CN101794629B - 一种数字差压式的棒位测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种数字差压式的棒位测量装置，属于反应堆的棒位测控技术领域，其特征在于，含有：差压参比管、在控制棒驱动轴控制下能在差压参比管内做往复上下运动的测量芯棒，等间隔的布置且连通在该差压参比管侧壁上的n个用于测量差压参比管内冷却剂流动差压的引压管，n-1个差压变送器及信息处理单元。两个相邻引压管之间的差压测量结果信号由差压变送器输出到信息处理单元，该差压参比管下端开口与控制棒导向管上端开口共轴相连，该控制棒导向管下端直接连通到压水反应堆的压力壳顶盖，差压测量结果信号经信息处理单元处理后通过辨识差压突然升高的两个引压管开口位置就可以得到测量芯棒上端面位置表示的棒位。本发明具有制造容易、可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明属于反应堆的棒位测控技术领域，涉及一种反应堆的棒位测量装置，尤其涉及一种基于数字差压式的棒位测量装置。
背景技术
控制棒是保证反应堆安全运行的重要组成部分。正常工况下，通过调节控制棒棒位，可以实现反应堆的正常启动、停闭，以及维持反应堆在某一给定功率水平运行和进行功率调节；在事故工况下，通过快速将控制棒插入反应堆堆芯，实现紧急停堆。棒位测量装置是该组成部分中的最重要的装置之一，其可靠性和安全性直接关系到整个反应堆的正常运行与安全。
目前已有的反应堆控制棒棒位测量装置主要包括角度式、超声式、电涡流式和感应式等几种。
角度式的控制棒棒位测量系统是将控制棒在堆芯中的移动距离转换为角度信号，然后利用自整角机对此角度信号给以测量。这种测量方法存在的问题是：1、系统的响应速度较慢；2、系统加工精度要求高，互换性差；3、系统校验和标定困难。
超声式控制棒棒位测量系统是在控制棒孔道内底部安装超声波发生器和传感器，使用超声波传感器接收超声波发生器发出的超声波信号在控制棒底部产生的反射信号，通过计算反射信号与发射信号的时差得到控制棒位置。如中国专利90100692.0-“反应堆控制棒超声波棒位测量系统”即属于这种类型的棒位测量装置。这种测量方法存在的问题是：1、在沸水型反应堆以及堆内产生气 泡的反应堆事故状态下不能工作；2、使用这种方法测得的控制棒位置是与压力壳的相对位置，对系统安装要求高。
电涡流式的控制棒棒位测量系统是在控制棒驱动机构的主动轴上安装一支精密丝杠并用其带动一个位置测量板移动，由电涡流传感器测出位置测量板与固定的位置参考板之间的距离而得到控制棒的位置信息。这种测量方法存在的问题是：1、属于间接测量方法，不能直接测量控制棒所在位置；2、测量装置体积较大。
感应式的控制棒测量系统是将由导磁材料，或者导磁与非导磁材料间隔排列组成的测量芯棒连接在控制棒一端并与控制棒同步运动；测量芯棒在一根空心孔道内部运动，测量线圈套装在空心孔道外部，当测量芯棒在线圈内部运动时，改变电感线圈的磁感应强度而使测量线圈输出信号幅度发生变化的测量方式，如中国专利95116462.9-“地址码反应堆控制棒棒位测量系统”。这种方法存在的问题是线圈体积较大，制作要求高，整体测量装置引线较多。由于采用了大量线圈结构的传感器，使得需要在反应堆压力壳顶部占用大量空间，并布置棒位测量装置的大量引线，不但增大了反应堆设计和结构布置的难度，也增加了线圈失效概率，不利于反应堆的安全性设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决上述棒位测量装置存在问题，特别是解决常见的感应式棒位测量装置存在问题的新型棒位测量装置。
