CN103016958A - 用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测方法和监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于核工业测量技术领域，具体涉及一种用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测方法和监测系统。该方法在沿高能管壁与保温层之间的传播通道上加装若干个温湿度探头，湿度探头测量介质泄漏后通道内的绝对湿度变化，利用不同探头接收到湿度增加信号的不同时间的相对关系，辨识出泄漏位置；湿度探头记录下湿度增加后，换算出整个通道内总体介质增量，并除以累计所用时间得到泄漏率；通过热工计算，将实际泄漏处的体积泄漏率除以泄漏速率，估算出泄漏源的尺寸；温度探头通过温度升高对管道泄漏情况和泄漏位置进行辅助性判断。本发明避免了高能管道双端断裂的风险，又可以省去一些不必要的设施，降低核反应堆结构的复杂程度和建设费用。

Description

用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测方法和监测系统

技术领域

本发明属于核工业测量技术领域，具体涉及一种用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测方法和监测系统。

背景技术

破前泄漏技术是保证反应堆运行安全性和可靠性的一种先进的设计技术。其基本思想是当管道发生泄漏，泄漏量达到一定程度时，可以通过专设泄漏监测装置测量出来并告知运行人员，因此，在管道裂纹扩展到临界裂纹尺寸而突然断裂之前，可以有充裕时间实现安全停堆，对泄漏管道进行修补或更换等处理，以避免管道双端断裂的发生。

在以往已建核电站的设计中，对高能管道介质泄漏监测都是采用地坑液位、水装量平衡等常规手段进行监测，这些监测手段总体监测相应时间漫长，并且无法对不可识别泄漏进行定位、定量。对于主管道、主蒸汽管道这样的高能管道为避免管道在极端情况下发生双端断裂，通常可在管道上加装防甩件等限制管道潜在的破裂位移。此种方法成本不菲，且只能在极端工况发生的情况下，被动对事故进行限制，失去了主动监视、预防高能管道脆性断裂的能力。

随着核电技术的发展，如何将破前泄漏技术在核电厂的改造、设计和建造中进行有效应用，具有重要意义，同时会产生巨大的社会和经济效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于温湿度原理的核电站高能管道专设局部泄漏监测方法和系统，实现对发生介质（水/蒸汽）泄漏的管道进行泄漏位置的定位、泄漏源的尺寸评估、以及泄漏量的监测。

本发明的技术方案如下：一种用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测方法，该方法在沿高能管壁与保温层之间的传播通道上加装若干个温湿度探头，湿度探头测量介质泄漏后通道内的绝对湿度变化，利用不同探头接收到湿度增加信号的不同时间的相对关系，辨识出泄漏位置；湿度探头记录下湿度增加后，换算出整个通道内总体介质增量，并除以累计所用时间得到泄漏率；然后通过热工计算，将实际泄漏处的体积泄漏率除以泄漏速率，从而估算出泄漏源的尺寸；温度探头通过温度升高对管道泄漏情况和泄漏位置进行辅助性判断。

进一步，如上所述的用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测方法，其中，对泄漏位置的计算通过以下公式实现：

$x_L=x_1-\frac{x_1-x_3-v_{12}(t_3-t_1)}{2}$

v₁₂=Δx₁₂/(t₂-t₁)

公式中，

x_L为泄漏点的位置；

x₁、x₂、x₃为三个温湿度探头1、2、3布置的位置，取探头1、2在泄漏点处管道介质流向的下游，探头3在泄漏点处管道介质流向的上游；

t₁，t₂，t₃为三个探头接受到相应湿度信号的时间；

v₁₂为两探头间泄漏蒸汽的平均流速；

Δx₁₂为探头1、2的间距。

进一步，如上所述的用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测方法，其中，对泄漏率的计算可通过以下公式实现：

G_mL=2π(D+l)lv₁₂Δφ

当D>>1时，G_mL=2πDlv₁₂Δφ

公式中，

G_mL为泄漏质量流量；

D为管道外径；

l为管道与保温层之间的缝隙；

v₁₂为两探头间泄漏蒸汽的平均流速；

Δφ为绝对湿度变化量，Δφ=当前绝对湿度-本底绝对湿度。

进一步，如上所述的用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测方法，其中，对泄漏裂纹尺寸的估算可通过以下公式实现：

s=G_L/v

公式中，

s为泄漏裂纹的面积尺寸；

G_L为泄漏体积流量（G_L=质量泄漏率/介质密度）；

v为裂纹处的泄漏速度（在泄漏裂纹估算算法中可以取为当地音速）。

一种用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测系统，包括若干个沿高能管壁与保温层之间的传播通道设置的温湿度探头，温湿度探头连接信号放大器，信号放大器与信号多路采集站连接，信号多路采集站连接泄漏专家诊断工作站；温湿度探头采集原始温湿度变化数据，经信号放大器放大后，送入信号多路采理站处理，并由泄漏专家诊断工作站转换成用于计算的绝对湿度和温度数据，最终分析得到泄漏关键信息。

