軽水型原子炉給水用高精度超音波流量計の開発と現状
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カテゴリ: 第6回
1.緒言
ではこの不確かさ(約 20%)を考慮して 102%出力を初期 原子力は、発電時に二酸化炭素などの温暖化ガスを設定値として解析を行っている。したがって、給水流 ほとんど排出しないエネルギー供給システムであり、量の計測不確かさを仮に 1%以下に抑えることができ 且つエネルギーセキュリティーの観点からも優れていれば、101%で運転を続けても安全は担保される。つま る。原子力発電は、現在国内総発電量の約3割強を占り計測不確かさを改善することで、原子炉設備や安全 めており、日本の電気エネルギーの重要な供給源とな性への対応を全く変えずに安全を確保したまま、原子 っている。このような温暖化ガス削減や、エネルギー炉出力を向上できることになる。この方法が MU 型原 セキュリティーからの有効な手段としての優位性をよ子炉出力向上で、既にアメリカとスペインで導入され り一層活かすため、米国や欧州を始めとする世界各国ている。現在、給水流量計としてはフローノズルやオ では、数多くの原子力発電プラントで原子炉出力向上リフィス流量計が設置されているが、MU 型原子炉出 を実施している。米国 NRC は、この出力向上審査の定力向上には超音波流量計が検討適用されており、伝搬 型化と期間短縮のため、審査を3形式に分類している。時間差式の Chordal 型、External 型、相関式の Crossfow 一つは、原子炉給水流量計として用いる超音波流量計型超音波流量計[1]、及び超音波ドップラー流速分布計 の計測不確かさ改善による、~2%以下の出力増加を目測流量計がある[2]。 標にする MU型 (Measurement Uncertainty Recapture)、 2.原子炉給水流量計測用超音波流量計の また現状プラントの性能範囲内で大きな改造を伴わな現状比較 い~7%程度までの出力増加を目標にするストレッチ 型 (Stretch : S 型)、さらに主要機器の改造が必要とな 原子炉給水流量計用に、現在適用又は適用検討中の る ~20%程度まで認可実績のある設備拡張型 超音波流量計を Table 1 に示す。Chordal 型 LEFM、 (Extended : E型)がある。このうち MU 型は、原子炉 External 型 LEFM、CROSSFLOW 型、及び超音波ドッ 給水流量計の計測不確かさを改善することで、原子炉 プラー流速分布計測流量計が現在適用又は適用検討中 設備や安全性への対応は全く変わらずに、0.5~1.7%の で、その現状概略比較を同表中に示した。 原子炉出力向上が達成できる可能性がある[1]。すなわ Chordal 型 LEFM は、超音波の伝搬時間差から流速を ち、原子炉出力は給水流量とエンタルピ上昇の積でほ ぼ精確に求められるが、給水流量の計測には比較的大
求める伝搬時間差方式の超音波流量計であるが、配管 断面の4測線又は8側線を計測することにより、各4 断面平均流速分布を近似しプロファイルファクタにて 補正し流量を求める。 NRC が MU アップレート用に認 可している。Chordal 型 LEFM は、流量(レイノルズ数) にあまり依存せず、補正係数が安定していると報告さ れている。一般的にはスプールインで給水流量ライン に設置されるが、接液タイプのため BWR では圧力バ ウンダリーに複数の貫通孔が存在することになる。米 国で漏洩事例が報告されており、メンテナンスが重要 である。本流量計の方式では、ガウスの求積法に基づ く近似をしており、4測線では7次(=2n-1)式で流速 分布がよく近似できる必要が有る。External 型 LEFM は、超音波の伝搬時間差から流速 を求める一般的な超音波伝搬時間差法であり、プロフ ァイルファクタにて補正する。電磁流量計とならんで 良く使用される流量計である。外付けのため取り付け が容易で、国内プラントに多数の設置例がある。流量 (レイノルズ数) に依存した補正係数の変化が大きく、 高精度計測保証のためには、補正係数の流量(レイノ ルズ数)依存や、上流側配管形状に依存する偏流の影 響を明らかにする必要が有る。CROSSFLOW(クロスフロー)型超音波流量計は、 流れの2断面に超音波を発信し、断面を通過する乱流 渦等の情報が保存されるとして、その移動する流れの 面を相関法で同定し、断面間を通過する時間差から流 速を求め、配管内流速分布をプロファイルファクタに て近似補正し、流量を推定している。流量(レイノル ズ数)に依存した補正係数の変化が大きく、高精度計 測保証のためには、補正係数の流量(レイノルズ数) 依存、及び上流側配管形状に依存する偏流の影響を明 らかにする必要が有る。移動面同定のため相関法(統 計的検出)を適用しており、ノイズの影響の問題等が 指摘されている。超音波ドップラー流速分布計測流量計は、超音波反 射体からのドップラー信号から流速分布を直接線測定 し流量を求める点で、上記の3流量計とは原理が異な る流量計である。測定値に大きな誤差影響のあるプロ ファイルファクタ(補正係数)が不要で、現場で真値 を測定可能である。世界4ヶ国の国家標準ループで校 正計測試験の実績があり、一般流量計としては商品化 されている。理論的には、流動条件(流速、温度、圧 力)によらず高精度計測が可能と考えられる。ただし、 超音波反射体が必要で、給水は高圧のため気泡が存在 せずヘリウム注入が必要である。 3. 超音波流量計の精度誤差に及ぼす要因超音波流量計の計測不確かさの要因には、(1) プロ ファイルファクタ、(2) 幾何形状不確かさ、(3)時 間計測不確かさ、(4)密度計測不確かさ、がある[1]。 これらのうちプロファイルファクタは、測定現場の配 管配置や経年の影響、及びレイノルズ数の影響を受け、 かつその影響の度合いや原因特定は極めて困難であり、 測定精度に大きな影響を与える。原子力発電プラント の給水フローノズルは、上流部と絞り部との間に生ずる静圧差を測定することにより、管路内流量を求める が、原子力発電プラントが高経年化するに伴い、フロ ーノズルの内表面粗さがクラッドの付着等により変化 すると、流量の指示値が見かけ上変化する。超音波伝 搬時間差式及び相関式流量計は、フローノズルよりも 速度分布への依存性が大きく、上流側の形状により偏 流(非対称流れ)や旋回流、レイノルズ数、及び表面 粗さ等の影響を受けると、高精度の計測は困難である [3-5]。 3.1 上流側エルボによる偏流 - 測定位置及び流速の違いによる流速分布の比較を Fig.1 及び Fig.2 に示す「5,6]。分布形状を比較するため、 流速は最大速度で無次元化している。12D の位置では 上流側エルボによる偏流の影響が大きいが、30D の位 置では偏流がほぼ収まっている。流量計は、実機にお いて整流板から約10~12D 程度の位置に設置されるこ とが多く、今回の実験結果から、その位置では大きな 偏流が生じていることが予想され、また Fig.2 より、偏 流の状態がレイノルズ数に依存していることからも、 速度分布を仮定し補正係数で流量推定を行うことは、 測定上大きな誤差要因となりうる。