本发明的特征在于含有：一根差压参比管、一根测量芯棒、n个引压管、n-1个差压变送器以及信息处理单元，其中：
所述差压参比管，下端开口，是一个冷却剂的流入口，上端侧水平方向有一个出口引流管，是冷却剂的流出口，该差压参比管中的所述冷却剂来自反应堆中的冷却系统，流入口的压力高于流出口的压力；
所述n个引压管，等间隔地安装在所述冷却剂的流入口与流出口之间的位置上，一端开口在所述差压参比管的另一侧壁上，每两个相邻的引压管之间并联着一个所述的差压变送器，总计为n-1个差压变送器；
所述测量芯棒，下端与控制棒驱动轴上端直接连接且在所述差压参比管内部孔道中做测量运动，不与所述控制棒驱动轴连接一侧的上端面，其往复运动范围在距离所述出口引流管最近的一个引压管在所述差压参比管壁面上开口的中心线位置与从所述冷却剂入口端开始计算的第二个引压管在所述差压参比管壁面上开口的中心线位置之间；
所述信息处理单元，设有n-1个输入端，其中每一个都从所述差压变送器引入一个差压测量结果信号，经过模数变换后，得到一条所述差压沿着所述流入口方向随着所述引压管在所述差压参比管轴线位置变化的数字差压变化曲线，所述测量芯棒不与所述控制棒驱动轴连接一侧的上端面进入其所述往复运动范围之后，当某相邻两个引压管之间的差压突然升高，则所述测量芯棒不与所述控制棒驱动轴相连一侧的上端面位置就在差压突然升高的那两个引压管在所述差压参比管壁面上开口的中心线之间。
所述差压参比管下端开口与一根控制棒导向管上端开口共轴相连，所述控制棒导向管下端直接竖直安装在压水反应堆压力壳顶盖上。
本发明的效果在于，所述一种数字差压式的棒位测量装置采用基于数字式测量差压变化的原理工作，与原有各种棒位测量技术相比，特别是感应式棒位测量技术相比，具有以下优点及突出性效果：由于本发明的棒位测量装置中采 用了数字式测量差压变化的结构和方法实现棒位测量，所使用的测量变送器属于常规工业变送器，性能可靠，技术成熟，经济性好，较制造难度大，工艺复杂，引线繁多的感应式测量线圈组来说，制造更容易，工作中的可靠性大为提高，由于没有感应式棒位测量装置的线圈式结构，安装体积大为减小，从根本上避免了棒位测量装置与其他系统之间潜在的电磁耦合问题，进一步提高了棒位测量装置的安全性和可靠性。
附图说明
图1是一种数字差压式的棒位测量装置的结构原理示意图。
图2是一种数字差压式的棒位测量装置的一个实施例的示意图。
图3是图2所示实施例中测量输出结果信号的压力变化曲线示意图。
图4是图2所示实施例中测量输出结果信号的数字差压变化曲线示意图。
对附图中各个标号说明如下：
图1中标号说明
| 图中标号 | 标号说明 | 图中标号 | 标号说明 |
| A | 控制棒驱动轴 | E(n-1) | 引压管 |
| B | 测量芯棒 | E(n) | 引压管 |
| C | 差压参比管 | F(1) | 差压变送器 |
| D | 出口引流管 | F(n-2) | 差压变送器 |
| E(1) | 引压管 | F(n-1) | 差压变送器 |
| E(2) | 引压管 | G | 现场测量单元 |
| E(n-2) | 引压管 | M | 信息处理单元 |
图2中标号说明
| 图中标号 | 标号说明 | 图中标号 | 标号说明 |
| A | 控制棒驱动轴 | F(2) | 差压变送器 |
| B | 测量芯棒 | F(3) | 差压变送器 |
