CN103839600A - 一种用于池式自然循环反应堆的流量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于池式自然循环反应堆的流量测量装置及测量方法，包括管壳式热交换器、4只压力传感器、2只热电偶、1只流量计。本发明实现了在池式自然循环反应堆中测量一回路冷却剂流量的功能，系统结构简单，无需在堆内增加流量计，可避免因在池式堆内装设流量计而带来的频繁检修问题，可有效提高反应堆的可靠性和安全性。

Description

一种用于池式自然循环反应堆的流量测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种流量测量技术，特别涉及一种池式自然循环反应堆的流量测量装置及测量方法。

背景技术

池式自然循环反应堆中，一回路冷却剂流量随堆芯功率的提升而增大。但是万一堆芯内发生堵流现象时堆芯功率提升不会导致一回路冷却剂流量同步增加，没有足够的冷却剂流量带走堆芯产生的热量，就有可能造成堆芯燃料组件的烧损，所以有必要监测池式自然循环反应堆内的冷却剂流量。

目前，池式自然循环反应堆的流量测量方法，主要有以下几种方式：

第一种方式是用压力传感器测量冷却剂通过燃料组件格架时产生的压降，通过一定的关系式将此压降转换成冷却剂流过燃料组件的流量。但是由于自然循环反应堆的这个压降较小，监测的压降准确性受到限制。而且此种方式不能监测冷却剂流过堆芯的总流量。

第二种方式是将流量计装设在堆芯的部分燃料组件入口处，可以监测冷却剂流过部分燃料组件的流量。但是此种方式也不能监测冷却剂流过堆芯的总流量，除非在每个燃料组件下方都装设一只流量计，但是这样会增加堆内结构的复杂性并带来一定的维修困难。

第三种方式是在堆芯下方装设部分叶片上带有中子吸收材料的转子，转子的旋转使得堆芯下的中子剂量分布发生周期性的变化，通过中子剂量的监测可以计算流过堆芯的冷却剂流量。但是此种方式只能用于热堆中的冷却剂流量监测，快堆中产生的大都是高能中子，现有的中子吸收材料只能吸收低能量的中子，中子吸收材料的引入不会使堆芯下方的中子辐射场产生明显的变化，所以这种方式不能用于池式自然循环快堆中一回路冷却剂的流量测量。

发明内容

本发明提供了一种系统结构简单，使用方便，实现池式自然循环反应堆流量监测的方法，实现了在池式自然循环反应堆中测量一回路冷却剂流量的功能，运行时无需在堆内增加流量计，可避免因在池式堆内装设流量计而带来的频繁检修问题，可有效提高反应堆的可靠性和安全性。

本发明技术解决方案如下：一种用于池式自然循环反应堆的流量测量装置，包括：主容器和4只管壳式热交换器，4只管壳式热交换器对称布置在主容器内；每只管壳式热交换器的壳侧开有入口窗和出口窗，2只压力传感器布置在入口窗处，用来测量入口窗处一回路冷却剂的压力，所述一回路冷却剂是指在主容器内将堆芯产生的热量带走的冷却剂，一回路冷却剂在主容器内循环流动；另外2只压力传感器对称布置在壳侧的出口窗处，用来测量出口窗处一回路冷却剂压力；在管壳式热交换器的壳侧的入口窗布置有第1只热电偶，用来测量入口窗处一回路冷却剂的温度，在管壳式热交换器的壳侧的出口窗处布置有第2只热电偶，用来测量出口窗处一回路冷却剂的温度；管壳式热交换器的管侧开有出口，在出口处布置第3只热电偶，用来测量出口处二回路冷却剂的温度，所述二回路冷却剂是指在管壳式热交换器中将在主容器内循环流动的一回路冷却剂热量带走的冷却剂，二回路冷却剂在管壳式热交换器的管侧内流动；管壳式热交换器的管侧的入口布置有下降管，在下降管处布置第4只热电偶，用于测量下降管处二回路冷却剂的温度；在管壳式热交换器的管侧出口处布置流量计，所述流量计用来测量出口处二回路冷却剂流量；其它3只管壳式热交换器与上述1只管壳式热交换器的结构相同。

