CN106409364B - 一种主回路冷却剂压力波动实时监测的方法 - Google Patents

一种主回路冷却剂压力波动实时监测的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主回路冷却剂压力波动实时监测的方法包括：步骤1：利用传感器探测反应堆主管道内冷却剂的压力波动；步骤2：电荷信号传输至电荷转换器放大，并转换为低阻抗的电压信号；步骤3：将压力波动电压信号传输至压力波动调理模块；步骤4：压力波动调理模块对信号进行调理处理，调理后信号由同步采集卡实时采集，由PXI总线实现与分析处理器的数据传输；步骤5：分析处理器将采集的数据进行分析，分析出异常的压力波动，并实现压力波动数据库的管理，实现了能够有效的对主回路冷却剂压力波动进行实时监测，且能够对监测数据进行分析和计算，便于对监测数据进行管理的技术效果。

Description

一种主回路冷却剂压力波动实时监测的方法
技术领域
本发明涉及核电设备研究领域，具体地，涉及一种主回路冷却剂压力波动实时监测的方法。
背景技术
压水堆核电厂由压水反应堆、反应堆冷却剂系统、循环水系统、发电机和输配电系统及其辅助系统组成。压水反应堆堆芯裂变释放的热量由反应堆冷却剂系统循环带出，并传递给循环水系统用于发电。反应堆冷却剂系统的工作介质是水，当核电机组(目前国内在役核电厂)满功率运行时，主回路内冷却剂压力一般为15.5MPa。
核电厂主回路系统冷却剂的压力由稳压器进行调节，一般情况下，压水堆核电厂主回路冷却剂的压力保持在15.5MPa，以确保核电厂稳定安全的运行。当主回路系统设备(如主泵、压力容器、堆内构件、燃料组件、蒸汽发生器)出现异常振动或故障，或主系统设备支撑劣化，均将引起回路冷却剂压力的波动，研究表明可通过分析冷却剂的压力波动间接对主回路系统设备的异常状态或设备支撑劣化情况进行分析。
我国田湾核电站和台山核电站均配置了振动噪声监测系统，我国目前发展的三代核电系统也将配置振动噪声监测系统，其目的是对主系统主循环回路、蒸汽发生器、反应堆及其堆内构件和管道进行振动监测，利用反应堆设备的异常振动状态的检测结果进行综合诊断，以尽早发现设备由于固定状况、设备严密性能改变或在冷却剂侧液压动态负荷的增加引起的异常振动状况。反应堆主回路冷却剂压力波动的监测是振动噪声监测系统的关键技术。
而在现有技术中，国内反应堆主回路冷却剂压力波动的监测技术的研究和成果几乎为空白。
综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，现有技术存在不能有效的对主回路冷却剂压力波动进行实时监测的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种主回路冷却剂压力波动实时监测的方法，解决了现有技术存在不能有效的对主回路冷却剂压力波动进行实时监测的技术问题，实现了能够有效的对主回路冷却剂压力波动进行实时监测，且能够对监测数据进行分析和计算，便于对监测数据进行管理的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种主回路冷却剂压力波动实时监测的方法，所述方法包括：
步骤1：利用传感器探测反应堆主管道内冷却剂的压力波动，产生表征压力波动的电荷信号；
步骤2：电荷信号传输至电荷转换器放大，并转换为低阻抗的电压信号；
步骤3：电源适配器为电荷转换器提供工作电流，将压力波动电压信号传输至压力波动调理模块；
步骤4：压力波动调理模块对信号进行电气隔离、程控放大、直流补偿和低通滤波，调理后信号由同步采集卡实时采集，由PXI总线实现与分析处理器的数据传输；
步骤5：分析处理器将采集的数据进行分析，分析出异常的压力波动，并实现压力波动数据库的管理。
优选的，所述传感器具体为型号为522M17压力脉动传感器。
优选的，所述传感器具体安装在反应堆主管道壁上。
优选的，所述反应堆主管道壁上开设有安装孔，第一探针夹具一端插入所述安装孔内并与所述反应堆主管道壁焊接，第二探针夹具通过螺栓与第一探针夹具固定连接，传感器安装在第一探针夹具和第二探针夹具形成的空间内，传感器由密封环进行密封，传感器的感应面与主管道的内表面平齐，并直接与冷却剂接触。