| C | 差压参比管 | F(4) | 差压变送器 |
| D | 出口引流管 | F(5) | 差压变送器 |
| E(1) | 引压管 | G | 现场测量单元 |
| E(2) | 引压管 | M | 信息处理单元 |
| E(3) | 引压管 | N | A/D转换电路 |
| E(4) | 引压管 | P | 工业计算机 |
| E(5) | 引压管 | Q | 压力壳顶盖 |
| E(6) | 引压管 | T | 控制棒驱动机构 |
| F(1) | 差压变送器 | S | 控制棒导向管 |
具体实施方式
本发明通过恰当的原理和结构设计，采用常见的工业变送器作为信号采集设备，且采集单元数量大大下降，具有制造工艺成熟，安装方便，结构简单，便于维护以及高可靠性的特点。本发明提供了一种数字差压式的棒位测量装置包括：
一根差压参比管，其入口端以及出口端侧壁上连接的出口引流管，分别与反应堆系统中冷却剂流体部分连通。其入口端所连通部分的流体压力高于出口引流管端口所连通部分的流体压力；
在所述差压参比管另一侧壁面上，在其入口端及出口引流管位置之间，等间隔安装着若干用于差压测量的引压管，以及一组对应安装的差压变送器，其中每个差压变送器对应连接相邻两根引压管，所述各引压管和差压变送器共同组成现场测量单元；
一根与控制棒驱动轴直接连接，且在所述差压参比管内部孔道中做往复运动的测量芯棒，其往复运动由所连接的控制棒驱动轴带动，且其不与控制棒驱动轴连接的一侧端面运动范围在距离所述出口引流管最近的一个引压管在所述差压参比管壁面上开口的中心线位置与从所述冷却剂入口端开始计算的第二个引压管在所述差压参比管壁面上开口的中心线位置之间；
采集所述各差压变送器测量输出的差压测量结果信号，并经过一定分析处理，转换为测量芯棒上端面所在位置的信息处理单元，所述信息处理单元最终输出测量芯棒及相应的控制棒棒位信息。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种数字差压式的棒位测量装置，包括一根差压参比管C，其入口端以及出口端连接的出口引流管D，分别与反应堆系统中冷却剂流体部分连通。
其入口端所连通部分的流体压力高于出口引流管D所连通的流体部分压力；在所述差压参比管C壁面上，在入口端及出口引流管D位置之间，等间隔安装的n个用于差压测量的引压管E(1)，引压管E(2)...引压管E(n-2)、引压管E(n-1)和引压管E(n)，以及一组n-1个对应各相邻两个引压管的差压变送器F(1)...差压变送器F(n-2)和差压变送器F(n-1)，其中每个差压变送器对应连接相邻两根引压管，如差压变送器F(1)对应连接引压管E(1)和引压管E(2)，差压变送器F(n-1)对应连接引压管E(n-1)和引压管E(n)，上述引压管和差压变送器共同组成的现场测量单元G。一根与控制棒驱动轴A直接连接，且在所述差压参比管C内部孔道中做往复运动的测量芯棒B，其往复运动由所连接的控制棒驱动轴A直接带动，且所述测量芯棒B不与控制棒驱动轴A连接的一侧端面运动范围在距离所述出口引流管最近的一个引压管E(n)在所述差压参比管壁面上开口的中心线位置与从所述冷却剂入口端开始计算的第二个引压管E(2)在所述差压参比管壁面上开口的中心线位置之间。信息处理单元M采集所述各差压变送器测量输出的差压测量结果信号，并经过一定分析处理，转换为测量芯棒B不与控制棒驱动轴A相连接一侧端面 位置表示的棒位信息，也即相应的控制棒棒位位置信息，并最终输出上述棒位信息。
