三门核电站主蒸汽流量测量浅析

摘要：文章简单介绍了三门核电基于文丘利管束节流的主蒸汽流量直接测量方法，通过分析文丘利管束对于核电站安全的特殊意义，对比常规主蒸汽流量测量方法，阐述了基于文丘利管束测量蒸汽流量的优势。

关键词：核电站；蒸汽发生器；蒸汽限流器；文丘利

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）10-0141-03

1 研究背景

蒸汽流量参数对于发电机组而言非常关键，对机组的运行状况、过程控制和性能监测等有着相当重要的作用。对于核电机组，蒸汽发生器是压水堆核电站一、二回路的枢纽，一回路反应堆冷却剂与二回路给水在蒸汽发生器中进行热交换，主蒸汽流量参数还直接影响反应堆堆芯热量导出，故还需关注其特殊的核安全意义。一般电站的蒸汽流量测量方法主要分为直接测量方法和间接计算测量两种。直接测量方法是利用节流元件直接获取蒸汽流量，间接计算测量则是根据弗留格尔公式间接计算得出主蒸汽流量。

三门核电站采用基于文丘利管束的蒸汽限流器作为节流元件的直接测量方法测量主蒸汽流量。本文分析了直接测量法在三门核电主蒸汽流量测量中的实现，以及节流元件对于电站安全的特殊意义。

2 间接法测量主蒸汽流量

采用间接换算法测量主蒸汽流量，其理论依据为汽轮机理论中著名的弗留格尔公式。因为没有节流元件造成蒸汽的压力损失，间接法测量主蒸汽流量的显著优点为减少汽耗，可靠性和稳定性也较高。

基于弗留格尔公式的间接计算测量法，有着明确的条件限制：（1）通流面积不变；（2）机组内各级流量相同；（3）级组内各级前温度变化率相同；（4）级组内不得串有其他非线性元件。对于条件（1），只要避开调节级，一般容易得到满足。而对于条件（2），则情况较为复杂。通常回热式机组各级抽汽量在相当范围内与机组的进汽量近似成正比，且其量与进汽量相比较小，故间接法测量也能获得较高的准确性。但对于再热机组，由于再热器的存在和对外供汽等因素条件（2）～（4）均不能得到满足。现在工程应用上，通常采取将高压缸全体压力级作为一个级组，引入加热器运行修正系数、使用改进型弗留格尔公式进行蒸汽流量

测量。

3 直接测量法在三门核电主蒸汽流量测量中的实现

3.1 流量测量的基本原理

3.2 理论模型与功率运行流量计算

三门核电1号机，节流元件为文丘利管束，又称为蒸汽限流器，布置于蒸发器蒸汽出口管嘴内，如图1-3所示。中心文丘利管位于蒸汽出口管嘴正中心，其余六个文丘利管环状分布于中心文丘利管四周，呈正六边形。蒸汽限流器有两种工作模式，蒸汽限流工况和非蒸汽限流工况。非蒸汽限流工况下文丘利管束作为蒸汽流量测量系统的节流元件。文丘利管组为几何对称布置，根据并联管路计算原则，可以近似认为通过每个文丘利管的流量相同。下文基于一个文丘利管进行流量计算，计算结果乘以文丘利管数量即为蒸汽管嘴出口蒸汽总

流量。

4 节流元件对电站安全的特殊意义

由上文可知，蒸汽限流器作为节流元件有两种工作模式，在非蒸汽限流工况下，文丘利管束作为主蒸汽流量测量系统的节流元件，产生静压差以直接测量主蒸汽流量。在非蒸汽限流工况下，即在蒸汽管道发生破口事故时，蒸汽发生器限流器则为临界文丘利，承担限制蒸汽排放的速率，降低蒸发器从一回路冷却剂的吸热速度，留给安全停堆、专设安全设施启动的裕量，从而避免冷却剂过冷引入的正反应性使得堆芯熔毁的功能。

4.1 基本原理

假设维持蒸汽限流器入口压力、温度的情况下，不断降低出口压力时，通过文丘利管的流体质量流量将会逐渐增加。当出口压力下降达到某一数值时，蒸汽限流器喉部流速达到最大，为当地音速，此时通过限流器的蒸汽流量也达到最大值。此时蒸汽流量为临界流量，喉部压力与入口压力之比为临界压力比。进一步降低出口压力，限流器喉部的蒸汽流速将处于当地声速不再改变，通过限流器的蒸汽流量也不再随着出口压力的降低而变化。这是因为微小压力波动是以声速传播的，当限流器喉部流速达到当地声速时，出口压力的波动将传递不到限流器喉部。蒸发器出口限流器正是根据文丘利式蒸汽限流器这一特性，来限制蒸汽管线破口的时蒸汽排放速度。

