CN104166794A - 一种核电站冷凝器特性试验采集分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电站冷凝器特性试验采集分析系统，该采集分析系统包括：数据获取系统用于获取冷凝器特性试验所需要的数据；IMP采集系统，用于采集所获取的海水进、出口温度、凝结水温度、背压数据，并对所采集的数据进行处理；计算分析系统用于实时读取来自IMP采集系统的数据及接收用户输入的核岛热功率、发电机电功率和循环水盐度数据，并根据冷凝器的设计参数及所接收的数据计算并显示试验结果数据。实施本发明的技术方案，操作简便、分析准确，保证了对冷凝器热力性能的分析和评估，以通过维修改进确保冷凝器的良好运行状态，进而提升机组安全经济运行的水平。而且，由于采用IMP采集系统对试验数据进行采集处理，方便设备安装和维护。

Description

一种核电站冷凝器特性试验采集分析系统

技术领域

本发明涉及核电领域，尤其涉及一种核电站冷凝器特性试验采集分析系统。

背景技术

冷凝器是常规岛重要设备，它的主要功能是在汽轮机的排汽部分建立低背压，使蒸汽最大限度的做功，然后冷却下来变成凝结水予以回收，这种功能由真空抽取系统和循环冷却水系统给予配合和保证。定期进行冷凝器特性试验，对冷凝器性能进行分析评估，并通过检修与改进措施，保持冷凝器的良好状态，从而提高机组安全经济运行水平。

循环水流量、海水温度、钛管清洁度、钛管破损堵管、真空严密性、抽真空设备运行状态都会影响到冷凝器性能，导致冷凝器压力变化，最终引起机组电功率改变。特别是核电汽轮机，参数低、焓降小，背压对机组性能影响尤为突出。为确定冷凝器设备运行是否正常，就必须以试验方式确定运行中相关参数是否正常，找出设备存在的问题进行处理，保证冷凝器正常运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述无法确保冷凝器设备运行是否正常的缺陷，提供一种核电站冷凝器特性试验采集分析系统，能确保冷凝器设备运行正常。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种核电站冷凝器特性试验采集分析系统，包括数据获取系统、IMP采集系统及计算分析系统，其中，

所述数据获取系统，用于获取所述冷凝器特性试验所需要的数据，所述数据包括：循环水进口温度、循环水出口温度、凝结水温度、背压、核岛热功率、发电机电功率和循环水盐度；

所述IMP采集系统，用于采集所获取的海水进口温度、海水出口温度、凝结水温度、背压数据，并对所采集的数据进行处理；

所述计算分析系统，用于实时读取来自所述IMP采集系统的数据及接收用户输入的核岛热功率、发电机电功率和循环水盐度数据，并根据冷凝器的设计参数及所接收的数据计算并显示试验结果数据，所述试验结果数据包括：循环水温升、冷凝器端差、凝结水过冷度、总体传热系数、传热管清洁度、循环水体积流量和冷凝器背压。

在本发明所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统中，所述计算分析系统用于将所述试验结果数据生成TXT报表。

在本发明所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统中，所述计算分析系统用于将所述试验结果数据进行存储。

在本发明所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统中，所述计算分析系统通过数据动态传输来实时读取来自所述IMP采集系统的数据，并读取数据的名称和单位。

在本发明所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统中，所述计算分析系统利用TEOS-10海水热力学方程，根据所述循环水进口温度、压力和循环水盐度计算循环水密度和比热。

在本发明所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统中，所述计算分析系统在计算循环水密度和比热时，保持循环水压力恒定不变。

在本发明所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统中，所述IMP采集系统包括：

分散布置的多个IMP采集板，且所述多个IMP采集板和所述计算分析系统通过总线构成数据通信与馈电共享的网络。

在本发明所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统中，每个IMP采集板均并接在网络中。

在本发明所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统中，所述计算分析系统还用于接收用户所设置的冷凝器的设计参数。

在本发明所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统中，所述计算分析系统还用于在计算总体传热系数后，对所计算的总体传热系数进行拟合修正。

实施本发明的技术方案，操作简便、分析准确，保证了对冷凝器热力性能的分析和评估，以通过维修改进确保冷凝器的良好运行状态，进而提升机组安全经济运行的水平。而且，由于采用IMP采集系统对试验数据进行采集处理，方便设备安装和维护。

另外，采用TEOS-10海水热力学方程，相比较EOS-80海水热力学方程，基于完备的热力学理论体系，采用势函数(Gibbs函数)取代经验公式，计算结果更为准确。

考虑到后续机组设计参数的修改，计算分析系统为电厂二期、三期机组预留出计算分析功能，具备其它电站冷凝器特性试验分析能力。

计算分析系统的修正曲线拟合精度较高，满足工程计算精度要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明核电站冷凝器特性试验采集分析系统实施例一的逻辑图；

