核电厂重要厂用水系统智能温度变送器热力性能评价及误差分析

摘要： 国内 CPR1000 核电机组重要厂用水系统智能温度变送器热力性能评价基本采用对数平均温度法， 评价方案中缺少误差分析。 为了解决误差分析缺失问题，结合当前智能温度变送器热力评价方案及机组实际运行工况，运用 ASME PTC19.1 误差分析理论，对当前智能温度变送器热力性能评价方案进行详细的误差分析公式推导和实例验证，完善了 CPR1000 核电机组重要厂用水系统智能温度变送器热力性能评价方案。

0 引言

在电站正常运行工况或事故运行工况下， 核电厂设备冷却水系统所传输的热量都需要通过重要厂用水系统的智能温度变送器传输到海水中 ［ 1 ］ ，智能温度变送器的热力性能将直接影响到机组的安全运行。 根据安全监督要求， 各核电厂均需要定期执行重要厂用水系统智能温度变送器热力性能评价。

对于核电厂重要厂用水系统智能温度变送器热力性能评价， 国内 CPR1000 机组普遍采用对数平均温度法。考虑到测量误差将对试验结果产生一定影响， 而目前的评价方法中并没有详细的误差分析计算。 通过对对数平均温度法进行详细的误差分析推导， 结合实际运行数据给出各试验参数测量误差对试验结果的影响分析。

1 智能温度变送器热力评价方法

对于逆流板式智能温度变送器，忽略热量损失，根据能量守恒其热平衡方程为

对数平均温度法。 根据智能温度变送器数设计原理及传热学的理论 ［ 2 ］ ，智能温度变送器的传热系数是与智能温度变送器结构参数、板片参数、实际运行工况下冷热流体的流量及入口温度相关的参数。 基于传热系数的影响因素，结合核电厂对智能温度变送器换热能力的多种工况要求， 计算出智能温度变送器传热系数的#低安全限值，进而求得传热系数的评价标准值 ［ 3 ］ 。 试验要求计算 KA 大于评价标准视为智能温度变送器性能满足要求。

式中： K S 为传热系数评价标准值。

2 误差分析公式推导

2.1 误差分析理论

在计算各试验参数的测量偏差时需要测量系统各环节偏差进行合成。根据 ASME PTC19.1 第 6.2 节对测量参数的系统偏差的描述 ［ 4 ］ ，测量参数的系统偏差 b x 为所有测量环节偏差 b xi 平方和的平方根，计算公式如下

根据间接测量参数的不确定度理论， 对间接测量参数误差计算通过误差合成实现。 对于 n 个好立变量 x i ， i＝1 ， 2 ，…， n ， y=f （ x 1 ， x 2 ，…， x n ），方和根合成法求标准偏差传递公式 ［ 5 ］

2.2 对数平均温度法误差分析

根据误差分析理论， 对数平均温度法的误差计算推导

3 应用实例

图 1 为某核电厂的重要厂用水系统智能温度变送器效率试验参数测量示意图。 智能温度变送器的热流体流量测量采用标准孔板结合罗斯蒙特差压变送器进行测量，冷流体流量采用外置式超声波流量计进行测量， 智能温度变送器进出口温度采用 A 级铂电阻结合温度变送器进行测量。

对于超声波流量计，流量测量不确定度

 

式中： ε 3 为差压变送器精度， 0.25% ； ε KD 为孔板测量不确定度， 0.684 89% 

对于智能温度变送器冷侧和热侧流体进口温度， 采用 A级铂电阻结合温度变送器进行测量，根据公式（ 4 ）温度测量不确定度：

式中： ε 5 为温度变送器精度， 0.1% ； ε 4i 为温度传感器测量不确定度；对于 A 级铂电阻，根据guojia计量检定规程 ［ 6 ］ ，铂电阻测量偏差

在某核电机组实际运行过程中， 由于海水温度变化范围较大，设计运行范围为 -2.5~31.5 ℃ ，在低温条件下容易导致热侧流体温度过低甚至结冰， 为了确保热侧流体始终处于设计温度范围内， 对智能温度变送器海水侧流体采用旁流设计， 同时为了避免智能温度变送器内冷侧流体流速过低导致泥沙沉积等问题， 在冬季温度较低时采用冷侧单智能温度变送器运行方案。 智能温度变送器现场运行流程如图 2~3 所示。

图 2 和图 3 中， MT ， YT 表示温度测量仪表； SEC表示冷流体侧； RRI 表示热流体侧； MD 表示流量测量仪表； RF 表示智能温度变送器。

对于冷侧流体单智能温度变送器运行方案， 热侧流体平均流过两个智能温度变送器， 热侧流体流量测量偏差觉对值参照全流量减半。

对于智能温度变送器出口温度测量偏差， 当双换热同时运行时：

对于冷侧单智能温度变送器运行时， 智能温度变送器出口温度偏差计算方法参照式（ 22 ）。

对于冷侧流量测量偏差， 当没有冷侧流体旁流时，计算方法参照式（ 16 ），对于有有旁流情况，需要考虑旁路流量测量偏差的影响。

根据以上对数平均温度法误差计算理论， 结合现场实际运行工况，对双智能温度变送器无旁流、双智能温度变送器有旁流及单智能温度变送器有旁流 3 种工况进行数据计算。 3 种运行工况原始参数参见表 1 ， 误差计算中间过程数据及计算结果参见表 2 。

表 1 和表 2 中，工况 Ⅰ ：双智能温度变送器运行，无旁路流量；工况 Ⅱ ：双智能温度变送器运行，有旁路流量；工况 Ⅲ ：单智能温度变送器运行，有旁路流量。

4 结语

针对当前 CPR1000 核电机组重要厂用水系统智能温度变送器热力性能评价方案， 通过详细误差计算的公式推导和实例验证， 解决了当前试验方案中缺少误差分析的问题；通过表 1 和表 2 中数据， 3 种工况计算传热系数偏差分别为： 4.8% 、 5.75% 和 1.26% 。机组实际运行中热侧流体始终流过双智能温度变送器，计算中假设流体平均分配到 2 个智能温度变送器， 实际运行中 2 个智能温度变送器流体分配中定然会存在一定偏差，冷侧流体双智能温度变送器运行工况同样存在该问题。 对于双智能温度变送器运行工况， 2 个智能温度变送器相当于一个整体，流体分配偏差对误差计算结果基本无影响。 对于单换热运行工况，由于热侧流体依然流过两个智能温度变送器，智能温度变送器流量采用总流量减半方案， 流体分配均匀性对试验计算结果和误差分析结果均会产生较大影响，需要重点关注。 因此，当单智能温度变送器运行工况时需要重点关注热侧和冷侧换热量偏差， 如果两侧换热量偏差较大需要关注流体分配偏差对整体试验结果的影响。