4.2 非蒸汽限流工况下数学模型

5 与其他主蒸汽流量测量方法的对比

5.1 与主蒸汽流量间接测量法相比

显然，三门核电主蒸汽直接测量法与主蒸汽流量间接方法相比，最突出的优势在于其节流元件对核电站的特殊安全意义。在主蒸汽管道破口的事故工况下限制蒸汽泄漏速度，限制最大蒸汽排放量，避免因为一回路冷却剂过冷所引入的正反应性导致偏离泡核沸腾（DNB）。从核安全的角度来讲，采用文丘利管束限流功能的安全意义高过于其作为节流元件的功能。这也是不同于大容量火电机组，核电机组大多采用节流装置测量主蒸汽流量的原因之一。此外，基于弗留格尔公式应用有着严格的限制条件，对于再热机组，间接法测量蒸汽流量并不准确，需要对通流系数进行复杂的修正。且需要进行定期的流量试验，比较主蒸汽流量与给水流量之间的关系，确定通流面积是否改变。

5.2 与采用孔板作为节流元件相比

虽然临界孔板也可实现限流的功能，但在非蒸汽限流工况下，蒸汽流经孔板的压损更高，较高的热损对机组的热效益不利。文丘利管束节流元件，还有便于整体铸造、降低取压前后直管段要求，减少成本等优势。

6 结语

文丘利管压损小，制造维护简单等特点优于孔板，且其临界限流特性，对于核安全有着特殊的意义。采用文丘里管束节流元件在事故工况下固有的安全特性，为保证堆芯安全添加了一道屏障，为后续的事故缓解争取了裕量。这样的设计也暗合了三代核电机组“非能动”理念。这也是三门核电项目采用基于文丘利管束的蒸汽限流器作为节流元件的直接测量方法测量主蒸汽流量的优势所在。

参考文献

[1] 刘世勋，高拥军.蒸汽发生器用蒸汽限流器的理论分析与设计[R].中国核科技报告.

[2] 杨萍，曹振新，陈德新，张健.主蒸汽流量直接与间接测量方法研究[J].仪器仪表学报，2008，（4）.

[3] 蔡增基，龙天渝.流体力学泵与风机[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[4] 用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量（GB/T2624-2006）[S].

[5] AP1000SteamGeneratorAnalysis：GENFPerformanceModelCalculations，2001.

[6] AP1000SteamGeneratorUpperShellAssembly，2010.

作者简介：王超（1988—），男，中核集团三门核电有限公司助理工程师，研究方向：热工仪表测量。endprint

摘要：文章简单介绍了三门核电基于文丘利管束节流的主蒸汽流量直接测量方法，通过分析文丘利管束对于核电站安全的特殊意义，对比常规主蒸汽流量测量方法，阐述了基于文丘利管束测量蒸汽流量的优势。

关键词：核电站；蒸汽发生器；蒸汽限流器；文丘利

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）10-0141-03

1 研究背景

蒸汽流量参数对于发电机组而言非常关键，对机组的运行状况、过程控制和性能监测等有着相当重要的作用。对于核电机组，蒸汽发生器是压水堆核电站一、二回路的枢纽，一回路反应堆冷却剂与二回路给水在蒸汽发生器中进行热交换，主蒸汽流量参数还直接影响反应堆堆芯热量导出，故还需关注其特殊的核安全意义。一般电站的蒸汽流量测量方法主要分为直接测量方法和间接计算测量两种。直接测量方法是利用节流元件直接获取蒸汽流量，间接计算测量则是根据弗留格尔公式间接计算得出主蒸汽流量。

三门核电站采用基于文丘利管束的蒸汽限流器作为节流元件的直接测量方法测量主蒸汽流量。本文分析了直接测量法在三门核电主蒸汽流量测量中的实现，以及节流元件对于电站安全的特殊意义。

