CN105513656A - 一种核电厂堆芯参数监测系统和监测方法 - Google Patents

一种核电厂堆芯参数监测系统和监测方法 Download PDF

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CN105513656A CN201510863265.9A CN201510863265A CN105513656A CN 105513656 A CN105513656 A CN 105513656A CN 201510863265 A CN201510863265 A CN 201510863265A CN 105513656 A CN105513656 A CN 105513656A
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杨浩
田亚杰
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彭华清
陈卫华
黄伟军
江辉
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Abstract

本发明公开了一种核电厂堆芯参数监测系统，包括测量组件和信号处理单元，测量组件包括多个第一测量组件和多个第二测量组件，每一第一测量组件和每一第二测量组件分别包括多个自给能中子探测器，用于实时采集堆芯中子通量密度，多个自给能中子探测器沿核电厂堆芯四周呈轴向和/或径向分布；信号处理单元包括堆芯中子通量密度信号处理柜，用于接收每一自给能中子探测器所采集的堆芯中子通量密度信号，并对堆芯中子通量密度信号进行处理后发送至堆芯在线监测系统，从而实时监测堆芯工况。本发明采用一体化测量组件，缩小了设备占用空间，便于后期维护、更换；可以实现对堆内中子通量的实时连续监测，测量信息更可靠，准确度高。

Description

一种核电厂堆芯参数监测系统和监测方法
技术领域
本发明涉及核电厂堆芯参数监测技术领域，尤其涉及测量核电厂反应堆堆芯内中子通量密度、温度、压力容器水位的核电厂堆芯参数监测系统和监测方法。
背景技术
对于核电厂而言，堆芯的中子通量密度、温度以及压力容器水位是非常重要的参数，与核安全息息相关。目前堆芯中子通量监测的方法有微型裂变室探测器、气动浮球测量系统、自给能探测器等。
在现有的核电厂堆芯参数监测系统中，普遍采用的是可移动微型裂变室测量系统来测量堆芯中子通量，该系统由一回路密封边界、机械执行机构和测量控制三大部分组成。在可移动微型裂变室测量系统中，探测器通过堆芯底部插入指套管(共有50个通道)，探测器在指套管内沿着L形导向管内部移动一直插入堆芯顶部，并与手动阀、密封段组成一回路边界。机械执行机构由电动阀、各类选择器和驱动装置等组成，以实现将测探器插入指定的通道。测量控制部分由模拟量机箱、逻辑机箱、继电回路及其他显示装置组成，以实现通量信号的输出和探测器运动状态的控制和显示。该测量和控制部分分成三组，每组对应10个通道，各组之间按照一定顺序可以互相支援。
另一方面，在现有的核电厂堆芯参数监测系统中，压力容器水位测量是通过测量差压得出。如图1所示，在反应堆压力容器1侧壁的两个密封段上游装有仪表接头和隔离阀，用于连接压力容器水位测量压力管线，再连接到宽量程仪表2和窄量程仪表3上。水位探测器上、下取压测点分别位于反应堆压力容器顶部和底部。水位探测器部分主要包括6台差压表，12只金属膜片隔离器以及压力传输管道与阀门。差压表分为两个系列，每列3台，其中一台宽量程差压表、一台窄量程差压表和一台参考差压表。