manasonCOUSED。。Normalized VelocityProfile : V-Vmax▲12D 0 30Dooo。。。0.5Distance over Diameter:x/D Fig.1 Flow profiles along horizontal diameterpositions for Rz=5.3×10mNormalized VelocityProfile :V/Vmax* %%%%。▲ Re%3D1.5×10° + Re%3D2.8×105 O Re%3D4.4×105100.5Distance over Diameter:x/DFig.2 Flow profiles of different Reynolds number forRz=5.3×10'm at horizontal diameter position 12D516*3.2 配管内表面粗さ表面粗さの流速分布への影響を調べるため、異なる 3 種類の表面粗さを有する配管を用い、流速分布を測 定したものである[5]。測定に使用した配管は、新ステ ンレス管及びその内表面を粗面加工したもの、及び内 表面の錆化が一様に進んだ炭素鋼管で、配管サイズは 400Aである。それぞれの粗さは自乗和平均RZ1.0×10m、14.0×10m、及び 95.0×10mである。試験は、 (独)産業技術総合研究所の検定試験ループで実施した。 内表面粗さの違いによる流速分布の比較をFig.3 に示 す。表面粗さの違いにより、流速分布が変化している のが分かる。特に壁面近傍(T/D=1.0)での変化に注目す る必要がある。 4. 流量補正係数への影響偏流の流速分布に与える影響を定量化するため、実 験結果を基に求めたプロファイルファクタ(PF:流量 補正係数) の変化量を Fig.4 に示す[6]。プロファイル ファクタは、オリフィス流量計から得られた面平均流 速と、超音波流速分布計から得られた線平均流速の比 で定義した。変化量は各ケースのプロファイルファク4000nex Cooooooooooooooooooo8606660833eaa_3000トーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーいる会」Velocity [mm/s]-----------------1000--? New Smooth (SS); Rz=1.0.m ? Rough(SS); Rz=14.0.m a Rusted (Carbon); Rz=95.0:m10_0.2 10. 40.61081 r/RDistance from the center to inner surface of opposite-side of the mounted ultrasonic transducerFig. 3 Effect of pipe inner surface roughness on flowvelocity profiles for the pipe of 400mm diameter.6 5 4 3 2(%)●Rq=5.3*10*°m3D12D O Rq=5.3*10°m%3D30D ▲ RG%3D11.9*10*°m%3D12D A Rg=11.9*10°m;30D●Rq=5.3*10°m;12D O Rq=5.3*10°m%3D30D ▲ Rg=11.9*10°m;12D A Rq=11.9*10°m;30D一方、真の流量値は、 ら求めることができ される。V＝=(%)d ▽ 6 5 4 3 2 100 2 3 4ここで、01.E+0502.E+05E+054 .E+0500000-4LReynolds Numberであるから、超音波 以下のように、PF: 値を求める。+00 1.E+050 2.E+05i+054.E+0S 5.E+Reynolds NumberFig.4 Percentage change in profile factor for Rq and distance downstream of flow conditionervs. Re0.96Change over ~1.5%0.955K-Factor20.950.945Rusted Pipe -Carbon Steel Pipe\R2 = 1.00ml [R, = 14.0 yum| R2 = 95.0m 0.940 New SmoothRough Inner Inner SurfaceSurface ・SS Pipe・SS Pipe Fig.5 Effect of pipe inner surface roughnesson measurement accuracy タの平均値を基準として無次元化した。その結果、流 量補正係数の変化量は、+5%から-3%にあり、また、 測定位置が同じでレイノルズ数を変化させても、流速 分布が変化し、プロファイルファクタが最大約 2%変化 する。従って、測定位置やレイノルズ数が変化すると、 流量プロファイルファクタ(補正係数)が変化し、従 い、実機測定において高精度精度で流量測定を行うに は、これらの影響を考慮する必要がある。 - 配管内面粗さの変化が流量補正係数に及ぼす影響に ついて、Fig.3 に示した実験結果に基づき、評価した結 果を Fig.5 に示した。同図に示されるように、滑面であ る新しいステンレス鋼管と、経年化により内面の粗面 化が進んだ炭素鋼管では、プロファイルファクタは約 1.5%の差がある。以上から、偏流、レイノルズ数、内 面粗さのプロファイルファクタに及ぼす影響について は、いずれも1%以下で高精度測定を行うような場合は 無視できず、その中でも偏流は精度測定に及ぼす影響 が極めて大きい。超音波伝搬時間差式流量計及びクロスフロー型超音 波流量計において、内面粗さの変化がプロファイルフ ァクタに及ぼす影響を、BWR の給水流量条件下で解析 的にシミュレーションし検討した[5]。超音波伝搬時間は、超音波のパスに沿った線平均速 度に比例し、Fig.6に示すように、以下の式で定義される。一方、真の流量値は、Fig.7に示すような面平均速度か ら求めることができる。面平均速度は以下の式で定義 される。[V(r) x2ur]dr Va=2 ここで、VLEVA0.458333333333333であるから、超音波伝搬時間差式流量計においては、 以下のように、PF:プロファイルファクタを用い流量 値を求める。 True flow rate = Area averaged velocity1 = PF x Line averaged velocity517Velocity Profile LineShaded area averaged = -Diameter velocityYUltrasonic wave pathFig. 6 Definition of line averaged velocity.シミュレーション解析により評価した結果を Fig.8 に示す[7]。解析は STAR-CD 及び対数則を用い、 480MW-クラスの BWR の給水系を模擬し実施した。 超 音波伝搬時間差式流量計及びクロスフロー型超音波流 量計のプロファイルファクタ(PF:流量補正係数) を、 経年が進むと内面粗さも進むものとして、内面粗さを 変えてシミュレーションにより求めた。