一种用于池式自然循环反应堆的流量测量方法，实现步骤如下：

（1）一回路冷却剂在自然循环驱动力的驱使下向上流动冷却堆芯，而后通过管壳式热交换器的壳侧的入口窗进入管壳式热交换器与二回路冷却剂进行热量交换，并从管壳式热交换器的壳侧的出口窗流出，完成一回路循环；

（2）二回路冷却剂流过管壳式热交换器的管侧入口的下降管后在管壳式热交换器的管侧内流动与一回路冷却剂进行热量交换，随后由管壳式热交换器的管侧的出口流出；

（3）将2只压力传感器布置在管壳式热交换器的壳侧的入口窗内，将另外2只压力传感器布置在管壳式热交换器的壳侧的出口窗的对应位置内；

（4）反应堆运行时选取4组功率运行工况，在主容器内循环流动的一回路冷却剂向管壳式热交换器内流动的二回路冷却剂每秒释放的热量如公式（1）表示：

Q₁＝m₁×C_p1×ΔT₁            （1）

其中下标1表示一回路冷却剂的参数，Q₁表示一回路冷却剂向1只管壳式热交换器内流动的二回路冷却剂每秒释放的热量；m₁表示一回路冷却剂通过1只管壳式热交换器时的质量流量；C_p1表示一回路冷却剂通过1只管壳式热交换器时的定压热容；ΔT₁表示一回路冷却剂通过1只管壳式热交换器时的进出口温差；

（5）在管壳式热交换器的管侧内流动的二回路冷却剂每秒吸收的热量如公式（2）表示：

Q₂＝m₂×C_p2×ΔT₂              （2）

其中，下标2表示二回路冷却剂的参数，Q₂表示二回路冷却剂每秒吸收的热量；m₂表示二回路冷却剂的质量流量；C_p2表示二回路冷却剂的定压热容；ΔT₂表示二回路冷却剂的进出口温差；

（6）根据能量守恒方程知，在同一只管壳式热交换器中一回路冷却剂每秒释放的热量Q₁等于二回路冷却剂每秒吸收的热量Q₂，如公式（3）表示：

Q₁＝Q₂            （3）

将公式（1）、公式（2）带入公式（3），得：

m₁×C_p1×ΔT₁＝m₂×C_p2×ΔT₂              （4）

（7）在4组功率运行工况下，C_p1由一回路冷却剂的物性参数表查得，C_p2由二回路冷却剂的物性参数表查得，ΔT₁由布置在管壳式热交换器壳侧入口窗的第1只热电偶与壳侧出口窗的第2只热电偶测得，ΔT₂由布置在管壳式热交换器管侧（11）出口的第3只热电偶与管侧入口下降管的第4只热电偶测得，m₂由管壳式热交换器管侧出口的流量计测得；将C_p1、C_p2、ΔT₁、ΔT₂、m₂带入公式（4）计算出m₁；4组功率运行工况得到4组m₁；

（8）在这4组功率运行工况下，由1只管壳式热交换器壳侧布置的4只压力传感器测得一回路冷却剂通过1只管壳式热交换器的壳侧的4组压降ΔP，将这4组ΔP的平方根与对应工况下的4组m₁近似拟合成一条直线，并得出ΔP与m₁的关联式，如公式（5）所示：

$m_1=f\left(\sqrt{\mathrm{\ΔP}}\right)---\left(5\right)$

其中，ΔP表示一回路冷却剂通过1只管壳式热交换器壳侧的压降，f()表示m₁是

的函数；

（9）在反应堆的其他运行工况下，通过测得的ΔP由公式（5）计算出m_1-1，m_1-1就是主容器内循环流动的一回路冷却剂通过1只管壳式热交换器时的质量流量；

（10）由主容器内其他3只管壳式热交换器中测得的ΔP通过公式（5）计算出主容器内循环流动的一回路冷却剂通过3只管壳式热交换器时的质量流量m_1-2、m_1-3、m_1-4；m_1-1、m_1-2、m_1-3、m_1-4分别表示主容器内循环流动的一回路冷却剂通过每只管壳式热交换器时的质量流量；