由上述可知，在现有的核电厂堆芯参数监测系统中使用的堆芯测量系统体积大，组成零件部件多，不便于安装以及后期维护；由于采用微型裂变室探测器只能周期性间断进行堆内中子通量，不能实时监测堆芯中子通量；同时测量指套管安装在压力容器下部，增加了严重事故时压力容器底部破裂的风险。此外，压力容器水位监测采用带参比管的差压式测量方法，该方法为非直接测量，测量精度较底，受环境影响大，同时仪表调校过程复杂，不方便后期运维人员处理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种实时连续监测，测量信息可靠，准确度更高的核电厂堆芯参数监测系统和监测方法
本发明采用的技术方案是：一种核电厂堆芯参数监测系统，包括测量组件和与所述测量组件电连接的信号处理单元：
所述测量组件包括多个第一测量组件和多个第二测量组件，每一所述第一测量组件和每一所述第二测量组件分别包括多个自给能中子探测器，用于实时采集堆芯中子通量密度信号，多个所述自给能中子探测器沿核电厂堆芯四周呈轴向和/或径向分布；
所述信号处理单元包括堆芯中子通量密度信号处理柜，用于接收每一所述自给能中子探测器采集的所述堆芯中子通量密度信号，并对所述堆芯中子通量密度信号进行处理后发送至堆芯在线监测系统，从而实时监测堆芯工况。
优选地，所述测量组件包括40个所述第一测量组件和2个所述第二测量组件。
优选地，每一所述第一测量组件和每一所述第二测量组件分别包括7个所述自给能中子探测器。
优选地，每一所述第一测量组件和每一所述第二测量组件还分别包括多个热电偶，用于采集堆芯温度信号，每一所述热电偶采集的所述堆芯温度信号直接被发送至安全控制系统。
优选地，每一所述第一测量组件包括1个堆芯出口热电偶，用于测量堆芯出口温度；
每一所述第二测量组件包括1个所述堆芯出口热电偶和1个压力容器上封头温度测量热电偶，分别用于测量所述堆芯出口温度和压力容器上封头温度。
优选地，所述测量组件还包括多个第三测量组件，每一所述第三测量组件包括多个水位探测器，用于采集压力容器的水位信号；
所述信号处理单元还包括水位信号处理柜，用于接收每一所述水位探测器采集的所述水位信号，并对所述水位信号进行处理后发送至安全控制系统。
优选地，每一所述水位探测器包括第一热电偶和第二热电偶，被加热的所述第一热电偶位于水位监测点，不被加热的所述第二热电偶浸没于介质中，通过所述第一热电偶和所述第二热电偶的温差来产生所述水位信号。
优选地，所述第三测量组件包括5个所述水位探测器。
优选地，所述测量组件包括4个所述第三测量组件。
优选地，每一所述第三测量组件还包括1个热电阻，用于冷端补偿。
优选地，每一所述第一测量组件和每一所述第二测量组件还分别包括1个热电阻，用于冷端补偿。
优选地，所述核电厂堆芯参数监测系统还包括组件配件，连接在所述测量组件与所述测量信号处理单元之间。
优选地，所述组件配件包括组件转接头、电缆转接板和贯穿件，所述组件转接头与所述电缆转接板之间通过第一电缆相连，所述电缆转接板和所述贯穿件之间通过第二电缆相连。
相应地，本发明还提供一种核电厂堆芯参数监测方法，包括以下步骤：
测量组件中的多个自给能中子探测器实时采集堆芯中子通量密度信号；
将所述堆芯中子通量密度信号发送至信号处理单元中的堆芯中子通量密度信号处理柜；
所述堆芯中子通量密度信号处理柜对所接收的所述堆芯中子通量密度信号进行处理；
将处理后的所述堆芯中子通量密度信号发送至堆芯在线监测系统；以及
所述堆芯在线监测系统对所接收的处理后的所述堆芯中子通量密度信号进行实时监测。
优选地，还包括以下步骤：
所述测量组件中的水位探测器采集压力容器的水位信号；
将所述水位信号发送至所述信号处理单元中的水位信号处理柜；
所述水位信号调理柜对所接受的所述水位信号进行处理；
将处理后的所述水位信号发送至安全控制系统；以及
所述安全控制系统对所接收的处理后的所述水位信号进行实时监测。