所述的泄漏关键信息包括泄漏位置、泄漏率、泄漏源的尺寸。

本发明的有益效果如下：

（1）采用本发明的技术方案后，整套高能管路系统将具有主动监测机制，可对管道贯穿裂纹处微小泄漏进行监测，避免了高能管道双端断裂的风险，既确保核反应堆的安全，又可以省去防甩件等一些不必要的设施，同时还能降低核反应堆结构的复杂程度和建设费用。

（2）本发明将为高能管道提供可量化的泄漏监测手段，可在极端事故发生前定量探测出微小泄漏量，以及泄漏源的尺寸。根据监测数据对泄漏情况进行评估分析，可以为高能管路系统提供足够的安全裕量，在不停堆的前提下实现管道伤害及早处理，或及时停堆以防演变成严重事故。

（3）本发明将为高能管道泄漏提供定位手段，降低了事故排查时间，降低了人员辐射剂量，提高电厂的可维护性和可达性。

附图说明

图1为本发明的监测方法中判断探头与泄漏点的相对位置原理示意图；

图2为本发明的监测系统结构组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明是通过沿高能管道安装的温湿度探头，来实现对发生介质（水/蒸汽）泄漏的管道进行泄漏位置的定位、泄漏源的尺寸评估、以及泄漏量的监测。

对于设置有保温层的高能管道，在保温层和管道外壁之间为泄漏介质提供了固定传播通道，在沿高能管壁的传播通道上加装温湿度探头，测量介质泄漏后通道内的绝对湿度变化（增加），并利用不同探头接受到湿度增加信号的不同时间的相对关系，辨识出泄漏位置。湿度探头记录下湿度增加后，换算出整个通道内总体介质增量，并除以累计所用时间得到泄漏率。最后通过热工计算，将实际泄漏处的体积泄漏率，除去泄漏速率，从而估算出泄漏源的尺寸。

在管道介质泄漏时保温层内温度也将发生变化，温度探头能够通过温度升高对管道泄漏情况和泄漏位置进行辅助性定性判断。

其中，泄漏率计算可通过以下公式实现，即环状截面积×蒸汽流速×湿度增量。

G_mL=2π(D+l)lv₁₂Δφ

当D>>1时，G_mL=2πDlv₁₂Δφ

公式中，

G_mL为泄漏质量流量；

D为管道外径；

l为管道与保温层之间的缝隙；

v₁₂为两探头间泄漏蒸汽的平均流速；

Δφ为绝对湿度变化量，Δφ=当前绝对湿度-本底绝对湿度。

对泄漏位置的计算可通过以下公式实现，

v₁₂=Δx₁₂/(t₂-t₁)

泄漏点与x₁之间的距离为，

$\frac{x_1-x_3-v_{12}(t_1-t_3)}{2}+v_{12}(t_1-t_3)$

则泄漏点的位置为：

$x_L=x_1-\frac{x_1-x_3-v_{12}(t_3-t_1)}{2}$

公式中，

x_L为泄漏点的位置；

x₁、x₂、x₃为三个温湿度探头1、2、3布置的位置，取探头1、2在泄漏点处管道介质流向的下游，探头3在泄漏点处管道介质流向的上游；

t₁，t₂，t₃为三个探头接受到相应湿度信号的时间；

v₁₂为两探头间泄漏蒸汽的平均流速；

Δx₁₂为探头1、2的间距。

对泄漏裂纹尺寸的估算可通过以下公式实现，

s=G_L/v

公式中，

s为泄漏裂纹的面积尺寸；

G_L为泄漏体积流量（G_L=质量泄漏率/介质密度）；

v为裂纹处的泄漏速度（在泄漏裂纹估算算法中可以取为当地音速）。

高能介质从管道中骤然泄漏出来，压力迅速下降至接近环境压力，此过程可用喷管效应进行解释。即本监测系统计算得到的裂纹s处为喷管的喉部，其其介质流速达到当地音速，且流速稳定。此方法计算得到的裂纹估计尺寸可为力学裂纹计算提供验证数据。