图2是本发明核电站冷凝器特性试验采集分析系统实施例二的工作流程图；

图3是本发明核电站冷凝器特性试验采集分析系统中四块IMP采集板的逻辑图；

图4A是循环水流速的修正曲线；

图4B是循环水进口温度的修正曲线。

具体实施方式

图1是本发明核电站冷凝器特性试验采集分析系统实施例一的逻辑图，该核电站冷凝器特性试验采集分析系统包括包括数据获取系统10、IMP采集系统20及计算分析系统30，其中，数据获取系统10用于获取所述冷凝器特性试验所需要的数据，所述数据包括：循环水进口温度、循环水出口温度、凝结水温度、背压、核岛热功率、发电机电功率和循环水盐度；IMP采集系统20用于采集所获取的海水进口温度、海水出口温度、凝结水温度、背压数据，并对所采集的数据进行处理；计算分析系统30用于实时读取来自所述IMP采集系统的数据及接收用户输入的核岛热功率、发电机电功率和循环水盐度数据，并根据冷凝器的设计参数及所接收的数据计算并显示试验结果数据，所述试验结果数据包括：循环水温升、冷凝器端差、凝结水过冷度、总体传热系数、传热管清洁度、循环水体积流量和冷凝器背压。

图2是本发明核电站冷凝器特性试验采集分析系统实施例二的工作流程图，该实施例的核电站冷凝器特性试验采集分析系统相比实施例一，所不同的仅是，在该实施例的核电站冷凝器特性试验采集分析系统中，计算分析系统30还用于将所述试验结果数据生成TXT报表，及将所述试验结果数据进行存储。下面将以防城港核电厂一期为例具体说明该实施例。

一、数据获取系统

核电站冷凝器特性试验所需数据及数据来源：

(1)核岛热功率

根据防城港核电厂一期KME(试验仪表系统)报表直接测量核岛输出热功率。

(2)发电机电功率

根据防城港核电厂一期KKO(电度表和故障录波仪)直接读取发电机电功率。

(3)循环水进、出口温度

防城港核电厂一期冷凝器循环水进、出口均为四个直径达超过2.8m的大截面管道，循环水进口海水由于经过CRF(循环水系统)泵搅混，温度分布比较平均，因此在一列冷凝器上选取一个循环水进口温度测点，通过ALSTOM长杆PT100平均型温度传感器，测量循环水进口温度。

循环水出口为非均匀温场，需通过设置一定数量的测温点进行温度测量，防城港核电厂一期每列出口管道均设置5根测温套筒，通过采用ALSTOM定制的长杆PT100平均型温度传感器(三种长度)，测量循环水出口平均温度。

(4)凝结水温度

冷凝器凝结水温度采用0.1级欧米茄PT100铂电阻，直接在冷凝器热阱出口母线处测量。

(5)背压

防城港核电厂一期在每台冷凝器喉部，在第一排钛管上部300-900mm处设置有3个，共计6个背压测点，供试验使用。试验前，要检查测量系统的严密性，在规定的真空度下关闭靠近感受孔处截止阀时，真空下降速度平均5min不超过800Pa。

试验时，采用罗斯蒙特(Rose Mount)3051S型绝压变送器测量背压，若6个测点数据偏差较大，需分析测量结果的准确性。

(6)循环水盐度

通过循环水取样化学分析，得到循环水(海水)盐度。不考虑循环水压力影响的情况下，通过循环水进口温度和循环水盐度，利用TEOS-10海水状态方程，可以得到循环水密度和比热。

二、IMP采集系统

IMP(Isolated Measurement Pods，分散式智能数据采集器)是英国输力强仪器公司(Solartron Instrument Ltd.)的高新技术产品，它适用于发电厂、化工厂、钢铁厂等各种工业环境下的多路模拟量信号(温度、压力、流量、应变、振动等)的采集监测以及各种数字量信号的输入和输出，可输出模拟量(电压和电流)用于过程控制。

软件实现了现场测试的准确性和快速性，同时充分考虑到软件的通用性和操作的简单可靠性，将多种实用功能集于一身，使该软件操作界面直观、使用简单方便，同时兼具了其它采集系统的功用。

防城港核电厂一期冷凝器效率试验所用IMP测点分为两级，即现场设备级和分析处理层级，如图3所示。

现场设备层级包含现场测量温度、压力所用的热电阻和绝压变送器，通过加载航空接头的四芯电缆(电阻传输)和二芯电缆(电流传输)将现场信号送到上游4块并联于S-网络电缆上的IMP 35951B型采集板件上。

IMP 35951B型采集板具备测量精度高、抗干扰性高、体积小、环境要求低、便于现场灵活布置等优点，可实现热电阻、电压测量，而现场喉部压力通过Rosemount 3051S绝压变送器输出的为4-20mA的电流信号，因此在4号IMP35951B型采集板中串联V/I转换器，即标准电阻，实现现场压力信号的测量。