优选地，所述水位探测器由第一热电偶和第二热电偶组成，被加热的所述第一热电偶位于水位监测点，不被加热的所述第二热电偶浸没于介质中，通过所述第一热电偶和所述第二热电偶的温差产生所述水位信号。
优选地，还包括以下步骤：
所述测量组件中的多个热电偶采集堆芯温度信号；
将所述堆芯温度信号直接发送至安全控制系统；以及
所述安全控制系统对所述堆芯温度信号进行实时监测。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明提供的核电厂堆芯参数监测系统采用一体化测量组件进行堆芯内中子通量、燃料组件出口温度以及压力容器水位的测量，极大缩小了设备占用空间，便于后期维护、更换；测量组件安装方式为从压力容器上部插入测量，避免压力容器下部开口减少了严重事故时压力容器破裂的风险；可以实现对堆内中子通量的实时连续监测，相比CPR1000项目的周期不连续监测，测量信息更可靠，准确度高。此外，压力容器水位测量相比原方法测量精度更高，便于运行维护，同时免去了后期运维人员的调校工作量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中压力容器水位监测的系统框图；
图2为本发明一实施例提供的核电厂堆芯参数监测系统的结构框图。
图3为本发明一实施例提供的核电厂堆芯参数监测系统的结构框图。
图4为本发明一实施例提供的核电厂堆芯参数监测系统的结构框图。
图5所示为本发明一实施例提供的核电厂堆芯参数监测系统中的测量组件的轴向布置图。
图6为本发明一实施例提供的核电厂堆芯参数监测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图2为本发明一实施例提供的核电厂堆芯参数监测系统的结构框图。如图2所示，核电厂堆芯参数监测系统包括：测量组件10和与测量组件10电连接的信号处理单元20，其中：
测量组件10包括多个第一测量组件110和多个第二测量组件120，每一第一测量组件110和每一第二测量组件120分别包括多个自给能中子探测器111，用于实时采集堆芯中子通量密度信号，多个自给能中子探测器沿核电厂堆芯四周呈轴向和/或径向分布；
信号处理单元20包括堆芯中子通量密度信号处理柜21，用于接收每一自给能中子探测器所采集的堆芯中子通量密度信号，并对堆芯中子通量密度信号进行处理后发送至堆芯在线监测系统，从而实时监测堆芯工况。
本实施例中，由第一测量组件和第二测量组件中的自给能中子探测器(SPND)组成了堆芯中子通量测量系统。自给能中子探测器在反应堆堆芯呈轴向和径向分布，连续测量堆芯各不同位置处的堆芯中子通量密度信号。测得的堆芯中子通量密度信号将送入堆芯中子通量密度信号处理柜21，经过堆芯中子通量密度信号处理柜21处理后被送入堆芯在线监测系统(KSS)40，在KSS中被处理成适合堆芯运行最佳评估分析器使用的数据，生成连续的三维反应堆堆芯功率分布图。
进一步地，本发明提供的核电厂堆芯参数监测系统包括40个第一测量组件和2个第二测量组件，因此堆芯中子通量测量系统包含有42个一体化测量组件。
进一步地，每一第一测量组件10和每一第二测量组件20分别包括沿轴向布置7个自给能中子探测器111，组件轴向布置图如图5所示。其中，堆芯径向布置的42个测量组件分为A、B、C、D四列，其中A列和B列含11个测量组件，C列和D列含10个测量组件。
进一步地，每一第一测量组件10和每一第二测量组件20还分别包括用于采集堆芯温度信号的多个热电偶121，其采集的堆芯温度信号直接被发送至安全控制系统，从而实现对堆芯温度的实时监测。
优选地，每一第一测量组件10包括1个堆芯出口热电偶，用于测量堆芯出口温度；每一第二测量组件20包括1个堆芯出口热电偶和1个压力容器上封头温度测量热电偶，分别用于测量堆芯出口温度和压力容器上封头温度。