优选的，所述密封环具体为金属O型密封环，保障压力脉动传感器在主管道上的密封，确保主管道压力边界的完整性。
优选的，所述分析处理器将采集的数据进行分析，分析出异常的压力波动，具体包括：利用处理器实时分析主回路冷却剂的压力波动，提取冷却剂特征量，建立异常区别模型，判断主回路冷却剂波动状态。
优选的，所述实时分析主回路冷却剂的压力波动，提取冷却剂特征量，建立异常区别模型，判断主回路冷却剂波动状态，具体包括：
利用传感器探测主管道内冷却剂压力波动，输出电荷信号，经电荷转换器处理后输入信号调理模块进行调理处理，得到电压信号Up(t)，冷却剂压力波动ΔP(t)：
其中，ΔP(t)为冷却剂压力波动(kPa)，q为传感器灵敏度(pC/kPa)，C为电荷转换器转换系数(mV/pC)，A2为调理放大器倍数，Up(t)为压力脉动输出电压(V)；
同步采集板卡采集压力波动信号V(t)，利用式(3)计算得到压力波动电压信号的最大值Va，由式(1)进行物理量转换，计算主管道冷却剂的压力波动值，与基准进行比较，分析主回路冷却剂状态；利用数据库定期储存冷却剂压力波动值，对其进行趋势分析，获取系统状态的长期变化趋势；
V(t)＝(V1,V2,V3……Vn) (2)
Va＝MaxV(t) (3)
式中Va为信号最大值，n为信号样本点数。
优选的，所述分析处理器能够使得显示界面组态图形化，在一个界面上显示监测对象、传感器布置、特征量信息。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了将主回路冷却剂压力波动实时监测的方法设计为包括：步骤1：利用传感器探测反应堆主管道内冷却剂的压力波动，产生表征压力波动的电荷信号；步骤2：电荷信号传输至电荷转换器放大，并转换为低阻抗的电压信号；步骤3：电源适配器为电荷转换器提供工作电流，将压力波动电压信号传输至压力波动调理模块；步骤4：压力波动调理模块对信号进行电气隔离、程控放大、直流补偿和低通滤波，调理后信号由同步采集卡实时采集，由PXI总线实现与分析处理器的数据传输；步骤5：分析处理器将采集的数据进行分析，分析出异常的压力波动，并实现压力波动数据库的管理的技术方案，即压水堆核电厂主回路冷却剂压力的变化关系核电厂的安全运行，利用耐高温耐辐射的压电式压力脉动传感器，可实时探测冷却剂压力波动，对主回路系统设备的运行状态进行间接的监测和异常分析，解决振动噪声监测，利用耐高温耐辐射的压电式压力脉动传感器实时探测压水堆核电厂主回路冷却剂压力波动；为了保证核电厂主管道压力边界的完整性，设计了压力脉动传感器在主管道上的安装和密封；系统采用了基于PXI总线的标准化及模块化和基于FPGA的程控技术的系统硬件设计，提高了系统可靠性和维修方便性；监测软件运用了监测对象组态图形化、虚拟仪器、多线程和数据库管理技术，使软件界面可视化强，操作简便，数据导出方便；所以，有效解决了现有技术存在不能有效的对主回路冷却剂压力波动进行实时监测的技术问题，进而实现了能够有效的对主回路冷却剂压力波动进行实时监测，且能够对监测数据进行分析和计算，便于对监测数据进行管理的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定，在附图中：
图1是本申请实施例一中主回路冷却剂压力波动实时监测原理图示意图；
图2是本申请实施例一中压水堆核电厂主回路冷却剂压力波动监测信号流程示意图；
图3是本申请实施例一中压力脉动传感器在主管道上的安装和密封示意图；
其中，1-主管道,2-冷却剂，3-压力脉动传感器，4-密封环，5-第一探针夹具，6-第二探针夹具。
具体实施方式
本发明提供了一种主回路冷却剂压力波动实时监测的方法，解决了现有技术存在不能有效的对主回路冷却剂压力波动进行实时监测的技术问题，实现了能够有效的对主回路冷却剂压力波动进行实时监测，且能够对监测数据进行分析和计算，便于对监测数据进行管理的技术效果。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例一：
在实施例一中，提供了一种主回路冷却剂压力波动实时监测的方法，压水堆主回路冷却剂压力波动监测原理图见附图1，压水堆主回路冷却剂压力波动监测系统流程图见附图2。