图2显示了一种数字差压式的棒位测量装置的一个具体实施例的结构，在该实施例中，所述棒位测量装置安装在压水型反应堆压力壳顶盖Q上方，控制棒导向管S直接安装在压力壳顶盖Q上，安装在控制棒导向管S中间部分的控制棒驱动机构T带动控制棒驱动轴A上下往复运动，实现控制棒上升和下降动作，进而控制反应堆输出功率。棒位测量装置中的差压参比管C下端与控制棒导向管S上端直接共轴连接，该连接结构满足反应堆一回路压力边界密封要求。差压参比管C的内部孔道与控制棒导向管S内部孔道连通，经过反应堆堆芯加热后进入反应堆压力壳上部空间中的压力较高的冷却剂，经过控制棒导向管S下部开口、控制棒驱动机构T内部间隙和控制棒导向管S内部孔道，进入差压参比管C内部孔道，并由差压参比管C上端口侧壁上连接的出口引流管D导出至反应堆冷管段，反应堆冷管段内部为经过蒸汽发生器后压力较低的冷却剂。在所述压力壳上部空间中的压力较高的冷却剂与经过蒸汽发生器后压力较低的冷却剂的压力差作用下，冷却剂流体在以上所述的流道中产生定向流动。
在差压参比管C的下端与出口引流管D位置之间的侧壁上等距离安装有六个引压管，分别是引压管E(1)、引压管E(2)、引压管E(3)、引压管E(4)、引压管E(5)和引压管E(6)，安装在附近的是测量引压管E(1)和引压管E(2)之间差压的差压变送器F(1)，测量引压管E(2)和引压管E(3)之间差压的差压变送器F(2)，测量引压管E(3)和引压管E(4)之间差压的差压变送器F(3)，测量引压管E(4)和引压管E(5)之间差压的差压变送器F(4)以及测量引压管E(5)和引压管E(6)之间差压的差压变送器F(5)，上述各引压管和差压变送器共同组成现场测量单元G。其中差压变 送器F(1)，F(2)，F(3)，F(4)和F(5)均采用Rosemount3051s差压变送器。
一根与控制棒驱动轴A上端直接连接的测量芯棒B位于差压参比管C内部孔道中，并在控制棒驱动轴A运动的直接带动下实现上下往复运动，测量芯棒B下端与控制棒驱动轴A上端直接连接，测量芯棒B上端面的运动范围限制在所述引压管E(2)和E(6)在所述差压参比管C侧壁上开口的中心线位置之间。
现场测量单元G中5个差压变送器输出的差压测量结果信号经过电缆输出至位于控制室内部的信息处理单元M，信息处理单元M包括A/D转换电路N和工业计算机P。A/D转换电路N的5个输入端将所述由现场测量单元G传输来的，由4-20mA模拟量信号表示的各差压测量结果信号转换为对应的数字量信号并传送给工业计算机P。工业计算机P对上述测量得到的各差压测量结果信号的数字量信号进行分析处理后得到相应的测量芯棒上端面表示的测量芯棒棒位信息，即相应得到与测量芯棒直接相连的控制棒棒位信息并输出上述棒位信息。所述A/D转换电路N采用PIO-MIO-16XE-10型多功能信号采集/输出板的的模拟量采集通道构成，工业计算机P采用SIEMENS工控机。
上述实施例中的举例仅是说明性的，而非限制性的，在实际实施中，可以根据具体的使用条件和测量要求，选择差压参比管C不同的安装方式；差压变送器也可以选用其他厂家或者其他型号的产品，实现类似的测量功能；信息处理单元中的各设备也可以选取其他厂家或者其他型号的可以实现类似功能的产品，或者使用PLC，嵌入式控制器等其他方式实现控制棒位置信息的分析、处理与输出。
本发所述棒位测量装置的工作原理如下：