具体地，在本实施例中，第一测量组件10和第二测量组件20中的热电偶组成了堆芯温度测量系统。堆芯温度测量包括堆芯出口温度测量和堆芯上封头温度测量两部分，进一步地，第一测量组件中的热电偶用于测量堆芯出口温度，也称为堆芯出口热电偶；第二测量组件中的热电偶用于测量压力容器上封头温度，也称为压力容器上封头温度(RPVDT)测量热电偶。优选地，堆芯出口热电偶和压力容器上封头温度测量热电偶均为K型热电偶。
进一步地，堆芯出口热电偶用于确定堆芯出口温度TCO和堆芯出口饱和裕量ΔTSAT。其中，堆芯出口饱和裕度ΔTSAT为堆芯出口热电偶测量值最大值与饱和温度的偏差，即ΔTSAT＝TSAT-TCO，它表征了堆芯的冷却状态。TCO和ΔTSAT为操纵员判断事故后工况下一回路热工水力状态提供重要判据，此外堆芯出口温度还用于严重事故管理导则。
由于本发明提供的核电厂堆芯参数监测系统包括40个第一测量组件和2个第二测量组件，因此，通过42支固定式堆芯出口热电偶来测量堆芯出口温度，分组方式与自给能中子探测器的分组保持一致，分A、B、C、D四列，其中A列和B列各含11个堆芯出口热电偶热电偶，C列和D列各含10支堆芯出口热电偶。
压力容器上封头温度(RPVDT)测量热电偶能够为操纵员在正常运行和事故后应急运行期间提供信息，因此，RPVDT测量对于事故后工况的处理并非必要信息。由于本发明提供的核电厂堆芯参数监测系统包括2个第二测量组件，因此共包含2个上封头温度热电偶，各属于一列。
图3为本发明一实施例提供的核电厂堆芯参数监测系统的结构框图。如图3所示：
测量组件10还包括多个第三测量组件130，每一第三测量组件130包括多个水位探测器131，用于采集压力容器的水位信号；
信号处理单元20还包括水位信号处理柜22，用于接收每一水位探测器所采集的水位信号，并对水位信号进行处理后发送至安全控制系统50。
进一步地，每一水位探测器包括两个热电偶，其中，一个热电偶被加热且位于水位监测点，另一个热电偶不被加热的并浸没于介质中，通过两个热电偶之间的温差来产生水位信号。
压力容器水位(RPVL)测量为操纵员评估、诊断事故后工况下的一回路热工水力状态提供重要信息，RPVL的测量结果反映了堆芯水装量的变化，可用于监测堆芯是否裸露，并直接用于决定事故后控制策略和操作规程。
具体地，在本实施例中，为了避免在反应堆压力容器底部布置贯穿件，通过第三测量组件中的水位探测器来测量压力容器水位。水位探测器采用热电偶进行压力容器水位的非连续测量，因此，包括第一热电偶和第二热电偶。进一步地，第一热电偶加热位于水位监测点，即需要监测是否有介质的位置，另一只热电偶未加热始终浸没于介质中，通过测量两支热电偶的温差判断水位。其测量原理是基于传热的变化：由于两支热电偶的温差取决于周围介质的传热系数，当冷却剂低于加热热电偶所在高度时，传热条件恶化，加热热电偶温度迅速上升，两支热电偶测量温度差值大幅增加，因此热电偶间的温差可以表征反应堆压力容器水位是否低于加热热电偶所在位置。
进一步地，测量组件10包括4个第三测量组件130，每一第三测量组件130包括5个水位探测器。因此，RPVL测量是通过4个测量组件实现，每个测量组件设置5个水位监测点，压力容器水位测点布置信息详见图5。
因此，在本实施例中，测量组件10包括40个第一测量组件、2个第二测量组件以及4个第三测量组件。第一测量组件、第二测量组件以及第三测量组件包括的传感器种类和数量如表1所示。
如表1所示，第一测量组件包括7个用于连续测量堆芯不同位置处的堆芯中子通量密度信号的自给能中子探测器、1个用于测量堆芯出口温度热电偶和1个用于冷端补偿的热电阻，第二测量组件包括7个用于连续测量堆芯不同位置处的堆芯中子通量密度信号的自给能中子探测器、2个分别用于测量堆芯出口温度和压力容器上封头温度的热电偶和1个用于冷端补偿的热电阻，第三测量组件包括5个用于探测压力容器的水位信号的水位探测器和用于冷端补偿的1个热电阻。