压水堆主回路冷却剂压力波动监测原理如附图1，耐高温耐辐照压力脉动传感器安装在反应堆主管道壁上，探测主管道内冷却剂的压力波动，产生表征压力波动的电荷信号，电荷信号由耐高温耐辐照的硬电缆传输至电荷转换器放大，并转换为低阻抗的电压信号，电源适配器为电荷转换器提供工作电流，并将压力波动电压信号传输至调理模块，压力波动调理模块对信号进行电气隔离、程控放大、直流补偿和低通滤波，调理后信号由同步采集卡实时采集，由PXI总线实现与计算机的数据传输，分析处理器将采集的数据进行快速分析，鉴别出异常的压力波动，并实现压力波动数据库的管理。
压水堆主回路冷却剂压力波动监测系统分为两大部分，包括信号探测设备和电气设备，如附图2，其中信号探测设备包括：压力脉动传感器和电荷转换器；电气设备包括：电源适配器、信号调理模块、压力波动分析处理器及采集设备。
主管道冷却剂压力波动的实时探测技术：
压水堆核电厂主管道内冷却剂的温度、压力和辐射剂量很高，传统的压力脉动传感器不能在这样的环境中工作，需采用的耐高温耐辐照压电式压力脉动传感器。
主管道属于核电站的压力边界，是核一级设备，传感器安装在主管道上，其密封性是关键，设计专门的传感器安装座，利用金属密封环进行密封，保证压力边界的完整性，实现冷却剂压力波动的实时探测。
压水堆核电厂主回路冷却剂压力波动计算及分析：
利用软件实时分析主回路冷却剂的压力波动，提取冷却剂压力波动值、波动最大值和主频等特征量，建立异常甄别模型，判断主回路冷却剂波动状态。
利用压力脉动传感器探测主管道内冷却剂压力波动，输出电荷信号，经电荷转换器电荷转换、放大后输入信号调理模块进行隔离、隔直、放大、滤波，得到电压信号Up(t)，冷却剂压力波动ΔP(t)：
ΔP(t)—冷却剂压力波动(kPa)，q—传感器灵敏度(pC/kPa)，C—电荷转换器转换系数(mV/pC)，A2—调理放大器倍数，Up(t)—压力脉动输出电压(V)。
同步采集板卡采集压力波动信号V(t)(一个采用周期)，利用式(3)计算得到压力波动电压信号的最大值Va，由式(1)进行物理量转换，计算主管道冷却剂的压力波动值，与基准进行比较，分析主回路冷却剂状态。利用数据库定期储存冷却剂压力波动值，对其进行趋势分析，获取系统状态的长期变化趋势。
V(t)＝(V1,V2,V3……Vn) (2)
Va＝MaxV(t) (3)
式中Va－信号最大值，n－信号样本点数。
先进的软硬件技术：
实现了压水堆核电厂主回路冷却剂压力波动的在线监测与分析，便于开展压力波动异常的鉴别。
采用了基于PXI总线的标准化和模块化和基于FPGA的程控技术的系统硬件设计，系统硬件工作参数实时可调，同时提高了系统可靠性，同时方便了系统检修和部件更换；对特征量实施数据库管理，保证了数据记录完整有序，同时为异常的诊断分析提供了开放式接口；基于监测对象的组态图形化软件技术和虚拟仪器技术，使软件界面组态图形化，可视化强，在一个界面上完整反映了监测对象、传感器布置、特征量信息等，监测软件采用多线程技术处理数据采集和数据分析，提高系统数据采集处理的实时性。
其中，本方法应用系统的性能指标参考表1：
表1
序号 名称 性能指标
1 压力波动监测范围 0.001～1Mpa
2 监测频率 0～100Hz
3 测量精度 ±10％
4 传感器耐辐照剂量 1×106Gy
5 传感器工作压力 0～20Mpa
6 传感器工作温度 20～538℃
本方案掌握了压水堆核电厂主回路冷却剂压力波动实时监测；设计了耐高温耐辐射压电式压力脉动传感器在主管道上的安装和密封；研制出了主回路冷却剂压力波动实时监测软硬件系统。
压力脉动传感器及在主管道上的安装与密封：
主回路中冷却剂的压力波动用压力脉动传感器测量，要求传感器抗辐照、耐高温，目的是获取有关主冷却剂波动的信息。如型号为522M17压力脉动传感器的技术指标如下表2，性能完全满足使用要求。
表2
测量原理 压电晶体
测量值 动态压力
工作压力范围 0～20Mpa
压力波动监测范围 0～3.4Mpa
灵敏度 1.7pC/kPa
辐照剂量 1×106Gy
工作温度 20～538℃
环境最大湿度 100％