如上所述，反应堆一回路中经过堆芯加热的压力较高的冷却剂，经过控制棒导向管S下部开口、控制棒驱动机构T内部间隙和控制棒导向管S内部孔道，进入差压参比管C内部孔道，并由差压参比管C上端口处侧壁上连接的出口引流管D导出至反应堆冷管段，反应堆冷管段内部为经过蒸汽发生器后压力较低的冷却剂。差压参比管C下端冷却剂流入口与出口引流管D构成的冷却剂流出口之间存在一定的差压的情况下，冷却剂在差压参比管C中形成定向流动。
与控制棒驱动轴A上端直接连接的测量芯棒B位于差压参比管C内部孔道中，并在控制棒驱动轴A运动的直接带动下实现上下往复运动，测量芯棒B下端与控制棒驱动轴A上端直接连接，所述测量芯棒B上端面的运动范围限制在所述引压管E(2)和E(6)在所述差压参比管C侧壁上开口的中心线位置之间。
在差压参比管C的下端与出口引流管D之间的另一侧壁面上等距离安装有6个引压管，分别是引压管E(1)、引压管E(2)、引压管E(3)、引压管E(4)、引压管E(5)和引压管E(6)，安装在附近的是测量引压管E(1)和引压管E(2)之间差压的差压变送器F(1)，测量引压管E(2)和引压管E(3)之间差压的差压变送器F(2)，测量引压管E(3)和引压管E(4)之间差压的差压变送器F(3)，测量引压管E(4)和引压管E(5)之间差压的差压变送器F(4)以及测量引压管E(5)和引压管E(6)之间差压的差压变送器F(5)，各差压变送器测量对应两根引压管之间的差压，输出差压测量结果信号。
在图2所示状态下，差压参比管C中的压力沿轴向方向自下而上变化曲线示意图见图3，各个差压变送器测量得到的各相邻引压管之间的差压测量结果 信号所构成的数字差压变化曲线示意图见图4。图3和图4中，横坐标表示自差压参比管C侧壁上的引压管E(1)在所述自差压参比管C侧壁开口中心线位置起，沿差压参比管C轴向方向与引压管E(1)在所述自差压参比管C侧壁开口中心线位置距离。其中横坐标所示的E(1)、E(2)、E(3)、E(4)、E(5)和E(6)分别表示对应引压管E(1)、E(2)、E(3)、E(4)、E(5)和E(6)在所述自差压参比管C侧壁开口中心线位置。
由图3中的压力变化曲线可知，自引压管E(1)在所述差压参比管C侧壁开口中心线位置起，至测量芯棒B上端面位置之间部分的差压参比管C的内部孔道，为测量芯棒B存在状态下构成的环状流道，其内部流体压力沿着差压参比管C轴向方向随与引压管E(1)在所述自差压参比管C侧壁开口中心线位置距离的增加而线性下降，在测量芯棒B上端面处，由于流道形状发生突然改变，使得冷却剂流体压力在很短距离内迅速下降，之后的流道部分为差压参比管C的内部孔道没有测量芯棒B存在的圆管状流道，冷却剂压力也沿着差压参比管C轴向方向随着与测量芯棒B上端面位置距离增加而线性下降，但是这部分的压力下降速率小于自引压管E(1)在所述差压参比管C侧壁开口中心线位置至测量芯棒B上端面位置之间部分的压力下降速率。由此，有图4所示的各差压变送器测量得到的各相邻两引压管之间的差压测量结果信号的数字差压变化曲线。由图4可见，引压管E(1)和引压管E(2)之间的差压，以及引压管E(2)和引压管E(3)之间的差压，均为中等大小的差压值dP0；引压管E(3)和引压管E(4)之间的差压，为突然升高的最大差压值dP1；引压管E(4)和引压管E(5)之间的差压，以及引压管E(5)和引压管E(6)之间的差压，均为较小的差压值dP2。由此，自差压变送器F(1)开始，沿差压参比管6轴向方向向上布置的各个差压变送器输出的差压测量结果信号中，当其中某一个差压测量结果信号突然升高，明显大于其它差压测量结果信号时，说明 测量芯棒B上端面位置位于该差压测量结果信号对应的两根相邻引压管在所述差压参比管C侧壁开口中心线位置之间。