超音波伝搬時 間差式流量計は線平均速度、及びクロスフロー型超音 波流量計は中心速度を基に、解析的に得られた流速分 布から、その面積分により求めた流量との比較により、 流量補正係数を求めている。Fig.8 に示されるように、 配管内面粗さが進むと、PF は数%の大きさで、超音波 伝搬時間差式流量計及びクロスフロー型超音波流量計 とも、滑面時のプロファイルファクタに比較し偏差を 示す。プロファイルファクタが初期の設定のまま、Fig. 9 に示すように、その後経年と共にプロファイルファ クタが変化する場合、見かけ上線平均速度が同じ場合 では、実際と異なる流量指示値を示すことになる。 5. 超音波ドップラー流速分布計測流量計 原子力発電プラントの給水のような高温高圧条件下 で、秤量法による高精度の検定ループで実験し、プロ ファイルファクタを求めるのはかなりの困難を伴う。 現状では、実機の場合よりほぼ一桁程度小さいレイノ ルズ数で、プロファイルファクタを決定し外挿せざるLogarithmic Law Simulation (Star-CD]Change in Profile Factor (%)Cross Correlation (Center-Velocity)Transit Time (Line-Averaged Velocity)New PlantAging Plant501 100 1 150 200 Pipe Surface Roughness Ks (10-6m) Fig. 8 Percentage changes in Profile Factors vs.surface roughnessAreaVolume aroundCenterline (Laveraged ==Pipe Cross Section velocityXAxial Symmetric FlowFig.7 Definition of area averaged velocity.Plant Ages~PF%3D1.00 ・PF%3D0.95FlowInner Surface Becomes RougherPF%3D0.90~PF%D0.85PF Changes (Lower)Fig.9 Changing of Profile Factorを得ないので、前述のような誤差を排除することは困 難であるが、現在、(独)産業技術総合研究所に実機LWR の給水レイノルズ数(~1.7× 107) を再現できる大型ル ープが稼働しており、その有効利用が望まれる。一方、前述のようなプロファイルファクタの推定に 関わる誤差を排除するためには、配管内の真の流速分 布をベースに流量を求め、プロファイルファクタを排 除する必要がある。この概念を Fig. 10 中の「新しい方 法」に示す。超音波ドップラー流速分布計測流量計は、 超音波の発信周波数とドップラー信号、及び音速と測 定形状が分かれば、速度分布を計測することにより、 配管径や配置、温度圧力条件に依存せず、現場で流量 の真値を高精度に測定可能である。速度分布や形状が 異なると誤差が大きくなる従来の伝搬時間差法や、一 点ドップラー式超音波流量計と比較し、測定原理及び 実機適用上優れた点を有している。その概念図と従来 超音波伝搬流量計との比較は、Table 1 に示した通りで ある。厳密な意味で真の流量を求めるには、3次元のフロ ーマップを時間依存で求める必要がある。この場合、 流量は次式で求めることができる。 は流れの配管断 面上での管軸方向成分である。Q() = [V(t)ds = STY (r, 0, t)rdrd0 _Q0) = [V(0)ds = STY (r, 0, rardoとして、ほぼ1次元流れと仮定すると、流量計測は以 30 下のように簡単になる。[v(r, ,,t) / sin(a)rdir}: 30=2m/N518 -この場合、N個のトランスデューサを管壁同位置に周 方向角度を変えて設置するが、流速分布の比較的安定 している流路では数本の測定線で十分である。Table 2 に、(独)産業技術総合研究所、及び米国 NIST やメキ シコ、欧州オランダの国家検定ループでの実験結果を 示す。測定結果は MU 適用に十分な精度を有している が、今後高温試験、実機試験を通して手法の確立を図 る必要がある。6.結言現行軽水炉のMU型増出力を目的とした、超音波流速 計の原子炉給水への高精度測定適用は、適用する流量 計測システムの運転保守上の優劣とともに、測定現場 特有の配管配置に依存する偏流、また経年による内表 面粗さ及びレイノルズ数の違いによる流速分布の変化 と、その流量プロファイルファクタ(補正係数)に及 ぼす影響の大きさを十分認識し、考慮する必要がある。 そのために、(独)産業技術総合研究所の実機LWRの給水 レイノルズ数(~1.7×107) が再現できる大型ループ の有効利用や、また、流量補正係数の推定に関わる誤 差を排除するため、現場での流速分布計測が可能な超 音波ドップラー流速分布計測流量計を適用し、現場で の既設流量計の定期的な校正に用いることにより、原 子炉給水流量計測の現場での高精度測定が可能である。Table 2 国家検定ループでの測定試験結果Reynolds NumberExpanded UncertaintPlaceFluidDeviation in meter(%)0.03NIST 19““ (U.S.A)(%) 0.2 0.4NIST 2nd (U.S.A)waterNMIJ (Japan)0.4 0.1 0.3 0.5 0.60 5NMi (Nether0.1aswater 4.0E+05 water 2.7E+06 water 8.3E+05 water 7.2E+056.0E+05 water | 2.2E+06 water * | 1.7E+06 water 1 | 1.1E+06 water * | 1.8E+05 water 1 | 1.3E+05 water * | 8.6E+04 kerosene | 8.5E+04 kerosene | 6.2E+04 kerosene | 4.1E+04water | 4.2E+05 water 6.2E+05 water 3.1E+05 water 6.4E+05 water 12.1E+05 water 5.2E+05 water | 1.3E+06 water 1 16.6E+05 water | 1.1E-06 water 4.5E+05 water8900000.59 0.19 0.02 0.060.4 -0.3 -0.1 -0.12 -0.01 -0.170.33 -0.170.54 -0.17 0.13 0.12 0.14 -0.03 0.11 0.08 0.09 -0.18 0.23 -0.080.6 0.3CENAM (Mex) 100A±0.21 k%3D2.52neff %3D7 p=95,45%aterCENAM (Mex) 200A±0.16 k = 2.52neff =327 p=395,45%NMi (Netherlands)New methodConventional method Differential pressureltime delay/electromagnetic forceFlow velocitySectional flow area of pipingAveragelone-point | flow velocitySectional flow area of pipingFlow-premierTactorFlow profilefactorCompaning andActual flow profileFlow rate corrected by PFTrue flow rateCorrected with a profile factor (PF) |Requiring no PFFig. 