目前国内压水堆核电厂正常运行状态下，主回路的冷却剂压力为15.5MPa，为了实现反应堆主回路中冷却剂压力波动的实时监测，需要将传感器安装在主管道管壁上，传感器的感应面应和冷却剂直接接触，从而有效的监测冷却剂的压力波动。主管道是核一级设备，为核电厂的压力边界，不允许任何冷却剂的泄漏，其状态关系核电厂的运行安全，压力脉动传感器在主管道上的安装和密封方式如附图3。第一探针夹具焊接在主管道1上，压力脉动传感器3放置在第一探针夹具5和第二探针夹具6形成的空间内，并由金属“O”型密封环4密封，第二探针夹具通过螺栓与第一探针夹具固定。传感器的感应面与主管道的内表面平齐，并直接与冷却剂2接触，实现冷却剂压力波动的实时探测。
电荷转换器：
电荷转换器将压力脉动传感器响应的电荷信号转换为电压信号，并放大，由同轴屏蔽电缆将信号传输至电气柜内电源适配器，最终信号输出到信号调理模块，进行压力脉动信号的调理。电荷转换器的技术指标如表3：
表3
电源适配器：
电源适配器为电荷转换器供电。电源适配器技术参数如下表4：
表4
直流电源 4～20mA，12V，24V，48V
输入阻抗 1MΩ
输出阻抗 ≤50Ω
输入隔离 模拟隔离，隔离电压≥1000Vrms
信号动态范围 ±10V
压力波动调理模块：
压力波动调理模块对信号进行程控放大、隔直、低通滤波，滤波后信号送到压力波动信号采集与分析设备。信号调理模块技术参数如下表5：
表5
模块通道数 4
输入阻抗 1MΩ
输出阻抗 ≤50Ω
输入隔离 模拟隔离，隔离电压≥1000Vrms
低通滤波 100Hz，截止特性≥35dB/oct
通道间输出信号相位差 ≤±5°
程控放大倍数 1，10，100
信号动态范围 ±10V
A/D同步采集模块：
数据采集模块为PXI总线模块，8通道的同步A/D模块压力脉动信号进行同步采样，信号采集模块技术参数如下表6：
表6
输入通道 8
最高采样率 250kHz/通道
分辨率 16bits
输入范围 ±5V
最高输出频率 2.8MS/s
输出范围 ±10V
采样持续时间 10s～40Min
监测处理器：
处理器开发应用虚拟仪器技术和设备组态图形化技术，以减少接口程序编程工作量，使软件界面美观、清晰，数据曲线实时性强，软件修改、升级和维护简便。软件运行平台采用Windows XP Professional或以上版本。监测软件(包括数据库应用程序)均采用Labview8.5编写，信号分析方法与特征量提取算法尽量采用Labview提供的工具，同时结合Windows动态连接库技术来实现硬件模块通信及控制，并且以数据库SQL SEVER Express来实现数据的管理。压力波动监测软件可实现反应堆主回路冷却剂压力波动监测数据显示、处理、分析及保存。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
由于采用了将主回路冷却剂压力波动实时监测的方法设计为包括：步骤1：利用传感器探测反应堆主管道内冷却剂的压力波动，产生表征压力波动的电荷信号；步骤2：电荷信号传输至电荷转换器放大，并转换为低阻抗的电压信号；步骤3：电源适配器为电荷转换器提供工作电流，将压力波动电压信号传输至压力波动调理模块；步骤4：压力波动调理模块对信号进行电气隔离、程控放大、直流补偿和低通滤波，调理后信号由同步采集卡实时采集，由PXI总线实现与分析处理器的数据传输；步骤5：分析处理器将采集的数据进行分析，分析出异常的压力波动，并实现压力波动数据库的管理的技术方案，即压水堆核电厂主回路冷却剂压力的变化关系核电厂的安全运行，利用耐高温耐辐射的压电式压力脉动传感器，可实时探测冷却剂压力波动，对主回路系统设备的运行状态进行间接的监测和异常分析，解决振动噪声监测，利用耐高温耐辐射的压电式压力脉动传感器实时探测压水堆核电厂主回路冷却剂压力波动；为了保证核电厂主管道压力边界的完整性，设计了压力脉动传感器在主管道上的安装和密封；系统采用了基于PXI总线的标准化及模块化和基于FPGA的程控技术的系统硬件设计，提高了系统可靠性和维修方便性；监测软件运用了监测对象组态图形化、虚拟仪器、多线程和数据库管理技术，使软件界面可视化强，操作简便，数据导出方便；所以，有效解决了现有技术存在不能有效的对主回路冷却剂压力波动进行实时监测的技术问题，进而实现了能够有效的对主回路冷却剂压力波动进行实时监测，且能够对监测数据进行分析和计算，便于对监测数据进行管理的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