A/D转换电路N在接受到各差压变送器传来的差压测量结果信号后，将其转换为工业计算机P可以直接读取的对应数字量信号并传送给工业计算机P。工业计算机P对所述数字差压变化曲线中对应各差压变送器输出差压测量结果信号对应的数字量信号进行比较。因为测量芯棒B上端面在引压管E(2)和E(6)在所述差压参比管C侧壁开口中心线位置之间运动，所以在某一确定冷却剂流量情况下，引压管E(1)和E(2)之间的差压测量结果信号对应的数字量信号在整个控制棒运动过程中保持不变，可以作为其他各差压变送器测量得到的差压测量结果信号对应的数字量信号的比较基准。工业计算机P将差压变送器F(1)测量的两个相邻引压管之间的差压转换为二进制数字值“1”，当某个差压变送器测量得到的差压测量结果信号对应的数字量信号大于差压变送器F(1)测量得到的差压测量结果信号对应的数字量信号时，工业计算机P将对应差压变送器测量的两个相邻引压管之间的差压转换为二进制数字值“2”；反之，当某个差压变送器测量值小于差压变送器F(1)测量得到的差压值差压测量结果信号对应的数字量信号时，将该差压变送器测量得到的两个相邻引压管之间的差压转换为二进制数字值“0”。转换后，可以根据上述得到二进制数字值，判断测量芯棒B的上端面即在对应二进制数字值“2”的差压变送器所连接的两根引压管在所述差压参比管C侧壁开口中心线位置之间，由于测量芯棒B与控制棒驱动轴A直接相连，而测量芯棒B对应起始位置又是已知的，由此确定了测量芯棒B的上端面所在的位置表示的测量芯棒棒位信息，即确定了控制棒所在位置的棒位信息。工业计算机P可以将得到的棒位信息再进一步输出，如此就完成了本发明所述一种数字差压式的棒位测量装置的工作过程，实现了棒位测量的目的。
Claims (2)
1.一种数字差压式的棒位测量装置，其特征在于，含有：一根差压参比管、一根测量芯棒、n个引压管、n-1个差压变送器以及信息处理单元，其中：
所述差压参比管，下端开口，是一个冷却剂的流入口，上端侧水平方向有一个出口引流管，是冷却剂的流出口，该差压参比管中的所述冷却剂来自反应堆中的冷却系统，流入口的压力高于流出口的压力；
所述n个引压管，等间隔地安装在所述冷却剂的流入口与流出口之间的位置上，一端开口在所述差压参比管的另一侧壁上，每两个相邻的引压管之间并联着一个所述的差压变送器，总计为n-1个差压变送器；
所述测量芯棒，下端与控制棒驱动轴上端直接连接且在所述差压参比管内部孔道中做测量运动，不与所述控制棒驱动轴连接一侧的上端面，其往复运动范围在距离所述出口引流管最近的一个引压管在所述差压参比管壁面上开口的中心线位置与从所述冷却剂入口端开始计算的第二个引压管在所述差压参比管壁面上开口的中心线位置之间；
所述信息处理单元，设有n-1个输入端，其中每一个都从所述差压变送器引入一个差压测量结果信号，经过模数变换后，得到一条所述差压沿着所述流入口方向随着所述引压管在所述差压参比管轴线位置变化的数字差压变化曲线，所述测量芯棒不与所述控制棒驱动轴连接一侧的上端面进入其所述往复运动范围之后，当某相邻两个引压管之间的差压突然升高，则所述测量芯棒不与所述控制棒驱动轴相连一侧的上端面位置就在差压突然升高的那两个引压管在所述差压参比管壁面上开口的中心线之间。
2.根据权利要求1所述的一种数字差压式的棒位测量装置，其特征在于，所述差压参比管下端开口与一根控制棒导向管上端开口共轴相连，所述控制棒导向管下端直接竖直安装在压水反应堆压力顶盖上。
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