10 Conceptual comparison between conventionalflowmeters and the flow-metering system by ultrasonic Pulse-Doppler profile-velocimetry.参考文献 [1] 岡本孝司他,“原子炉出力向上に関する技術検討評価の結果について「原子炉出力向上に関する技術検 討評価」特別専門委員会最終報告”,日本原子力学会誌, 第 50巻 12 号(2008) pp.772-784 [2] M. Mori, et. al., “CALIBRATION TESTS OF NEW TYPEFLOW-METERING SYSTEM BY ULTRASONIC PULSE-DOPPLER PROFILE-VELOCIMETRY AT NATIONAL STANDARD LOOPS”, ICONE14-89730, Proceedings of ICONE 14, July 17-20, 2006, Miami,Florida USA [3] Yeh, T.T. and Espina, P.I., Special ultrasonic flowmetersfor in-situ diagnosis of swirl and cross flow,ASME-FEDSM '01, FEDSM2001-18037, 2001 [4] A.Calogirou at el., “Effect of wall roughness changes onultrasonic gas flowmeters”, Flow Measurement andInstrumentation 12 2001 [5] M. Mori, et. al., “EFFECTS OF INNER SURFACEROUGHNESS AND ASYMMETRIC PIPE FLOW ON ACCURACY OF PROFILE FACTOR FOR ULTRASONIC FLOW METER““, ICONE14-89729, Proceedings ofICONE 14, July 17-20, 2006, Miami, Florida USA [6] 手塚他,“軽水炉用高精度給水流量計の開発”, 日本機械学会 2003 年度 年次大会(2003.8.5-8,徳島) 「7) M. Mori., “Series of Calibration Tests at NationalStandard Loops and Industrial Applications of New Type Flow-Metering System with Ultrasonic Pulse-Doppler Profile-Velocimetry for Power Plants““, Sixth International Symposium on Ultrasonic Doppler Methods for Fluid Mechanics and Fluid Engineering, Czech Technical University, Prague, September 9-11, 2008519,超音波ドップラー流速分布計測流量計Transmitter/Receiver Ultrasonic* Ultrasonic Flow、PulseなしUltrasonic TransmitterTIXCROSSFLOW Table 1 原子炉給水流量計測用超音波流量計の現状比較Extemal #LEFM・線測定超音波ドップラー法 ルファクタ)が不要。現場で真値を測定可。 | クランプオン。配管外付け、配管工事は不 要。ただし He 注入個所工事又は既設孔が ±0.4%以下(計量研検定) ±0.3% (NIST 検定) ・世界4ヶ国の国家標準ループ試験実績 ・一般流量計としては商品化されている. ・現場で速度分布を直接計測するため、時 | ・理論的には、流動条件(流速、温度、圧カ)によらず高精度計測が可能。 気泡が存在せずヘリウム注入が必要・日本発の高精度流量計. ・移動面同定のため相関法(統計的検出)を入・超音波反射体が必要給水は高圧のためUltrasonic Receiver ±0.5(メーカー公表値) ファクタにて近似し補正する。 ・流量(レイノルズ数)に依存した補正係数 ・クロスフロー法 | ・高精度計測保証ためには、補正係数の流適用.ノイズの影響の問題。 ・米国で過出力事例九州電力 超音波の伝搬時間差から流速を求める。配 | 超音波の伝搬時間差から流速を求める。配断面を通過する乱流渦等の情報が保存さ、超音波反射体からのドップラー信号から流 管断面の4測線又は8側線を計測すること、管内流速分布をプロファイルファクタにて補れるとして、2断面を通過する時間から流速分布を測定し流量を求める。測定値に大 により各4断面平均流速分布を近似しプロ|正する。電磁流量計とならんで良く使用さ速を求め、配管内流速分布をプロファイルきな誤差影響のある補正係数(プロファイ・外付けのため取り付けが容易で、国内プ | ・NRCが過出力判明後以後許認可取消し.Ho Ultrasonic 取付 | 配管一体溶接式(圧力バウンダリ)。トラン クランプオン。配管外付け、配管工事は不クランプオン。配管外付け、配管工事は不Receiver ・高精度計測保証ためには、補正係数の流 | 量(レイノルズ数)依存、上流側配管形状 ・流量(レイノルズ数)に依存した補正係数 | の変化が大きい. 量(レイノルズ数)依存、上流側配管形状 | の影響を明らかにする必要が有る.±1.0%(メーカー公表値) の影響を明らかにする必要が有る. ・伝搬時間差法 れる流量計。 ラントに設置例多数. 東電、東北、原電の変化が大きい. Ho UltrasonicReceiver |スデューサシール部は溶接不可。 ファイルファクタにて補正。±0.3%(メーカー公表値) ・流量(レイノルズ数)に依存によらず計測 ・NRCがアップレート用に認可. ・米国で漏洩事例, 貫通孔(8~16L), | ・ガウスの求積法に基づくと、4測線では7 ・伝搬時間差法値、補正係数が安定。 四国電力、中部電力次(=2n-1)式で面がよく近似できる必要 ・メンテナンスが有る. 績 計測 方法 計測 精度 国内媒 現状と 課題Ultrasonic Transmitter* Ultrasonic\Pulse→FlowG4A0国Chordal #LEFMUltrasonic TransmitterUltrasonic \Pulse→やる?Flow倍音平システ ム概要原理1901/06/03“ “?軽水型原子炉給水用高精度超音波流量計の開発と現状“ “森 治嗣,Michitsugu MORI,木倉 宏成,Hiroshige KIKURA,武田 靖,Yasushi TAKEDA