（11）通过堆芯的一回路冷却剂质量流量m由公式（6）表示：

m＝m_1-1+m_1-2+m_1-3+m_1-4             （6）

其中，m表示通过堆芯的一回路冷却剂质量流量；

（12）根据公式（5）将测得的压降转换为流量值，即为通过每只管壳式热交换器的一回路冷却剂流量，根据公式（6）将通过4只管壳式热交换器的一回路冷却剂流量值相加即为通过堆芯的一回路冷却剂流量。

与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）只需将4只压力传感器分两组装设在管壳式热交换器壳侧的入口窗和出口窗处，无需在堆内装设额外的流量测量构件，可有效提高反应堆的可靠性和安全性。

（2）本发明可以测量池式自然循环反应堆（包括热堆和快堆）的一回路冷却剂通过堆芯的总流量和一回路冷却剂通过每只管壳式热交换器的流量。

（3）本发明无需在堆内增加流量计，避免了因在堆内装设流量计而导致的反应堆堆内结构复杂性的增加。

附图说明

图1为本发明测量装置示意图；

图2为本发明中压力测点在管壳式热交换器壳侧入口窗的布置图；

图3为本发明中压力测点在管壳式热交换器壳侧出口窗的布置图；

图4为本发明中自然循环反应堆一回路系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

如图1-图4所示，本发明一种用于池式自然循环反应堆的流量测量装置，包括：主容器2和4只管壳式热交换器3，4只管壳式热交换器3对称布置在主容器2内；每只管壳式热交换器3的壳侧4开有入口窗5和出口窗6，2只压力传感器8a,9a布置在入口窗5处，用来测量入口窗5处一回路冷却剂13的压力，所述一回路冷却剂13是指在主容器2内将堆芯7产生的热量带走的冷却剂，一回路冷却剂13在主容器2内循环流动；另外2只压力传感器8b,9b对称布置在壳侧4的出口窗6处，用来测量出口窗6处一回路冷却剂13压力；在管壳式热交换器3的壳侧4的入口窗5布置有第1只热电偶15a，用来测量入口窗5处一回路冷却剂13的温度，在管壳式热交换器3的壳侧4的出口窗6处布置有第2只热电偶15b，用来测量出口窗6处一回路冷却剂13的温度；管壳式热交换器3的管侧11开有出口12，在出口12处布置第3只热电偶16a，用来测量出口12处二回路冷却剂14的温度，所述二回路冷却剂14是指在管壳式热交换器3中将在主容器2内循环流动的一回路冷却剂13热量带走的冷却剂，二回路冷却剂14在管壳式热交换器3的管侧11内流动；管壳式热交换器3的管侧11的入口布置有下降管10，在下降管10处布置第4只热电偶16b，用于测量下降管10处二回路冷却剂14的温度；在管壳式热交换器3的管侧11出口12处布置流量计17，所述流量计17用来测量出口12处二回路冷却剂14流量；其它3只管壳式热交换器3与上述1只管壳式热交换器3的结构相同。

本发明的测量方法具体实现步骤如下：

（1）一回路冷却剂13在自然循环驱动力的驱使下向上流动冷却堆芯7，而后通过管壳式热交换器3的壳侧4的入口窗5进入管壳式热交换器3与二回路冷却剂14进行热量交换，并从管壳式热交换器（3）的壳侧4的出口窗6流出，完成一回路循环；

（2）二回路冷却剂14流过管壳式热交换器3的管侧11入口的下降管10后在管壳式热交换器3的管侧11内流动与一回路冷却剂13进行热量交换，随后由管壳式热交换器3的管侧11的出口12流出；

