核电站KME系统设计原理

?陈源杉

摘 要：核电站试验仪表系统（KME）是利用热平衡计算原理来标定一回路核功率，同时可以用来计算SEC/RRI换热器换热性能。KME系统由独立的试验仪表以及处理系统组成，可以进行定期试验。KME系统有专业的误差计算功能，具有高精度的特点。

本报告介绍了核电站KME系统的组成原理以及功能特点。

关键词：KME;试验;功率

1 系统功能

1.1 总述

核电站KME系统全称试验仪表系统，主要功能是对核电站的基本设备进行周期性的性能试验。此系统进行温度、流量和压力的测量，将这些物理量通过变送器及处理机柜进行转换，并进行计算，可以在操作站上输出计算结果，并能完成定期试验。

核电站KME系统主要执行两大功能，一是通过计算核电站二回路水和水蒸气的热平衡，来校准一回路核功率;二是通过SEC/RRI系统换热器前后的压力、流量参数计算换热器的传热性能。

KME系统周期性的执行试验，其周期性取决于特定的测试。此系统可以再操作员提出请求时执行，也可以在任何时候不改变接线的情况下，执行测试。

1.2 热平衡计算试验

由于核电厂一回路堆芯热功率无法直接测量得到，通常根据一二回路的能量平衡原理，通过二回路功率的测量表征堆芯热功率的大小。利用实测蒸汽发生器二次侧进口给水压力、温度、流量，以及主蒸汽压力、温度等参数，计算出二回路工质通过蒸汽发生器所产生的焓升，从而得到反应堆一回路传给二回路的能量，然后再把一回路通过其他设备得到的能量和失去的能量考虑进去，通过能量平衡原理求出反应堆堆芯功率。

KME系統一项最重要的功能是利用热平衡原理，通过二回路主给水系统及主蒸汽系统相关测量参数，计算出反应堆热功率，用来标定RPN功率，并为RCP测量和推导的流量系数提供相关计算参数。

电厂KME试验在调试阶段各功率水平下进行，并且在运行期间一般每周进行一次。KME系统主要为技术部、仪表处、堆工中心提供数据支持。

反应堆热功率WR由热平衡原理等于回路的焓升和减去外部带来的热源：

其中：

1.焓值的计算由给水流量、给水/蒸汽压力温度计算;

2.外部的热源通常包括传给反应堆冷却系统的热功率减去来自反应堆冷却剂的热功率;

1.3 换热器性能计算试验

此项功能用来计算核电厂设备冷却水系统/重要厂用水系统热交换器性能，通过热交换器的传热平衡原理，可以计算热交换系数，同时算出热阻：

其中，

P：热交换功率（kW）

Q：流量（kg/s）

Cpccs：CCS中水的比热（kJ/kg℃）

Cpsws：SWS中水的比热（kJ/kg℃）

Te：入口温度（℃）

Ts：出口温度（℃）

基于SEC/RRI换热器回路温度、流量和压力计算出的热阻，从而判断是否应该清洗热交换器。

2 系统结构

KME系统由现场传感器、变送器，采集板卡，处理机柜以及操作站构成。系统整体结构如图2所示[1]。

KME系统系统应采用抗干扰能力强的设备，使得系统部件故障影响最小。I/O采集板卡采用高精度路路隔离的卡件，以提高系统对于电源波动、电磁干扰、信号源干扰等外部干扰的抵抗能力。KME系统模拟量采集板卡采集精度达到万分之二。

水物性计算、误差计算等复杂的计算功能，开发专业的KME数据处理软件，采取了严格的误差控制与分析算法。采集过程中对数据进行数字滤波，剔除不符合要求的数据，基本消除由前段传感器采集引入的偶然误差。

KME系统配备了人机交互站，可以实现现场采集数据的实时显示、计算、报警、打印等功能，支持手动试验，也可以开展定期的自动试验。同时，系统可以基于存储的历史数据进行离线计算。

3 测量要求

KME系统的整体精度需达到1%，误差来源包括现场传感器误差、采集误差、计算误差等各个环节。在设备选型时除了对采集板卡精度作出要求外，还应对现场传感器的精度进行要求。

系统所采集的信号主要包括主给水的压力、温度、流量，主蒸汽压力、温度、RPN核功率，主变电功率，凝汽器真空度，排污流量，重要厂用水/设备冷却水换热器温度、压力、流量以及大气压力等。

现场传感器/变送器的精度一般选用要求见下表：

其中对于KME系统计算精度影响最大的是主给水流量测量的误差[2]。目前成熟的压水堆核电站KME主给水流量测量一般采用差压原理，通过节流装置产生的压差间接地计算出流量。节流装置中，孔板的高精度及可拆卸性满足KME系统测量的要求，因此通常选用阀式测量孔板作为KME主给水测量元件。

4 误差分析

误差计算应考虑计算的所有环节，从传感器和变送器到数据处理服务器，热平衡计算的误差包括随机误差和系统误差。

随机误差包括温度、压力、差压测量中传感器及变送器引起的误差;饱和蒸汽焓以及饱和水焓的误差来自压力测量的误差，以及计算水和蒸汽热力性质的ASME公式误差;流量测量的误差来自节流元件以及差压变送器的误差，其中节流元件导致的误差与孔板和管道尺寸的不确定度有关。

系统误差包括人为误差以及仪器误差。人为误差通常可以忽略，仪器误差主要由流量测量引起，包括由孔板上下游直管段引起的不确定度以及使用过程中的腐蚀、磨损带来的误差等。

5 总结

核电站KME系统是电厂最精确的功率测量方法，通过热平衡原理推导出一回路核功率的精确数据，为电厂运行调度提供重要的参考，同时能够实时监视SEC/RRI系统换热器的运行状况，是电厂保持良好运行的重要手段。

参考文件：

[1] 宋晓娜，徐昌荣，陈瑞峰. 广东岭澳核电站KME系统介绍 [J]. 技术纵横. 2002（06）.

[2] 王旭，张赫男，等. 核电站给水流量测量与小幅功率提升研究[J].中国核科学技术进展报告（第二卷），2011.10.

作者简介：

陈源杉（1992.06-）男，湖北省恩施市，学士学位，工程师，中广核研究院有限公司，仪控工程师.