ではこの不確かさ(約 20%)を考慮して 102%出力を初期 原子力は、発電時に二酸化炭素などの温暖化ガスを設定値として解析を行っている。したがって、給水流 ほとんど排出しないエネルギー供給システムであり、量の計測不確かさを仮に 1%以下に抑えることができ 且つエネルギーセキュリティーの観点からも優れていれば、101%で運転を続けても安全は担保される。つま る。原子力発電は、現在国内総発電量の約3割強を占り計測不確かさを改善することで、原子炉設備や安全 めており、日本の電気エネルギーの重要な供給源とな性への対応を全く変えずに安全を確保したまま、原子 っている。このような温暖化ガス削減や、エネルギー炉出力を向上できることになる。この方法が MU 型原 セキュリティーからの有効な手段としての優位性をよ子炉出力向上で、既にアメリカとスペインで導入され り一層活かすため、米国や欧州を始めとする世界各国ている。現在、給水流量計としてはフローノズルやオ では、数多くの原子力発電プラントで原子炉出力向上リフィス流量計が設置されているが、MU 型原子炉出 を実施している。米国 NRC は、この出力向上審査の定力向上には超音波流量計が検討適用されており、伝搬 型化と期間短縮のため、審査を3形式に分類している。時間差式の Chordal 型、External 型、相関式の Crossfow 一つは、原子炉給水流量計として用いる超音波流量計型超音波流量計[1]、及び超音波ドップラー流速分布計 の計測不確かさ改善による、~2%以下の出力増加を目測流量計がある[2]。 標にする MU型 (Measurement Uncertainty Recapture)、 2.原子炉給水流量計測用超音波流量計の また現状プラントの性能範囲内で大きな改造を伴わな現状比較 い~7%程度までの出力増加を目標にするストレッチ 型 (Stretch : S 型)、さらに主要機器の改造が必要とな 原子炉給水流量計用に、現在適用又は適用検討中の る ~20%程度まで認可実績のある設備拡張型 超音波流量計を Table 1 に示す。Chordal 型 LEFM、 (Extended : E型)がある。このうち MU 型は、原子炉 External 型 LEFM、CROSSFLOW 型、及び超音波ドッ 給水流量計の計測不確かさを改善することで、原子炉 プラー流速分布計測流量計が現在適用又は適用検討中 設備や安全性への対応は全く変わらずに、0.5~1.7%の で、その現状概略比較を同表中に示した。 原子炉出力向上が達成できる可能性がある[1]。すなわ Chordal 型 LEFM は、超音波の伝搬時間差から流速を ち、原子炉出力は給水流量とエンタルピ上昇の積でほ ぼ精確に求められるが、給水流量の計測には比較的大
求める伝搬時間差方式の超音波流量計であるが、配管 断面の4測線又は8側線を計測することにより、各4 断面平均流速分布を近似しプロファイルファクタにて 補正し流量を求める。 NRC が MU アップレート用に認 可している。Chordal 型 LEFM は、流量(レイノルズ数) にあまり依存せず、補正係数が安定していると報告さ れている。一般的にはスプールインで給水流量ライン に設置されるが、接液タイプのため BWR では圧力バ ウンダリーに複数の貫通孔が存在することになる。米 国で漏洩事例が報告されており、メンテナンスが重要 である。本流量計の方式では、ガウスの求積法に基づ く近似をしており、4測線では7次(=2n-1)式で流速 分布がよく近似できる必要が有る。External 型 LEFM は、超音波の伝搬時間差から流速 を求める一般的な超音波伝搬時間差法であり、プロフ ァイルファクタにて補正する。電磁流量計とならんで 良く使用される流量計である。外付けのため取り付け が容易で、国内プラントに多数の設置例がある。流量 (レイノルズ数) に依存した補正係数の変化が大きく、 高精度計測保証のためには、補正係数の流量(レイノ ルズ数)依存や、上流側配管形状に依存する偏流の影 響を明らかにする必要が有る。CROSSFLOW(クロスフロー)型超音波流量計は、 流れの2断面に超音波を発信し、断面を通過する乱流 渦等の情報が保存されるとして、その移動する流れの 面を相関法で同定し、断面間を通過する時間差から流 速を求め、配管内流速分布をプロファイルファクタに て近似補正し、流量を推定している。流量(レイノル ズ数)に依存した補正係数の変化が大きく、高精度計 測保証のためには、補正係数の流量(レイノルズ数) 依存、及び上流側配管形状に依存する偏流の影響を明 らかにする必要が有る。移動面同定のため相関法(統 計的検出)を適用しており、ノイズの影響の問題等が 指摘されている。超音波ドップラー流速分布計測流量計は、超音波反 射体からのドップラー信号から流速分布を直接線測定 し流量を求める点で、上記の3流量計とは原理が異な る流量計である。測定値に大きな誤差影響のあるプロ ファイルファクタ(補正係数)が不要で、現場で真値 を測定可能である。世界4ヶ国の国家標準ループで校 正計測試験の実績があり、一般流量計としては商品化 されている。理論的には、流動条件(流速、温度、圧 力)によらず高精度計測が可能と考えられる。ただし、 超音波反射体が必要で、給水は高圧のため気泡が存在 せずヘリウム注入が必要である。 3. 超音波流量計の精度誤差に及ぼす要因超音波流量計の計測不確かさの要因には、(1) プロ ファイルファクタ、(2) 幾何形状不確かさ、(3)時 間計測不確かさ、(4)密度計測不確かさ、がある[1]。 これらのうちプロファイルファクタは、測定現場の配 管配置や経年の影響、及びレイノルズ数の影響を受け、 かつその影響の度合いや原因特定は極めて困難であり、 測定精度に大きな影響を与える。原子力発電プラント の給水フローノズルは、上流部と絞り部との間に生ずる静圧差を測定することにより、管路内流量を求める が、原子力発電プラントが高経年化するに伴い、フロ ーノズルの内表面粗さがクラッドの付着等により変化 すると、流量の指示値が見かけ上変化する。超音波伝 搬時間差式及び相関式流量計は、フローノズルよりも 速度分布への依存性が大きく、上流側の形状により偏 流(非対称流れ)や旋回流、レイノルズ数、及び表面 粗さ等の影響を受けると、高精度の計測は困難である [3-5]。 3.1 上流側エルボによる偏流 - 測定位置及び流速の違いによる流速分布の比較を Fig.1 及び Fig.2 に示す「5,6]。分布形状を比較するため、 流速は最大速度で無次元化している。12D の位置では 上流側エルボによる偏流の影響が大きいが、30D の位 置では偏流がほぼ収まっている。流量計は、実機にお いて整流板から約10~12D 程度の位置に設置されるこ とが多く、今回の実験結果から、その位置では大きな 偏流が生じていることが予想され、また Fig.2 より、偏 流の状態がレイノルズ数に依存していることからも、 速度分布を仮定し補正係数で流量推定を行うことは、 測定上大きな誤差要因となりうる。manasonCOUSED。。Normalized VelocityProfile : V-Vmax▲12D 0 30Dooo。。。