2 间接法测量主蒸汽流量

采用间接换算法测量主蒸汽流量，其理论依据为汽轮机理论中著名的弗留格尔公式。因为没有节流元件造成蒸汽的压力损失，间接法测量主蒸汽流量的显著优点为减少汽耗，可靠性和稳定性也较高。

基于弗留格尔公式的间接计算测量法，有着明确的条件限制：（1）通流面积不变；（2）机组内各级流量相同；（3）级组内各级前温度变化率相同；（4）级组内不得串有其他非线性元件。对于条件（1），只要避开调节级，一般容易得到满足。而对于条件（2），则情况较为复杂。通常回热式机组各级抽汽量在相当范围内与机组的进汽量近似成正比，且其量与进汽量相比较小，故间接法测量也能获得较高的准确性。但对于再热机组，由于再热器的存在和对外供汽等因素条件（2）～（4）均不能得到满足。现在工程应用上，通常采取将高压缸全体压力级作为一个级组，引入加热器运行修正系数、使用改进型弗留格尔公式进行蒸汽流量

测量。

3 直接测量法在三门核电主蒸汽流量测量中的实现

3.1 流量测量的基本原理

3.2 理论模型与功率运行流量计算

三门核电1号机，节流元件为文丘利管束，又称为蒸汽限流器，布置于蒸发器蒸汽出口管嘴内，如图1-3所示。中心文丘利管位于蒸汽出口管嘴正中心，其余六个文丘利管环状分布于中心文丘利管四周，呈正六边形。蒸汽限流器有两种工作模式，蒸汽限流工况和非蒸汽限流工况。非蒸汽限流工况下文丘利管束作为蒸汽流量测量系统的节流元件。文丘利管组为几何对称布置，根据并联管路计算原则，可以近似认为通过每个文丘利管的流量相同。下文基于一个文丘利管进行流量计算，计算结果乘以文丘利管数量即为蒸汽管嘴出口蒸汽总

流量。

4 节流元件对电站安全的特殊意义

由上文可知，蒸汽限流器作为节流元件有两种工作模式，在非蒸汽限流工况下，文丘利管束作为主蒸汽流量测量系统的节流元件，产生静压差以直接测量主蒸汽流量。在非蒸汽限流工况下，即在蒸汽管道发生破口事故时，蒸汽发生器限流器则为临界文丘利，承担限制蒸汽排放的速率，降低蒸发器从一回路冷却剂的吸热速度，留给安全停堆、专设安全设施启动的裕量，从而避免冷却剂过冷引入的正反应性使得堆芯熔毁的功能。

4.1 基本原理

假设维持蒸汽限流器入口压力、温度的情况下，不断降低出口压力时，通过文丘利管的流体质量流量将会逐渐增加。当出口压力下降达到某一数值时，蒸汽限流器喉部流速达到最大，为当地音速，此时通过限流器的蒸汽流量也达到最大值。此时蒸汽流量为临界流量，喉部压力与入口压力之比为临界压力比。进一步降低出口压力，限流器喉部的蒸汽流速将处于当地声速不再改变，通过限流器的蒸汽流量也不再随着出口压力的降低而变化。这是因为微小压力波动是以声速传播的，当限流器喉部流速达到当地声速时，出口压力的波动将传递不到限流器喉部。蒸发器出口限流器正是根据文丘利式蒸汽限流器这一特性，来限制蒸汽管线破口的时蒸汽排放速度。

4.2 非蒸汽限流工况下数学模型

5 与其他主蒸汽流量测量方法的对比

5.1 与主蒸汽流量间接测量法相比

显然，三门核电主蒸汽直接测量法与主蒸汽流量间接方法相比，最突出的优势在于其节流元件对核电站的特殊安全意义。在主蒸汽管道破口的事故工况下限制蒸汽泄漏速度，限制最大蒸汽排放量，避免因为一回路冷却剂过冷所引入的正反应性导致偏离泡核沸腾（DNB）。从核安全的角度来讲，采用文丘利管束限流功能的安全意义高过于其作为节流元件的功能。这也是不同于大容量火电机组，核电机组大多采用节流装置测量主蒸汽流量的原因之一。此外，基于弗留格尔公式应用有着严格的限制条件，对于再热机组，间接法测量蒸汽流量并不准确，需要对通流系数进行复杂的修正。且需要进行定期的流量试验，比较主蒸汽流量与给水流量之间的关系，确定通流面积是否改变。