上述公式成立的前提为需先根据3个探头接收到湿度增加信号的时间，判断出以下探头与泄漏点的相对位置，其原理如图1所示。图1中XL为泄漏源的位置，x₁、x₂在泄漏点处管道介质流向的下游，x₃在泄漏点处管道介质流向的上游。在实际监测中，如果x₁位置先接收到湿度增加信号，然后x₂位置接收到湿度增加信号，x₃位置未接收到湿度增加信号，则能够说明泄漏源位置XL位于x₁和x₃之间。

如图2所示，图2中包括本发明所述的泄漏监测系统，以及用于试验标定装置。首先，试验标定装置的介质源1通过温压控制，产生与实际运行一致的高能管道工况对应参数的介质（水/蒸汽），并在被测高能模拟管道5上任意指定点安装针阀3，进行介质流量大小的调节，通过该方法可模拟出一个实际工况下的可调泄漏源。该泄漏源的泄漏率由流量计2进行监测。

模拟出泄漏源后，在被测高能模拟管道5与保温层4之间形成的泄漏传播通道中，泄漏介质将沿被测高能模拟管道5传播，并引起经过处的湿度变化。该变化将通过沿通道布置的温湿度探头6捕获，并由标定试验确定出湿度相对于传播距离的变化曲线，和湿度相对于传播时间的变化曲线。通过湿度在传播路径上的积分，根据该段路径的传播时间，即可获得稳定的泄漏率，以及泄漏源位置信息。最后通过热工计算，可获得泄漏源的尺寸信息。原始的温湿度变化数据通过温湿度探头6采集，并经过信号放大器7放大，再经过信号多路采集站8的处理，送入泄漏专家诊断工作站9转换成用于计算的绝对湿度数据，最终分析得到上面所述的三个泄漏关键信息。并通过持续的监测，实现对泄漏率的跟踪和泄漏尺寸扩展的监测。

当用户给定高能管道的工作参数后，利用图2中所述的试验标定装置进行各参数的标定，并在实际管道上安装图2所述的泄漏监测系统，即可实现本发明所阐述的功能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测方法，其特征在于：该方法在沿高能管壁与保温层之间的传播通道上加装若干个温湿度探头，湿度探头测量介质泄漏后通道内的绝对湿度变化，利用不同探头接收到湿度增加信号的不同时间的相对关系，辨识出泄漏位置；湿度探头记录下湿度增加后，换算出整个通道内总体介质增量，并除以累计所用时间得到泄漏率；然后通过热工计算，将实际泄漏处的体积泄漏率除以泄漏速率，从而估算出泄漏源的尺寸；温度探头通过温度升高对管道泄漏情况和泄漏位置进行辅助性判断。

2.如权利要求1所述的用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测方法，其特征在于：对泄漏位置的计算通过以下公式实现：

$x_L=x_1-\frac{x_1-x_3-v_{12}(t_3-t_1)}{2}$

v₁₂=Δx₁₂/(t₂-t₁)

公式中，

x_L为泄漏点的位置；

x₁、x₂、x₃为三个温湿度探头1、2、3布置的位置，取探头1、2在泄漏点处管道介质流向的下游，探头3在泄漏点处管道介质流向的上游；

t₁，t₂，t₃为三个探头接受到相应湿度信号的时间；

v₁₂为两探头间泄漏蒸汽的平均流速；

Δx₁₂为探头1、2的间距。

3.如权利要求1所述的用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测方法，其特征在于：对泄漏率的计算可通过以下公式实现：

G_mL=2π(D+l)lv₁₂Δφ

当D>>1时，G_mL=2πDlv₁₂Δφ

公式中，

G_mL为泄漏质量流量；

D为管道外径；

l为管道与保温层之间的缝隙；

v₁₂为两探头间泄漏蒸汽的平均流速；

Δφ为绝对湿度变化量，Δφ=当前绝对湿度-本底绝对湿度。

4.如权利要求1所述的用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测方法，其特征在于：对泄漏裂纹尺寸的估算可通过以下公式实现：

s=G_L/v

公式中，

s为泄漏裂纹的面积尺寸；

G_L为泄漏体积流量；

v为裂纹处的泄漏速度。

5.一种用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测系统，其特征在于：包括若干个沿高能管壁与保温层之间的传播通道设置的温湿度探头，温湿度探头连接信号放大器，信号放大器与信号多路采集站连接，信号多路采集站连接泄漏专家诊断工作站；温湿度探头采集原始温湿度变化数据，经信号放大器放大后，送入信号多路采集站处理，转换成用于计算的绝对湿度和温度数据，最终由泄漏专家诊断工作站分析得到泄漏关键信息。

6.如权利要求5所述的用于核电站高能管道介质泄漏的温湿度监测系统，其特征在于：所述的泄漏关键信息包括泄漏位置、泄漏率、泄漏源的尺寸。

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