通过现场分散布置的IMP 35951型采集板实现数据的采集和传输，可根据现场测点分布情况灵活布置。

关于分析处理层级，为便于分散式安装和进行快速可靠的串行通信，IMP采集板采用了一种符合现场总线设计思想的通信方式,即数据通信与馈电共享的网络——S-网络(S-NET)。该网络特点是:用双芯电缆既可实现IMP采集板与计算分析系统之间的数据通信，又可经该电缆由计算分析系统向IMP采集板供电。组件中的供电电路将S-NET上传输的直流电压和叠加在其上的双向脉冲信号进行分离，脉冲信号经变换送给微处理器，而分离后的直流电压经稳压后通过逆变器转换成交流，再经变压器隔离后进行整流稳压作为IMP采集板的工作电源。

在S-NET网络中，每块IMP采集板均并接在网络中，即使某块IMP采集板出现故障或从网络中移去，都不会影响整个系统的运行。

三、计算分析系统

计算分析系统的功能包括冷凝器性能试验数据的计算分析、输出，可实现多个数据显示、处理与诊断功能，能直接输出TXT版本试验报告。计算分析系统的软件的功能包括“数据动态传输”(Dynamic Data Exchange,DDE)、“计算与打印”两大模块。

数据动态传输模块主要实现数据的传输功能，即，对IMP采集系统的数据进行实时读取，读取过程中把数据名称和单位也会一并读取。读取的同时把数据存储在数据库中，以保证求取平均值、误差修正、打印参数、历史记录等功能的实现。读取的数据将实时的显示在软件界面上，并以特殊颜色在界面上显示最大最小值。

计算与打印模块主要实现冷凝器效率热平衡及传热计算和打印报表的功能。在导入数据动态传输模块中得到的平均值及设置计算需要的设计参数后，可以计算出多组冷凝器效率试验相关的数据，计算出的试验结果将显示在界面上，并同时存储在数据库中。根据实际需求，设置了数据库的回读功能，方便在离线状态下对试验结果数据进行再次读取和分析。根据数据库中的数据及计算出平均值、计算结果等相关信息，打印功能将生成TXT报表，报表包含本次计算分析的完整信息。

计算分析系统在计算试验结果时的试验原理：

(1)由热力学第一定律，计算出冷凝器热负荷Q为：

Q＝W_KMB-W_q-ΔQ   (kW)

(2)循环水温升：

Δt＝t₂-t₁   (℃)

(3)对数平均温度(冷凝器端差)：

$\mathrm{\Δ}{t}_m=\frac{t_2-t_1}{\ln \frac{t_S-t_1}{t_S-t_2}}$ (℃)

(ts为冷凝器背压Pc对应的饱和温度，标准参考IAPWS-IF97)

(4)冷凝器过冷度：

Δt₁＝t_s-t₃   (℃)

(5)循环水流量：

$G_T=\frac{Q}{C_P*(t_2-t_1)*\mathrm{\ρ}}$ (m³/s)

(6)总体传热系数：

$K=\frac{Q}{\mathrm{\Δ}{t}_m*A}$ (kW/㎡*℃)

其中：W_KME：核岛热功率，kW

Wq：发电机电功率，kW

△Q：常规岛热力损失，kW

t₁：循环水进口平均温度，℃

t₂：循环水出口平均温度，℃

Pc：冷凝器背压，Pa

A：冷凝器换热面积，㎡

ρ：循环水密度，kg/m³

Cp：循环水比热，kJ/(kg*℃)

计算分析系统可利用TEOS-10海水热力学方程，根据循环水进口温度和循环水盐度计算循环水密度和比热。与EOS-80相比，TEOS-10海水热力学方程基于完备的热力学理论体系，采用势函数(Gibbs函数)取代经验公式，计算结果更为准确，其最明显的变化是采用新的ITS-90温标及绝对盐度代替实用盐度。对于中国近海，采用TEOS-10海水热力学方程所带来的密度修正值小于0.005kg/m3。本软件中海水密度和定压比热容的计算公式采用TEOS-10，即通过Gibbs函数来计算。而且，在计算循环水密度和比热时，保持循环水压力恒定不变。

考虑到防城港核电厂后续机组存在设计思路和厂家的更换，为保证计算分析系统具备扩展功能，操作人员可对冷凝器特性试验所需的设计参数(冷凝器换热面积、设计结垢传热系数、常规岛热力损失、循环水设计流量等参数)进行设置，保证后续机组也能利用本计算分析系统进行计算分析。

