为I0=4.122mA，主泵全启动时流量电流为I100%FP=16.21mA

(3) 计算热态下4~20mA实际对应的量程范围：

(4) 根据主泵全部启动时记录的100%FP对应的电流16.21mA，计算当前实际的差压值：

(5) 得到实际差压值后，将此差压值作为100%FP流量，根据流量与差压的关系，可得出变送器热态时的实际需求范围：

(6) 热态时的实际需求范围确定后，为了实现常压下的校准，需要反向推算静压修正值：

(7) 实际校验时，根据步骤（6）算出的值对变送器进行0~119.671kPa的标定，之后再利用三通加静压或在线开平衡阀的方法，对零点进行修正，即可完成变送器的标定。如果更换新的变送器，只需将步骤（6）的静压修正因子更新，即可算出新的标定量程。

(8) 根据以上标定的步骤，对其他8个变送器进行了计算，结果如表3所示。

表3 执行TP1RCP59静压修正算法标定结果

4.3 静压修正标定与2.2节标定方法的结果对比

在完成静压修正后的量程标定计算后，笔者按照TP1RCP59的规程中的计算模型进行了演算，得出结果如表4所示。

表4 静压修正计算与TP1RCP59规程中算法结果对比

推算完成后，发现按照静压修正计算的常压下的标定量程与TP1RCP59试验中的量程计算的结果完全一致，检查计算过程，发现在步骤（3）中静压修正后在步骤（6）中又反向由静

压值向常压值进行了修正。即按照TP1RCP59中的算法，也能够实现变送器量程的重新标定。但是如果出现更换变送器备件时，新变送器与被更换变送器的静压因子差别较大时，由于没有条件进行TP1RCP59类似的试验，将导致实际测量精度无法满足需求，而用本文中阐述的静压修正的模型进行变送器校准能够避免静压对测量精度的影响，因此本文阐述的方法具有较现实的意义。

另外值得注意的是，热停堆条件下三台主泵全启动时的差压值在TP1RCP59规程中需要参与计算参考流量，但是根据静压修正计算的结果和TP1RCP59规程中的计算方法平均相差1kPa，折算成主泵流量会带来约1%的误差，此类可预见的误差在试验时要尽量避免。

5 结语

本文对核电站一回路冷却剂流量变送器校准方案研究的出发点是为了更精准地执行TP1RCP59规程。考虑到变送器的15.4MPa高静压下的测量范围已经发生变化，通过计算建模和实践验证，证明了静压修正法实施变送器校准的可执行性，并验证了TP1RCP59中的变送器重新标定结果的正确性，同时分析了静压修正法变送器校准方案在后续变送器更换、预防性校验等维修工作中的作用，对用于流量计算的差压值提出了合理建议并计算出更精确的实际值。

[1] 杨洪旭. 核电站弯管流量计的应用案例[J]. 自动化应用，2012，2: 70 - 72.

[2] 赵德元，周获堂. 岭澳核电站2号机组一回路流量测量偏差分析及处理[J].核电动力工程，2004，4: 373 - 376.

图13 风光互补发电智能物联监控管理系统界面图2

4 结语

目前，现有的风光互补控制系统主要存在着风光配比不合理、蓄电池寿命短、断电频繁、感性负载启动困难等问题，其原因主要是对风光互补供电系统配置不足和蓄电池管理功能不完善。本文采用了太阳能电池的最大功率点和最大功率跟踪技术、高效风机发电控制技术来提升风光系统的效能和增加供电能力，设计制作了离网型风光互补逆变控制器一体机样机。通过实际测试验证，本文设计的逆变控制一体机控制电路性能优良，逆变部分输出正弦波电压、频率稳定，可以有效提高风能和光能的利用率，解决了风光互补一体机发电系统常规设计中使用复杂，安全性低，生产成本较高的问题，从而延长了产品的使用寿命。

参考文献：

[1] 贾灵, 王薪宇, 郑淑军, 物联网 / 无线传感网原理与实践[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2011, 1.

[2] 孟彦京, 陈卓. 事件驱动的程序设计方法在嵌入式系统中的应用[J]. 电气自动化, 2009, 06.

[3] 李臣亮. 事件驱动架构及应用[J]. 软件世界, 2007 (21).

[4] 何鸿君, 曹四化, 褚祖高, 罗莉, 宁京宜, 董黎明, 李朋. 一种改进的事件驱动系统框架[J]. 国防科技大学学报, 2008, 03.

[5] 孙秋冬. 软件系统的分层设计[J]. 计算机工程与应用, 2001, 7.

作者简介

陈冰（1985-），男，黑龙江人，工程师，硕士，现就职于北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，主要研究方向为物联网及工业自动化。

高洁（1981-），女，云南人，工程师，硕士，现就职于北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，主要研究方向为油气自动化。

卫乾（1984-） ，男，河南南阳人，本科，现任北京中油瑞飞信息技术有限责任公司研发部经理，主要研究方向为物联网及工业自动化。

陈宝（1978-），男，河北人，本科，现就职于北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，主要研究方向为油气自动化。

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，江苏高邮人，工程师，硕士，现就职于中核集团福建福清核电有限公司，研究方向为核电厂仪表及控制系统维修及调试。

刘仁朋（1985-），男，安徽阜阳人，工程师，本科，现就职于中核集团福建福清核电有限公司，研究方向为核电厂核岛主系统及辅助系统仪控设备维修。

李晓振（1984-），男，山东烟台人，助理工程师，硕士，现就职于中核集团福建福清核电有限公司，研究方向为核电厂仪表及控制系统维修及调试。