图5为本发明一实施例提供的核电厂堆芯参数监测系统的结构框图。如图5所示，堆芯参数监测系统还包括组件配件30，其连接在测量组件10与信号处理单元20之间。
进一步地，组件配件30包括组件转接头31、电缆转接板32和贯穿件33，组件转接头31与电缆转接板32之间通过第一电缆相连，电缆转接板32和贯穿件33之间通过第二电缆相连。
优选地，在本发明一实施例中，测量组件10从压力容器上部直接插入堆芯，避免了在压力容器下部开口，进而降低了严重事故时压力容器破裂的风险。
实施例二
图6为本发明一实施例提供的核电厂堆芯参数监测方法的流程示意图。如图6所示，核电厂堆芯参数监测方法包括：
步骤S1：测量组件中的多个自给能中子探测器实时采集堆芯中子通量密度信号。
步骤S2：将堆芯中子通量密度信号发送至信号处理单元中的堆芯中子通量密度信号处理柜。
步骤S3：堆芯中子通量密度信号处理柜对所接收的堆芯中子通量密度信号进行处理。
步骤S4：将处理后的堆芯中子通量密度信号发送至堆芯在线监测系统。
步骤S5：堆芯在线监测系统对所接收的处理后的堆芯中子通量密度信号进行实时监测。
进一步地，核电厂堆芯参数监测方法还包括以下步骤：测量组件中的水位探测器采集压力容器的水位信号；将水位信号发送至信号处理单元中的水位信号处理柜；水位信号调理柜对所接受的水位信号进行处理；将处理后的水位信号发送至安全控制系统；以及安全控制系统对所接收的处理后的水位信号进行实时监测。
进一步地，核电厂堆芯参数监测方法还包括以下步骤：测量组件中的多个热电偶采集堆芯温度信号；将堆芯温度信号直接发送至安全控制系统；以及安全控制系统对堆芯温度信号进行实时监测。
进一步地，在本发明一实施例中，水位探测器由第一热电偶和第二热电偶组成，被加热的第一热电偶位于水位监测点，不被加热的第二热电偶浸没于介质中，通过第一热电偶和第二热电偶的温差产生水位信号。
有利地，本发明提供的核电厂堆芯参数监测系统采用一体化测量组件进行堆芯内中子通量、燃料组件出口温度以及压力容器水位的测量，极大缩小了设备占用空间，便于后期维护、更换；测量组件安装方式为从压力容器上部插入测量，避免压力容器下部开口减少了严重事故时压力容器破裂的风险；可以实现对堆内中子通量的实时连续监测，相比CPR1000项目的周期不连续监测，测量信息更可靠，准确度高。此外，压力容器水位测量相比原方法测量精度更高，便于运行维护，同时免去了后期运维人员的调校工作量。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (17)

1.一种核电厂堆芯参数监测系统，包括测量组件和与所述测量组件电连接的信号处理单元，其特征在于：
所述测量组件包括多个第一测量组件和多个第二测量组件，每一所述第一测量组件和每一所述第二测量组件分别包括多个自给能中子探测器，用于实时采集堆芯中子通量密度信号，多个所述自给能中子探测器沿核电厂堆芯四周呈轴向和/或径向分布；
所述信号处理单元包括堆芯中子通量密度信号处理柜，用于接收每一所述自给能中子探测器采集的所述堆芯中子通量密度信号，并对所述堆芯中子通量密度信号进行处理后发送至堆芯在线监测系统，从而实时监测堆芯工况。
2.根据权利要求1所述的核电厂堆芯参数监测系统，其特征在于，所述测量组件包括40个所述第一测量组件和2个所述第二测量组件。
3.根据权利要求2所述的核电厂堆芯参数监测系统，其特征在于，每一所述第一测量组件和每一所述第二测量组件分别包括7个所述自给能中子探测器。
4.根据权利要求1所述的核电厂堆芯参数监测系统，其特征在于，每一所述第一测量组件和每一所述第二测量组件还分别包括多个热电偶，用于采集堆芯温度信号，每一所述热电偶采集的所述堆芯温度信号直接被发送至安全控制系统。