0.5Distance over Diameter:x/D Fig.1 Flow profiles along horizontal diameterpositions for Rz=5.3×10mNormalized VelocityProfile :V/Vmax* %%%%。▲ Re%3D1.5×10° + Re%3D2.8×105 O Re%3D4.4×105100.5Distance over Diameter:x/DFig.2 Flow profiles of different Reynolds number forRz=5.3×10'm at horizontal diameter position 12D516*3.2 配管内表面粗さ表面粗さの流速分布への影響を調べるため、異なる 3 種類の表面粗さを有する配管を用い、流速分布を測 定したものである[5]。測定に使用した配管は、新ステ ンレス管及びその内表面を粗面加工したもの、及び内 表面の錆化が一様に進んだ炭素鋼管で、配管サイズは 400Aである。それぞれの粗さは自乗和平均RZ1.0×10m、14.0×10m、及び 95.0×10mである。試験は、 (独)産業技術総合研究所の検定試験ループで実施した。 内表面粗さの違いによる流速分布の比較をFig.3 に示 す。表面粗さの違いにより、流速分布が変化している のが分かる。特に壁面近傍(T/D=1.0)での変化に注目す る必要がある。 4. 流量補正係数への影響偏流の流速分布に与える影響を定量化するため、実 験結果を基に求めたプロファイルファクタ(PF:流量 補正係数) の変化量を Fig.4 に示す[6]。プロファイル ファクタは、オリフィス流量計から得られた面平均流 速と、超音波流速分布計から得られた線平均流速の比 で定義した。変化量は各ケースのプロファイルファク4000nex Cooooooooooooooooooo8606660833eaa_3000トーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーいる会」Velocity [mm/s]-----------------1000--? New Smooth (SS); Rz=1.0.m ? Rough(SS); Rz=14.0.m a Rusted (Carbon); Rz=95.0:m10_0.2 10. 40.61081 r/RDistance from the center to inner surface of opposite-side of the mounted ultrasonic transducerFig. 3 Effect of pipe inner surface roughness on flowvelocity profiles for the pipe of 400mm diameter.6 5 4 3 2(%)●Rq=5.3*10*°m3D12D O Rq=5.3*10°m%3D30D ▲ RG%3D11.9*10*°m%3D12D A Rg=11.9*10°m;30D●Rq=5.3*10°m;12D O Rq=5.3*10°m%3D30D ▲ Rg=11.9*10°m;12D A Rq=11.9*10°m;30D一方、真の流量値は、 ら求めることができ される。V＝=(%)d ▽ 6 5 4 3 2 100 2 3 4ここで、01.E+0502.E+05E+054 .E+0500000-4LReynolds Numberであるから、超音波 以下のように、PF: 値を求める。+00 1.E+050 2.E+05i+054.E+0S 5.E+Reynolds NumberFig.4 Percentage change in profile factor for Rq and distance downstream of flow conditionervs. Re0.96Change over ~1.5%0.955K-Factor20.950.945Rusted Pipe -Carbon Steel Pipe\R2 = 1.00ml [R, = 14.0 yum| R2 = 95.0m 0.940 New SmoothRough Inner Inner SurfaceSurface ・SS Pipe・SS Pipe Fig.5 Effect of pipe inner surface roughnesson measurement accuracy タの平均値を基準として無次元化した。その結果、流 量補正係数の変化量は、+5%から-3%にあり、また、 測定位置が同じでレイノルズ数を変化させても、流速 分布が変化し、プロファイルファクタが最大約 2%変化 する。従って、測定位置やレイノルズ数が変化すると、 流量プロファイルファクタ(補正係数)が変化し、従 い、実機測定において高精度精度で流量測定を行うに は、これらの影響を考慮する必要がある。 - 配管内面粗さの変化が流量補正係数に及ぼす影響に ついて、Fig.3 に示した実験結果に基づき、評価した結 果を Fig.5 に示した。同図に示されるように、滑面であ る新しいステンレス鋼管と、経年化により内面の粗面 化が進んだ炭素鋼管では、プロファイルファクタは約 1.5%の差がある。以上から、偏流、レイノルズ数、内 面粗さのプロファイルファクタに及ぼす影響について は、いずれも1%以下で高精度測定を行うような場合は 無視できず、その中でも偏流は精度測定に及ぼす影響 が極めて大きい。超音波伝搬時間差式流量計及びクロスフロー型超音 波流量計において、内面粗さの変化がプロファイルフ ァクタに及ぼす影響を、BWR の給水流量条件下で解析 的にシミュレーションし検討した[5]。超音波伝搬時間は、超音波のパスに沿った線平均速 度に比例し、Fig.6に示すように、以下の式で定義される。一方、真の流量値は、Fig.7に示すような面平均速度か ら求めることができる。面平均速度は以下の式で定義 される。[V(r) x2ur]dr Va=2 ここで、VLEVA0.458333333333333であるから、超音波伝搬時間差式流量計においては、 以下のように、PF:プロファイルファクタを用い流量 値を求める。 True flow rate = Area averaged velocity1 = PF x Line averaged velocity517Velocity Profile LineShaded area averaged = -Diameter velocityYUltrasonic wave pathFig. 6 Definition of line averaged velocity.シミュレーション解析により評価した結果を Fig.8 に示す[7]。解析は STAR-CD 及び対数則を用い、 480MW-クラスの BWR の給水系を模擬し実施した。 超 音波伝搬時間差式流量計及びクロスフロー型超音波流 量計のプロファイルファクタ(PF:流量補正係数) を、 経年が進むと内面粗さも進むものとして、内面粗さを 変えてシミュレーションにより求めた。超音波伝搬時 間差式流量計は線平均速度、及びクロスフロー型超音 波流量計は中心速度を基に、解析的に得られた流速分 布から、その面積分により求めた流量との比較により、 流量補正係数を求めている。