（3）将2只压力传感器8a,9a布置在管壳式热交换器3的壳侧4的入口窗5内，将另外2只压力传感器8b,9b布置在管壳式热交换器3的壳侧4的出口窗6的对应位置内；

（4）反应堆运行时选取4组功率运行工况，在主容器2内循环流动的一回路冷却剂13向管壳式热交换器3内流动的二回路冷却剂14每秒释放的热量如公式（1）表示：

Q₁＝m₁×C_p1×ΔT₁              （1）

其中，下标1表示一回路冷却剂13的参数，Q₁表示一回路冷却剂13向1只管壳式热交换器3内流动的二回路冷却剂14每秒释放的热量，单位J/s；m₁表示一回路冷却剂13通过1只管壳式热交换器3时的质量流量，单位kg/s；C_p1表示一回路冷却剂13通过1只管壳式热交换器3时的定压热容，单位J/(kg·K)；ΔT₁表示一回路冷却剂13通过1只管壳式热交换器3时的进出口温差，单位K；

（5）在管壳式热交换器3的管侧11内流动的二回路冷却剂14每秒吸收的热量如公式（2）表示：

Q₂＝m₂×C_p2×ΔT₂               （2）

其中，下标2表示二回路冷却剂14的参数，Q₂表示二回路冷却剂14每秒吸收的热量，单位J/s；m₂表示二回路冷却剂14的质量流量，单位kg/s；C_p2表示二回路冷却剂14的定压热容，单位J/(kg·K)；ΔT₂表示二回路冷却剂14的进出口温差，单位K；

（6）根据能量守恒方程知，在同一只管壳式热交换器3中一回路冷却剂13每秒释放的热量Q₁等于二回路冷却剂14每秒吸收的热量Q₂，如公式（3）表示：

Q₁＝Q₂                （3）

将公式（1）、公式（2）带入公式（3），得：

m₁×C_p1×ΔT₁＝m₂×C_p2×ΔT₂                 （4）

（7）在4组功率运行工况下，C_p1由一回路冷却剂13的物性参数表查得，C_p2由二回路冷却剂14的物性参数表查得，ΔT₁由布置在管壳式热交换器3壳侧4入口窗5的第1只热电偶15a与壳侧4出口窗6的第2只热电偶15b测得，ΔT₂由布置在管壳式热交换器3管侧11出口12的第3只热电偶16a与管侧11入口下降管10的第4只热电偶16b测得，m₂由管壳式热交换器3管侧11出口12的流量计17测得；将C_p1、C_p2、ΔT₁、ΔT₂、m₂带入公式（4）计算出m₁；4组功率运行工况得到4组m₁；

（8）在这4组功率运行工况下，由1只管壳式热交换器3壳侧4布置的4只压力传感器8a,9a,8b,9b测得一回路冷却剂13通过1只管壳式热交换器3的壳侧4的4组压降ΔP，通过数学软件Matlab将这4组ΔP的平方根与对应工况下的4组m₁近似拟合成一条直线，并得出ΔP与m₁的关联式，如公式（5）所示：

$m_1=f\left(\sqrt{\mathrm{\ΔP}}\right)---\left(5\right)$

其中，ΔP表示一回路冷却剂13通过1只管壳式热交换器3壳侧4的压降，f()表示m₁是

的函数；

（9）在反应堆的其他运行工况下，通过测得的ΔP由公式（5）计算出m_1-1，m_1-1就是主容器2内循环流动的一回路冷却剂13通过1只管壳式热交换器3时的质量流量；

（10）由主容器2内其他3只管壳式热交换器3中测得的ΔP通过公式（5）计算出主容器2内循环流动的一回路冷却剂13通过3只管壳式热交换器3时的质量流量m_1-2、m_1-3、m_1-4；

m_1-1、m_1-2、m_1-3、m_1-4分别表示主容器2内循环流动的一回路冷却剂13通过每只管壳式热交换器3时的质量流量；

（11）通过堆芯7的一回路冷却剂13质量流量m由公式（6）表示：

m＝m_1-1+m_1-2+m_1-3+m_1-4        （6）

其中，m表示通过堆芯7的一回路冷却剂13质量流量；

（12）根据公式（5）将测得的压降转换为流量值，即为通过每只管壳式热交换器（3）的一回路冷却剂流量，根据公式（6）将通过4只管壳式热交换器（3）的一回路冷却剂流量值相加即为通过堆芯（7）的一回路冷却剂流量。