5.根据权利要求4所述的核电厂堆芯参数监测系统，其特征在于：
每一所述第一测量组件包括1个堆芯出口热电偶，用于测量堆芯出口温度；
每一所述第二测量组件包括1个所述堆芯出口热电偶和1个压力容器上封头温度测量热电偶，分别用于测量所述堆芯出口温度和压力容器上封头温度。
6.根据权利要求1所述的核电厂堆芯参数监测系统，其特征在于：
所述测量组件还包括多个第三测量组件，每一所述第三测量组件包括多个水位探测器，用于采集压力容器的水位信号；
所述信号处理单元还包括水位信号处理柜，用于接收每一所述水位探测器采集的所述水位信号，并对所述水位信号进行处理后发送至安全控制系统。
7.根据权利要求6所述的核电厂堆芯参数监测系统，其特征在于，每一所述水位探测器包括第一热电偶和第二热电偶，被加热的所述第一热电偶位于水位监测点，不被加热的所述第二热电偶浸没于介质中，通过所述第一热电偶和所述第二热电偶的温差来产生所述水位信号。
8.根据权利要求6所述的核电厂堆芯参数监测系统，其特征在于，所述第三测量组件包括5个所述水位探测器。
9.根据权利要求6所述的核电厂堆芯参数监测系统，其特征在于，所述测量组件包括4个所述第三测量组件。
10.根据权利要求6所述的核电厂堆芯参数监测系统，其特征在于，每一所述第三测量组件还包括1个热电阻，用于冷端补偿。
11.根据权利要求1所述的核电厂堆芯参数监测系统，其特征在于：每一所述第一测量组件和每一所述第二测量组件还分别包括1个热电阻，用于冷端补偿。
12.根据权利要求1所述的核电厂堆芯参数监测系统，其特征在于，所述核电厂堆芯参数监测系统还包括组件配件，连接在所述测量组件与所述测量信号处理单元之间。
13.根据权利要求12所述的核电厂堆芯参数监测系统，其特征在于，所述组件配件包括组件转接头、电缆转接板和贯穿件，所述组件转接头与所述电缆转接板之间通过第一电缆相连，所述电缆转接板和所述贯穿件之间通过第二电缆相连。
14.一种核电厂堆芯参数监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
测量组件中的多个自给能中子探测器实时采集堆芯中子通量密度信号；
将所述堆芯中子通量密度信号发送至信号处理单元中的堆芯中子通量密度信号处理柜；
所述堆芯中子通量密度信号处理柜对所接收的所述堆芯中子通量密度信号进行处理；
将处理后的所述堆芯中子通量密度信号发送至堆芯在线监测系统；以及
所述堆芯在线监测系统对所接收的处理后的所述堆芯中子通量密度信号进行实时监测。
15.根据权利要求14所述的核电厂堆芯参数监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：
所述测量组件中的水位探测器采集压力容器的水位信号；
将所述水位信号发送至所述信号处理单元中的水位信号处理柜；
所述水位信号调理柜对所接受的所述水位信号进行处理；
将处理后的所述水位信号发送至安全控制系统；以及
所述安全控制系统对所接收的处理后的所述水位信号进行实时监测。
16.根据权利要求15所述的核电厂堆芯参数监测方法，其特征在于，所述水位探测器由第一热电偶和第二热电偶组成，被加热的所述第一热电偶位于水位监测点，不被加热的所述第二热电偶浸没于介质中，通过所述第一热电偶和所述第二热电偶的温差产生所述水位信号。
17.根据权利要求14所述的核电厂堆芯参数监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：
所述测量组件中的多个热电偶采集堆芯温度信号；
将所述堆芯温度信号直接发送至安全控制系统；以及
所述安全控制系统对所述堆芯温度信号进行实时监测。
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