Fig.8 に示されるように、 配管内面粗さが進むと、PF は数%の大きさで、超音波 伝搬時間差式流量計及びクロスフロー型超音波流量計 とも、滑面時のプロファイルファクタに比較し偏差を 示す。プロファイルファクタが初期の設定のまま、Fig. 9 に示すように、その後経年と共にプロファイルファ クタが変化する場合、見かけ上線平均速度が同じ場合 では、実際と異なる流量指示値を示すことになる。 5. 超音波ドップラー流速分布計測流量計 原子力発電プラントの給水のような高温高圧条件下 で、秤量法による高精度の検定ループで実験し、プロ ファイルファクタを求めるのはかなりの困難を伴う。 現状では、実機の場合よりほぼ一桁程度小さいレイノ ルズ数で、プロファイルファクタを決定し外挿せざるLogarithmic Law Simulation (Star-CD]Change in Profile Factor (%)Cross Correlation (Center-Velocity)Transit Time (Line-Averaged Velocity)New PlantAging Plant501 100 1 150 200 Pipe Surface Roughness Ks (10-6m) Fig. 8 Percentage changes in Profile Factors vs.surface roughnessAreaVolume aroundCenterline (Laveraged ==Pipe Cross Section velocityXAxial Symmetric FlowFig.7 Definition of area averaged velocity.Plant Ages~PF%3D1.00 ・PF%3D0.95FlowInner Surface Becomes RougherPF%3D0.90~PF%D0.85PF Changes (Lower)Fig.9 Changing of Profile Factorを得ないので、前述のような誤差を排除することは困 難であるが、現在、(独)産業技術総合研究所に実機LWR の給水レイノルズ数(~1.7× 107) を再現できる大型ル ープが稼働しており、その有効利用が望まれる。一方、前述のようなプロファイルファクタの推定に 関わる誤差を排除するためには、配管内の真の流速分 布をベースに流量を求め、プロファイルファクタを排 除する必要がある。この概念を Fig. 10 中の「新しい方 法」に示す。超音波ドップラー流速分布計測流量計は、 超音波の発信周波数とドップラー信号、及び音速と測 定形状が分かれば、速度分布を計測することにより、 配管径や配置、温度圧力条件に依存せず、現場で流量 の真値を高精度に測定可能である。速度分布や形状が 異なると誤差が大きくなる従来の伝搬時間差法や、一 点ドップラー式超音波流量計と比較し、測定原理及び 実機適用上優れた点を有している。その概念図と従来 超音波伝搬流量計との比較は、Table 1 に示した通りで ある。厳密な意味で真の流量を求めるには、3次元のフロ ーマップを時間依存で求める必要がある。この場合、 流量は次式で求めることができる。 は流れの配管断 面上での管軸方向成分である。Q() = [V(t)ds = STY (r, 0, t)rdrd0 _Q0) = [V(0)ds = STY (r, 0, rardoとして、ほぼ1次元流れと仮定すると、流量計測は以 30 下のように簡単になる。[v(r, ,,t) / sin(a)rdir}: 30=2m/N518 -この場合、N個のトランスデューサを管壁同位置に周 方向角度を変えて設置するが、流速分布の比較的安定 している流路では数本の測定線で十分である。Table 2 に、(独)産業技術総合研究所、及び米国 NIST やメキ シコ、欧州オランダの国家検定ループでの実験結果を 示す。測定結果は MU 適用に十分な精度を有している が、今後高温試験、実機試験を通して手法の確立を図 る必要がある。6.結言現行軽水炉のMU型増出力を目的とした、超音波流速 計の原子炉給水への高精度測定適用は、適用する流量 計測システムの運転保守上の優劣とともに、測定現場 特有の配管配置に依存する偏流、また経年による内表 面粗さ及びレイノルズ数の違いによる流速分布の変化 と、その流量プロファイルファクタ(補正係数)に及 ぼす影響の大きさを十分認識し、考慮する必要がある。 そのために、(独)産業技術総合研究所の実機LWRの給水 レイノルズ数(~1.7×107) が再現できる大型ループ の有効利用や、また、流量補正係数の推定に関わる誤 差を排除するため、現場での流速分布計測が可能な超 音波ドップラー流速分布計測流量計を適用し、現場で の既設流量計の定期的な校正に用いることにより、原 子炉給水流量計測の現場での高精度測定が可能である。Table 2 国家検定ループでの測定試験結果Reynolds NumberExpanded UncertaintPlaceFluidDeviation in meter(%)0.03NIST 19““ (U.S.A)(%) 0.2 0.4NIST 2nd (U.S.A)waterNMIJ (Japan)0.4 0.1 0.3 0.5 0.60 5NMi (Nether0.1aswater 4.0E+05 water 2.7E+06 water 8.3E+05 water 7.2E+056.0E+05 water | 2.2E+06 water * | 1.7E+06 water 1 | 1.1E+06 water * | 1.8E+05 water 1 | 1.3E+05 water * | 8.6E+04 kerosene | 8.5E+04 kerosene | 6.2E+04 kerosene | 4.1E+04water | 4.2E+05 water 6.2E+05 water 3.1E+05 water 6.4E+05 water 12.1E+05 water 5.2E+05 water | 1.3E+06 water 1 16.6E+05 water | 1.1E-06 water 4.5E+05 water8900000.59 0.19 0.02 0.060.4 -0.3 -0.1 -0.12 -0.01 -0.170.33 -0.170.54 -0.17 0.13 0.12 0.14 -0.03 0.11 0.08 0.09 -0.18 0.23 -0.080.6 0.3CENAM (Mex) 100A±0.21 k%3D2.52neff %3D7 p=95,45%aterCENAM (Mex) 200A±0.16 k = 2.52neff =327 p=395,45%NMi (Netherlands)New methodConventional method Differential pressureltime delay/electromagnetic forceFlow velocitySectional flow area of pipingAveragelone-point | flow velocitySectional flow area of pipingFlow-premierTactorFlow profilefactorCompaning andActual flow profileFlow rate corrected by PFTrue flow rateCorrected with a profile factor (PF) |Requiring no PFFig. 