与现有技术相比，本发明无需在堆内装设额外的流量测量构件，可有效提高反应堆的可靠性和安全性；可以测量池式自然循环反应堆（包括热堆和快堆）的一回路冷却剂通过堆芯的总流量和一回路冷却剂通过每只管壳式热交换器的流量。

Claims (2)

1.一种用于池式自然循环反应堆的流量测量装置，其特征在于包括：主容器（2）和4只管壳式热交换器（3），4只管壳式热交换器（3）对称布置在主容器（2）内；每只管壳式热交换器（3）的壳侧（4）开有入口窗（5）和出口窗（6），2只压力传感器（8a,9a）布置在入口窗（5）处，用来测量入口窗（5）处一回路冷却剂（13）的压力，所述一回路冷却剂（13）是指在主容器（2）内将堆芯（7）产生的热量带走的冷却剂，一回路冷却剂（13）在主容器（2）内循环流动；另外2只压力传感器（8b,9b）对称布置在壳侧（4）的出口窗（6）处，用来测量出口窗（6）处一回路冷却剂（13）压力；在管壳式热交换器（3）的壳侧（4）的入口窗（5）布置有第1只热电偶（15a），用来测量入口窗（5）处一回路冷却剂（13）的温度，在管壳式热交换器（3）的壳侧（4）的出口窗（6）处布置有第2只热电偶（15b），用来测量出口窗（6）处一回路冷却剂（13）的温度；管壳式热交换器（3）的管侧（11）开有出口（12），在出口（12）处布置第3只热电偶（16a），用来测量出口（12）处二回路冷却剂（14）的温度，所述二回路冷却剂（14）是指在管壳式热交换器（3）中将在主容器（2）内循环流动的一回路冷却剂（13）热量带走的冷却剂，二回路冷却剂（14）在管壳式热交换器（3）的管侧（11）内流动；管壳式热交换器（3）的管侧（11）的入口布置有下降管（10），在下降管（10）处布置第4只热电偶（16b），用于测量下降管（10）处二回路冷却剂（14）的温度；在管壳式热交换器（3）的管侧（11）出口（12）处布置流量计（17），所述流量计（17）用来测量出口（12）处二回路冷却剂（14）流量；其它3只管壳式热交换器（3）与上述1只管壳式热交换器（3）的结构相同。

2.一种用于池式自然循环反应堆的流量测量方法，其特征在于实现步骤如下：

（1）一回路冷却剂（13）在自然循环驱动力的驱使下向上流动冷却堆芯（7），而后通过管壳式热交换器（3）的壳侧（4）的入口窗（5）进入管壳式热交换器（3）与二回路冷却剂（14）进行热量交换，并从管壳式热交换器（3）的壳侧（4）的出口窗（6）流出，完成一回路循环；

（2）二回路冷却剂（14）流过管壳式热交换器（3）的管侧（11）入口的下降管（10）后在管壳式热交换器（3）的管侧（11）内流动与一回路冷却剂（13）进行热量交换，随后由管壳式热交换器（3）的管侧（11）的出口（12）流出；

（3）将2只压力传感器（8a,9a）布置在管壳式热交换器（3）的壳侧（4）的入口窗（5）内，将另外2只压力传感器（8b,9b）布置在管壳式热交换器（3）的壳侧（4）的出口窗（6）的对应位置内；

（4）反应堆运行时选取4组功率运行工况，在主容器（2）内循环流动的一回路冷却剂（13）向管壳式热交换器（3）内流动的二回路冷却剂（14）每秒释放的热量如公式（1）表示：