根据HEI-1995《表面式蒸汽凝汽器规程》，冷凝器传热系数影响因素有冷却管管径、冷却管材质、冷却管内循环水流速、循环水进口温度。防城港核电厂一期冷凝器特性试验是在机组正常运行工况下进行，与设计工况存在一定差异，需对冷凝器传热系数K进行拟合修正，修正到设计工况下的传热系数Kc。试验工况下，冷却管管径和材质与设计工况无差异，因此只对计算传热系数进行循环水流速和循环水进口温度修正即可，即：

K_c＝K*F_v*F_t

清洁度 $C=\frac{K_c}{K_D}$

其中：

(1)Fv为冷却管内循环水流速修正系数，冷却管外径为25.4mm，根据HEI-1995，循环水流速修正选用0.875in-1.000in(22.225mm-25.400mm)，将英制单位转化为国际标准(传热系数Btu/hr*ft2*℉转化为kW/m2*℃，流速ft/s转化为m/s)后，冷却管流速修正曲线如图4A。

$\mathrm{FV}=\frac{{\mathrm{\α}}_D}{{\mathrm{\α}}_T}$

2)Ft为循环水进口温度修正系数，参考Fv修正，将华氏温标转换为国际温标后，修正曲线如图4B。

$\mathrm{Ft}=\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{TD}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{TT}}}$

下面说明循环水流速修正拟合和循环水进口温度修正拟合：

1.循环水流速修正拟合

HEI标准给出循环水流速修正系数19组离散数据，根据拟合准确性，采用6次多项式拟合结果如表1所示的循环水流速修正系数拟合计算误差表，最大绝对偏差为0.00286519kW/m2*℃，最大相对偏差为0.072515％，满足工程需求。

表1

2.循环水进口温度修正

同样，HEI标准给出循环水进口温度修正系数91组离散的数据。经多次测试，在分成三段，并使拟合公式中的系数精确到小数点后8位。

第一段取30-65℉，采用五次多项式拟合；第二段取65-105℉，采用五次多项式拟合；第三段取105-120℉，采用一次方程拟合。

最终拟合结果如表2所示的循环水进口温度修正系数拟合计算误差表，与HEI标准绝对误差最大值为0.000766413，最大相对误差0.0809875％，满足工程应用。

表2

3.曲线拟合与插值方法的对比

为验证拟合曲线的可用性，将两项拟合与插值方法作对比，以防城港核电厂一期设计参数和假定某次试验参数作对比，如表3所示：

表3

通过使用插值处理和拟合处理的计算结果对比可以看出，两种处理方法计算结果偏差小，对最终传热系数的相对偏差影响为0.093％，拟合处理的计算结果满足工程计算精度要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种核电站冷凝器特性试验采集分析系统，其特征在于，包括数据获取系统、IMP采集系统及计算分析系统，其中，

所述数据获取系统，用于获取所述冷凝器特性试验所需要的数据，所述数据包括：循环水进口温度、循环水出口温度、凝结水温度、背压、核岛热功率、发电机电功率和循环水盐度；

所述IMP采集系统，用于采集所获取的海水进口温度、海水出口温度、凝结水温度、背压数据，并对所采集的数据进行处理；

所述计算分析系统，用于实时读取来自所述IMP采集系统的数据及接收用户输入的核岛热功率、发电机电功率和循环水盐度数据，并根据冷凝器的设计参数及所接收的数据计算并显示试验结果数据，所述试验结果数据包括：循环水温升、冷凝器端差、凝结水过冷度、总体传热系数、传热管清洁度、循环水体积流量和冷凝器背压。

2.根据权利要求1所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统，其特征在于，所述计算分析系统还用于将所述试验结果数据生成TXT报表。

3.根据权利要求1所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统，其特征在于，所述计算分析系统还用于将所述试验结果数据进行存储。

4.根据权利要求1所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统，其特征在于，所述计算分析系统通过数据动态传输来实时读取来自所述IMP采集系统的数据，并读取数据的名称和单位。

5.根据权利要求1所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统，其特征在于，所述计算分析系统利用TEOS-10海水热力学方程，根据所述循环水进口温度、循环水出口温度、压力和循环水盐度计算循环水密度和比热。

6.根据权利要求5所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统，其特征在于，所述计算分析系统在计算循环水密度和比热时，保持循环水压力恒定不变。

7.根据权利要求1所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统，其特征在于，所述IMP采集系统包括：

分散布置的多个IMP采集板，且所述多个IMP采集板和所述计算分析系统通过总线构成数据通信与馈电共享的网络。

8.根据权利要求7所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统，其特征在于，每个IMP采集板均并接在网络中。

9.根据权利要求1所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统，其特征在于，所述计算分析系统还用于接收用户所设置的冷凝器的设计参数。

10.根据权利要求1所述的核电站冷凝器特性试验采集分析系统，其特征在于，所述计算分析系统还用于在计算总体传热系数后，对所计算的总体传热系数进行拟合修正。