10 Conceptual comparison between conventionalflowmeters and the flow-metering system by ultrasonic Pulse-Doppler profile-velocimetry.参考文献 [1] 岡本孝司他,“原子炉出力向上に関する技術検討評価の結果について「原子炉出力向上に関する技術検 討評価」特別専門委員会最終報告”,日本原子力学会誌, 第 50巻 12 号(2008) pp.772-784 [2] M. Mori, et. al., “CALIBRATION TESTS OF NEW TYPEFLOW-METERING SYSTEM BY ULTRASONIC PULSE-DOPPLER PROFILE-VELOCIMETRY AT NATIONAL STANDARD LOOPS”, ICONE14-89730, Proceedings of ICONE 14, July 17-20, 2006, Miami,Florida USA [3] Yeh, T.T. and Espina, P.I., Special ultrasonic flowmetersfor in-situ diagnosis of swirl and cross flow,ASME-FEDSM '01, FEDSM2001-18037, 2001 [4] A.Calogirou at el., “Effect of wall roughness changes onultrasonic gas flowmeters”, Flow Measurement andInstrumentation 12 2001 [5] M. Mori, et. al., “EFFECTS OF INNER SURFACEROUGHNESS AND ASYMMETRIC PIPE FLOW ON ACCURACY OF PROFILE FACTOR FOR ULTRASONIC FLOW METER““, ICONE14-89729, Proceedings ofICONE 14, July 17-20, 2006, Miami, Florida USA [6] 手塚他,“軽水炉用高精度給水流量計の開発”, 日本機械学会 2003 年度 年次大会(2003.8.5-8,徳島) 「7) M. Mori., “Series of Calibration Tests at NationalStandard Loops and Industrial Applications of New Type Flow-Metering System with Ultrasonic Pulse-Doppler Profile-Velocimetry for Power Plants““, Sixth International Symposium on Ultrasonic Doppler Methods for Fluid Mechanics and Fluid Engineering, Czech Technical University, Prague, September 9-11, 2008519,超音波ドップラー流速分布計測流量計Transmitter/Receiver Ultrasonic* Ultrasonic Flow、PulseなしUltrasonic TransmitterTIXCROSSFLOW Table 1 原子炉給水流量計測用超音波流量計の現状比較Extemal #LEFM・線測定超音波ドップラー法 ルファクタ)が不要。現場で真値を測定可。 | クランプオン。配管外付け、配管工事は不 要。ただし He 注入個所工事又は既設孔が ±0.4%以下(計量研検定) ±0.3% (NIST 検定) ・世界4ヶ国の国家標準ループ試験実績 ・一般流量計としては商品化されている. ・現場で速度分布を直接計測するため、時 | ・理論的には、流動条件(流速、温度、圧カ)によらず高精度計測が可能。 気泡が存在せずヘリウム注入が必要・日本発の高精度流量計. ・移動面同定のため相関法(統計的検出)を入・超音波反射体が必要給水は高圧のためUltrasonic Receiver ±0.5(メーカー公表値) ファクタにて近似し補正する。 ・流量(レイノルズ数)に依存した補正係数 ・クロスフロー法 | ・高精度計測保証ためには、補正係数の流適用.ノイズの影響の問題。 ・米国で過出力事例九州電力 超音波の伝搬時間差から流速を求める。配 | 超音波の伝搬時間差から流速を求める。配断面を通過する乱流渦等の情報が保存さ、超音波反射体からのドップラー信号から流 管断面の4測線又は8側線を計測すること、管内流速分布をプロファイルファクタにて補れるとして、2断面を通過する時間から流速分布を測定し流量を求める。測定値に大 により各4断面平均流速分布を近似しプロ|正する。電磁流量計とならんで良く使用さ速を求め、配管内流速分布をプロファイルきな誤差影響のある補正係数(プロファイ・外付けのため取り付けが容易で、国内プ | ・NRCが過出力判明後以後許認可取消し.Ho Ultrasonic 取付 | 配管一体溶接式(圧力バウンダリ)。トラン クランプオン。配管外付け、配管工事は不クランプオン。配管外付け、配管工事は不Receiver ・高精度計測保証ためには、補正係数の流 | 量(レイノルズ数)依存、上流側配管形状 ・流量(レイノルズ数)に依存した補正係数 | の変化が大きい. 量(レイノルズ数)依存、上流側配管形状 | の影響を明らかにする必要が有る.±1.0%(メーカー公表値) の影響を明らかにする必要が有る. ・伝搬時間差法 れる流量計。 ラントに設置例多数. 東電、東北、原電の変化が大きい. Ho UltrasonicReceiver |スデューサシール部は溶接不可。 ファイルファクタにて補正。±0.3%(メーカー公表値) ・流量(レイノルズ数)に依存によらず計測 ・NRCがアップレート用に認可. ・米国で漏洩事例, 貫通孔(8~16L), | ・ガウスの求積法に基づくと、4測線では7 ・伝搬時間差法値、補正係数が安定。 四国電力、中部電力次(=2n-1)式で面がよく近似できる必要 ・メンテナンスが有る. 績 計測 方法 計測 精度 国内媒 現状と 課題Ultrasonic Transmitter* Ultrasonic\Pulse→FlowG4A0国Chordal #LEFMUltrasonic TransmitterUltrasonic \Pulse→やる?Flow倍音平システ ム概要原理1901/06/03“ “?軽水型原子炉給水用高精度超音波流量計の開発と現状“ “森 治嗣,Michitsugu MORI,木倉 宏成,Hiroshige KIKURA,武田 靖,Yasushi TAKEDA