5.2 与采用孔板作为节流元件相比

虽然临界孔板也可实现限流的功能，但在非蒸汽限流工况下，蒸汽流经孔板的压损更高，较高的热损对机组的热效益不利。文丘利管束节流元件，还有便于整体铸造、降低取压前后直管段要求，减少成本等优势。

6 结语

文丘利管压损小，制造维护简单等特点优于孔板，且其临界限流特性，对于核安全有着特殊的意义。采用文丘里管束节流元件在事故工况下固有的安全特性，为保证堆芯安全添加了一道屏障，为后续的事故缓解争取了裕量。这样的设计也暗合了三代核电机组“非能动”理念。这也是三门核电项目采用基于文丘利管束的蒸汽限流器作为节流元件的直接测量方法测量主蒸汽流量的优势所在。

参考文献

[1] 刘世勋，高拥军.蒸汽发生器用蒸汽限流器的理论分析与设计[R].中国核科技报告.

[2] 杨萍，曹振新，陈德新，张健.主蒸汽流量直接与间接测量方法研究[J].仪器仪表学报，2008，（4）.

[3] 蔡增基，龙天渝.流体力学泵与风机[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[4] 用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量（GB/T2624-2006）[S].

[5] AP1000SteamGeneratorAnalysis：GENFPerformanceModelCalculations，2001.

[6] AP1000SteamGeneratorUpperShellAssembly，2010.

作者简介：王超（1988—），男，中核集团三门核电有限公司助理工程师，研究方向：热工仪表测量。endprint

摘要：文章简单介绍了三门核电基于文丘利管束节流的主蒸汽流量直接测量方法，通过分析文丘利管束对于核电站安全的特殊意义，对比常规主蒸汽流量测量方法，阐述了基于文丘利管束测量蒸汽流量的优势。

关键词：核电站；蒸汽发生器；蒸汽限流器；文丘利

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）10-0141-03

1 研究背景

蒸汽流量参数对于发电机组而言非常关键，对机组的运行状况、过程控制和性能监测等有着相当重要的作用。对于核电机组，蒸汽发生器是压水堆核电站一、二回路的枢纽，一回路反应堆冷却剂与二回路给水在蒸汽发生器中进行热交换，主蒸汽流量参数还直接影响反应堆堆芯热量导出，故还需关注其特殊的核安全意义。一般电站的蒸汽流量测量方法主要分为直接测量方法和间接计算测量两种。直接测量方法是利用节流元件直接获取蒸汽流量，间接计算测量则是根据弗留格尔公式间接计算得出主蒸汽流量。

三门核电站采用基于文丘利管束的蒸汽限流器作为节流元件的直接测量方法测量主蒸汽流量。本文分析了直接测量法在三门核电主蒸汽流量测量中的实现，以及节流元件对于电站安全的特殊意义。

2 间接法测量主蒸汽流量

采用间接换算法测量主蒸汽流量，其理论依据为汽轮机理论中著名的弗留格尔公式。因为没有节流元件造成蒸汽的压力损失，间接法测量主蒸汽流量的显著优点为减少汽耗，可靠性和稳定性也较高。

基于弗留格尔公式的间接计算测量法，有着明确的条件限制：（1）通流面积不变；（2）机组内各级流量相同；（3）级组内各级前温度变化率相同；（4）级组内不得串有其他非线性元件。对于条件（1），只要避开调节级，一般容易得到满足。而对于条件（2），则情况较为复杂。通常回热式机组各级抽汽量在相当范围内与机组的进汽量近似成正比，且其量与进汽量相比较小，故间接法测量也能获得较高的准确性。但对于再热机组，由于再热器的存在和对外供汽等因素条件（2）～（4）均不能得到满足。现在工程应用上，通常采取将高压缸全体压力级作为一个级组，引入加热器运行修正系数、使用改进型弗留格尔公式进行蒸汽流量

测量。

3 直接测量法在三门核电主蒸汽流量测量中的实现

3.1 流量测量的基本原理

3.2 理论模型与功率运行流量计算

三门核电1号机，节流元件为文丘利管束，又称为蒸汽限流器，布置于蒸发器蒸汽出口管嘴内，如图1-3所示。中心文丘利管位于蒸汽出口管嘴正中心，其余六个文丘利管环状分布于中心文丘利管四周，呈正六边形。蒸汽限流器有两种工作模式，蒸汽限流工况和非蒸汽限流工况。非蒸汽限流工况下文丘利管束作为蒸汽流量测量系统的节流元件。文丘利管组为几何对称布置，根据并联管路计算原则，可以近似认为通过每个文丘利管的流量相同。下文基于一个文丘利管进行流量计算，计算结果乘以文丘利管数量即为蒸汽管嘴出口蒸汽总