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，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种主回路冷却剂压力波动实时监测的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：利用传感器探测反应堆主管道内冷却剂的压力波动，产生表征压力波动的电荷信号；
步骤2：电荷信号传输至电荷转换器放大，并转换为低阻抗的电压信号；
步骤3：电源适配器为电荷转换器提供工作电流，将压力波动电压信号传输至压力波动调理模块；
步骤4：压力波动调理模块对信号进行电气隔离、程控放大、直流补偿和低通滤波，调理后信号由同步采集卡实时采集，由PXI总线实现与分析处理器的数据传输；
步骤5：分析处理器将采集的数据进行分析，分析出异常的压力波动，并实现压力波动数据库的管理；
所述传感器具体安装在反应堆主管道壁上；所述反应堆主管道壁上开设有安装孔，第一探针夹具一端插入所述安装孔内并与所述反应堆主管道壁焊接，第二探针夹具通过螺栓与第一探针夹具固定连接，传感器安装在第一探针夹具和第二探针夹具形成的空间内，传感器由密封环进行密封，传感器的感应面与主管道的内表面平齐，并直接与冷却剂接触。
2.根据权利要求1所述的主回路冷却剂压力波动实时监测的方法，其特征在于，所述传感器具体为型号为522M17压力脉动传感器。
3.根据权利要求1所述的主回路冷却剂压力波动实时监测的方法，其特征在于，所述密封环具体为金属O型密封环。
4.根据权利要求1所述的主回路冷却剂压力波动实时监测的方法，其特征在于，所述分析处理器将采集的数据进行分析，分析出异常的压力波动，具体包括：利用处理器实时分析主回路冷却剂的压力波动，提取冷却剂特征量，建立异常区别模型，判断主回路冷却剂波动状态。
5.根据权利要求4所述的主回路冷却剂压力波动实时监测的方法，其特征在于，所述实时分析主回路冷却剂的压力波动，提取冷却剂特征量，建立异常区别模型，判断主回路冷却剂波动状态，具体包括：
利用传感器探测主管道内冷却剂压力波动，输出电荷信号，经电荷转换器处理后输入信号调理模块进行调理处理，得到电压信号Up(t)，冷却剂压力波动ΔP(t)：
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1000</mn> <msub> <mi>U</mi> <mi>p</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>C</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>q</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，ΔP(t)为冷却剂压力波动(kPa)，q为传感器灵敏度(pC/kPa)，C为电荷转换器转换系数(mV/pC)，A2为调理放大器倍数，Up(t)为压力脉动输出电压(V)；
同步采集板卡采集压力波动信号V(t)，利用式(3)计算得到压力波动电压信号的最大值Va，由式(1)进行物理量转换，计算主管道冷却剂的压力波动值，与基准进行比较，分析主回路冷却剂状态；利用数据库定期储存冷却剂压力波动值，对其进行趋势分析，获取系统状态的长期变化趋势；
V(t)＝(V1,V2,V3……Vn) (2)
Va＝MaxV(t) (3)
式中Va为信号最大值，n为信号样本点数。
6.根据权利要求1所述的主回路冷却剂压力波动实时监测的方法，其特征在于，所述分析处理器能够使得显示界面组态图形化，在一个界面上显示监测对象、传感器布置、特征量信息。
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