寧德核電廠核取樣系統流量計改進研究

寧德核電站核取樣系統（REN）流量變送器（MD）頻繁故障。通過現場核查及系統分析確定故障原因，并針對該故障問題進行研究，提出并論證改進方案。

寧德核電站 REN 核取樣系統，通過液體和氣體集中取樣供進行化學和放射化學分析，采樣主要來源有反應堆冷卻劑系統、廢液/廢氣處理系統、蒸汽發生器二次側和蒸發器排污系統，采樣大多存在放射性劑量。近期通過采集統計 REN 系統故障缺陷，發現該系統 MD 流量變送器故障頻繁。下文將針對該故障產生原因及改進方案進行分析。

1 故障分析

1.1 故障現象

寧德核電采用 CPR-1000 堆型，其化學取樣系統（簡稱REN）分別對一、二回路的水介質進行連續取樣監測，持續監測水介質中化學硼、鋰、氯化物、鹽、氧、鈉等成分，控制水質在核電站《化學與放射化學技術規范》要求的限制內。取樣設計要求對取樣連續流量進行監測并在一定的流量限值下，取樣才真實有效，因此 REN 系統設計了流量監測變送器 52 臺，功能位置分別為 1/2/3/4REN001～007/020～022MD、8/9REN361～366MD。

通過查找統計歷史故障，從 2014 年首臺機組商運至 2016 年 6 月底，這些流量變送器 1 號機累計故障 22 次，2 號機 15 次，3 號機 7 次，4 號機 2 次。故障主要表現為卡澀、堵塞、無讀數，特別是機組大修啟停前后，因水質凈化過程中，有部分細小的雜質使得流量計渦輪頻繁堵塞、卡死。

1.2 故障分析

1.2.1 流量計工作原理分析 REN 系統流量計采用法國福爾赫曼廠家的渦輪型 TZN 系列一體式流量計。其工作原理為流量計內部感測元件渦輪裝配的測量腔中，由可在滾珠軸承上自由旋轉的渦輪，當取樣流體通過測量腔時，推動渦輪旋轉，渦輪旋轉帶動轉子，使轉子切割感應檢測線圈產生頻率信號，渦輪旋轉的速度（頻率信號）和單位面積內介質流量成比例關系。流量計內部的變送器處理頻率信號轉換為實時的流量值。

1.2.2 REN 系統流量計故障原因分析查詢渦輪流量計運行維修手冊（簡稱 EOMM）對水質的清潔度有較高的要求，為保護流量計長期穩定運行，在流量計前必須安裝過濾器保證水質的清潔。CPR1000 機組在設計時并沒有在流量計前安裝過濾器。因過濾器的缺失，系統回路中部分細小雜質（特別是大修前后）逐漸累積到渦輪流量計轉子上，導致轉子卡塞、卡死等故障。

2 改進方案探討

2.1 改進方案 1：在渦輪流量計前取樣管線加裝過濾器

根據渦輪流量計對系統水質清潔度的要求，在取樣前段增設過濾器。該方案需進行核取樣系統工程改造，具體需開展的工作有：對原管線進行切割并焊接法蘭、過濾器選型、安裝過濾器后對管線重新進行抗震計算等工作。同時加裝過濾器后，又增加了過濾器堵塞的故障點，會增加更換或清潔過濾器濾網作業，增加過濾器及后續濾網更換工作均會增加人員受照劑量增加。

綜上所述該方案實施成本較高，且增加了后期維護工作量和人員照射劑量。該方案經濟性成本較高，增加的過濾器維護保養比現階段更換渦輪流量計的工作量更大，因此該不可取。

2.2 改進方案 2：渦輪流量計換型

通過故障分析，原有的渦輪流量計選型和設計安裝上存在較大弊端，無法滿足取樣管線中水質情況。從儀表本身著

手考慮進行儀表換型，選取符合 REN 系統水質情況的新型儀表。

2.2.1 儀表選型

目前，存在大約有超過上 100 種不同的流量測量儀表，選用合適的儀表，應首先了解流量儀表的性能特點，再結合現場使用的工況條件，最終才能選擇合適的流量計。

在眾多類型的流量測量儀表中選擇最佳適用工況的流量計，應綜合考慮流量儀表的類型、特點、環境因素及選型準則。

根據流體水質較差，存在雜質的特性，可選取差壓式（孔板或槭形管）、電磁式、超聲式（多普勒法）、科里奧利質量式；后再結合儀表工況要求的高精度、流體具有放射腐蝕性等，初步鎖定電磁式流量計，同時也進行了廠家調研，收集了同行福清核電應用反饋，電磁流量計具有廣泛的適用性，也有核電應用經驗。

考慮經濟效益，電磁流量計價格較高，但考慮儀表的運行維修費用，包含維修、定期校驗費用、設備采購、安裝調試投入。

除了選型匹配性和經濟性之外，還要考慮儀表的改進設計變更因素，包括流量計上下游管線是否需要改進，新型電磁流量重量變化對管線及儀表整體進行抗震計算甚至安裝支撐架，甚至還要考慮壓力損失的影響。

2.2.2 電磁式流量計特性電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律制成的一種新

型流量計。其測量原理基于法拉第電磁感應定律，即導電性液體在垂直于磁場的非磁性測量管內流動，切割磁力線，在其電極兩端產生感應電動勢，由電動勢的大小換算成流量。在測量管內無阻流及活動部件，不會造成卡澀、堵塞等故障，也不會對系統造成額外的壓損，日常維護工作量少，可避免人員頻繁的受照劑量。

測量流量時，流體流過垂直于流動方向的磁場，導電性流體的流動感應出一個與平均流速成正比的電勢，因此要求被測的流動液體高于最低限度的電導率。

2.2.3 儀表換型要考慮的關鍵參數儀表選型應充分考慮適應性和匹配性，例如介質壓力、

溫度、通流量、環境因素、機械安裝接口、電氣接口，而電磁流量計更重要的要考慮介質的電導率大小。有兩種情況是不適合選用電磁流量計（通常 DN 大于 10mm 時，電導率低于

5us/cm 或者 DN 小于 10mm 時，電導率低于 20us/cm 時）。

通過上表的 9 個要點進行設計論證、相關計算等因素分析對比，以及現場布置核實，化學數據調查，此改進方案具有可實施性，能夠有效地降低設備故障、維修率。

綜上所述，從儀表的選型、外部經驗反饋以及電磁流量計的特性，設計改進的可行性等綜合考慮，流量計換型的方2 技術成熟可行、經濟效益良好、改造成本可控，可將方2 作為改進方案，后續在機組大修期間擇機實施。