流量。

4 节流元件对电站安全的特殊意义

由上文可知，蒸汽限流器作为节流元件有两种工作模式，在非蒸汽限流工况下，文丘利管束作为主蒸汽流量测量系统的节流元件，产生静压差以直接测量主蒸汽流量。在非蒸汽限流工况下，即在蒸汽管道发生破口事故时，蒸汽发生器限流器则为临界文丘利，承担限制蒸汽排放的速率，降低蒸发器从一回路冷却剂的吸热速度，留给安全停堆、专设安全设施启动的裕量，从而避免冷却剂过冷引入的正反应性使得堆芯熔毁的功能。

4.1 基本原理

假设维持蒸汽限流器入口压力、温度的情况下，不断降低出口压力时，通过文丘利管的流体质量流量将会逐渐增加。当出口压力下降达到某一数值时，蒸汽限流器喉部流速达到最大，为当地音速，此时通过限流器的蒸汽流量也达到最大值。此时蒸汽流量为临界流量，喉部压力与入口压力之比为临界压力比。进一步降低出口压力，限流器喉部的蒸汽流速将处于当地声速不再改变，通过限流器的蒸汽流量也不再随着出口压力的降低而变化。这是因为微小压力波动是以声速传播的，当限流器喉部流速达到当地声速时，出口压力的波动将传递不到限流器喉部。蒸发器出口限流器正是根据文丘利式蒸汽限流器这一特性，来限制蒸汽管线破口的时蒸汽排放速度。

4.2 非蒸汽限流工况下数学模型

5 与其他主蒸汽流量测量方法的对比

5.1 与主蒸汽流量间接测量法相比

显然，三门核电主蒸汽直接测量法与主蒸汽流量间接方法相比，最突出的优势在于其节流元件对核电站的特殊安全意义。在主蒸汽管道破口的事故工况下限制蒸汽泄漏速度，限制最大蒸汽排放量，避免因为一回路冷却剂过冷所引入的正反应性导致偏离泡核沸腾（DNB）。从核安全的角度来讲，采用文丘利管束限流功能的安全意义高过于其作为节流元件的功能。这也是不同于大容量火电机组，核电机组大多采用节流装置测量主蒸汽流量的原因之一。此外，基于弗留格尔公式应用有着严格的限制条件，对于再热机组，间接法测量蒸汽流量并不准确，需要对通流系数进行复杂的修正。且需要进行定期的流量试验，比较主蒸汽流量与给水流量之间的关系，确定通流面积是否改变。

5.2 与采用孔板作为节流元件相比

虽然临界孔板也可实现限流的功能，但在非蒸汽限流工况下，蒸汽流经孔板的压损更高，较高的热损对机组的热效益不利。文丘利管束节流元件，还有便于整体铸造、降低取压前后直管段要求，减少成本等优势。

6 结语

文丘利管压损小，制造维护简单等特点优于孔板，且其临界限流特性，对于核安全有着特殊的意义。采用文丘里管束节流元件在事故工况下固有的安全特性，为保证堆芯安全添加了一道屏障，为后续的事故缓解争取了裕量。这样的设计也暗合了三代核电机组“非能动”理念。这也是三门核电项目采用基于文丘利管束的蒸汽限流器作为节流元件的直接测量方法测量主蒸汽流量的优势所在。

参考文献

[1] 刘世勋，高拥军.蒸汽发生器用蒸汽限流器的理论分析与设计[R].中国核科技报告.

[2] 杨萍，曹振新，陈德新，张健.主蒸汽流量直接与间接测量方法研究[J].仪器仪表学报，2008，（4）.

[3] 蔡增基，龙天渝.流体力学泵与风机[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[4] 用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量（GB/T2624-2006）[S].

[5] AP1000SteamGeneratorAnalysis：GENFPerformanceModelCalculations，2001.

[6] AP1000SteamGeneratorUpperShellAssembly，2010.

作者简介：王超（1988—），男，中核集团三门核电有限公司助理工程师，研究方向：热工仪表测量。endprint