Q₁＝m₁×C_p1×ΔT₁       （1）

其中，下标1表示一回路冷却剂（13）的参数，Q₁表示一回路冷却剂（13）向1只管壳式热交换器（3）内流动的二回路冷却剂（14）每秒释放的热量；m₁表示一回路冷却剂（13）通过1只管壳式热交换器（3）时的质量流量；C_p1表示一回路冷却剂（13）通过1只管壳式热交换器（3）时的定压热容；ΔT₁表示一回路冷却剂（13）通过1只管壳式热交换器（3）时的进出口温差；

（5）在管壳式热交换器（3）的管侧（11）内流动的二回路冷却剂（14）每秒吸收的热量如公式（2）表示：

Q₂＝m₂×C_p2×ΔT₂       （2）

其中，下标2表示二回路冷却剂（14）的参数，Q₂表示二回路冷却剂（14）每秒吸收的热量；m₂表示二回路冷却剂（14）的质量流量；C_p2表示二回路冷却剂（14）的定压热容；ΔT₂表示二回路冷却剂（14）的进出口温差；

（6）根据能量守恒方程知，在同一只管壳式热交换器（3）中一回路冷却剂（13）每秒释放的热量Q₁等于二回路冷却剂（14）每秒吸收的热量Q₂，如公式（3）表示：

Q₁＝Q₂         （3）

将公式（1）、公式（2）带入公式（3），得：

m₁×C_p1×ΔT₁＝m₂×C_p2×ΔT₂        （4）

（7）在4组功率运行工况下，C_p1由一回路冷却剂（13）的物性参数表查得，C_p2由二回路冷却剂（14）的物性参数表查得，ΔT₁由布置在管壳式热交换器（3）壳侧（4）入口窗（5）的第1只热电偶（15a）与壳侧（4）出口窗（6）的第2只热电偶（15b）测得，ΔT₂由布置在管壳式热交换器（3）管侧（11）出口（12）的第3只热电偶（16a）与管侧（11）入口下降管（10）的第4只热电偶（16b）测得，m₂由管壳式热交换器（3）管侧（11）出口（12）的流量计（17）测得；将C_p1、C_p2、ΔT₁、ΔT₂、m₂带入公式（4）计算出m₁；4组功率运行工况得到4组m₁；

（8）在这4组功率运行工况下，由1只管壳式热交换器（3）壳侧（4）布置的4只压力传感器（8a,9a,8b,9b）测得一回路冷却剂（13）通过1只管壳式热交换器（3）的壳侧（4）的4组压降ΔP，将这4组ΔP的平方根与对应工况下的4组m₁近似拟合成一条直线，并得出ΔP与m₁的关联式，如公式（5）所示：

$m_1=f\left(\sqrt{\mathrm{\ΔP}}\right)---\left(5\right)$

其中，ΔP表示一回路冷却剂（13）通过1只管壳式热交换器（3）壳侧（4）的压降，f()表示m₁是

的函数；

（9）在反应堆的其他运行工况下，通过测得的ΔP由公式（5）计算出m_1-1，m_1-1就是主容器（2）内循环流动的一回路冷却剂（13）通过1只管壳式热交换器（3）时的质量流量；

（10）由主容器（2）内其他3只管壳式热交换器（3）中测得的ΔP通过公式（5）计算出主容器（2）内循环流动的一回路冷却剂（13）通过3只管壳式热交换器（3）时的质量流量m_1-2、m_1-3、m_1-4；m_1-1、m_1-2、m_1-3、m_1-4分别表示主容器（2）内循环流动的一回路冷却剂（13）通过每只管壳式热交换器（3）时的质量流量；

（11）通过堆芯（7）的一回路冷却剂（13）质量流量m由公式（6）表示：

m＝m_1-1+m_1-2+m_1-3+m_1-4             （6）

其中，m表示通过堆芯（7）的一回路冷却剂（13）质量流量；

（12）根据公式（5）将测得的压降转换为流量值，即为通过每只管壳式热交换器（3）的一回路冷却剂流量，根据公式（6）将通过4只管壳式热交换器（3）的一回路冷却剂流量值相加即为通过堆芯（7）的一回路冷却剂流量。

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