CN106816190A - 核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统以及方法 - Google Patents

核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统以及方法 Download PDF

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Abstract

一种核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统以及方法，主管道包括冷管道和热管道，该系统包括：设置在热管道上的宽量程温度计和窄量程温度计以及设置在冷管道上的宽量程温度计和窄量程温度计，热管道上的窄量程温度计所在的管道截面距离压力容器的轴向距离基于流体力学仿真建模分析确定；主管道管壁上固定连接有安装温度计的取样接口，且主管道上连接取样接口的区域开设有贯穿管壁的定位孔，每个温度计均通过保护套管插入对应的取样接口中匹配连接后伸入定位孔内,本发明减掉了测温旁路，提高测量的准确度以及测量响应时间，且热管道上的窄量程温度计的安装位置基于流体力学仿真建模分析确定，设置在流场和温度场最优的区域，提高了测量准确度。

Description

核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统以及方法
技术领域
本发明涉及核电站监测领域，尤其涉及一种核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统以及方法。
背景技术
在核电站中，反应堆冷却剂系统(RCP)主管道内冷却剂用于带走反应堆内热量，并传递到二次侧蒸汽发生器，主管道冷、热段冷却剂的温度测量对于核电机组的正常运行以及监测有着非常重要的作用。
现有技术中，核电站主管道冷却剂温度测量采用铂热电阻温度计，将温度计插入冷却剂中，实时监测冷却剂的温度。热电阻即电阻式温度计，是利用金属导体或金属氧化物等半导体作为测温介质，利用其随温度变化而变化的电阻值作为测温量，用于对温度进行测量的仪表。热电阻是中低温区最常见的一种温度传感器，它的主要特点是测量精度高，性能稳定，其中又以铂热电阻的测量精度最高，在核电厂的温度测量中得到了广泛的应用。在核电站主管道冷段和热段分别布置有对应的铂电阻温度计，用于监测电站运行过程中冷却剂的冷、热段温度。在现有核电机组中，主管道冷却剂测温所采用的旁路测温方案如图1所示，现有RCP一回路主管道冷却剂温度计配置方案见表1。
表1：RCP一回路温度计布置
其中，RCP028/043/055MT为热段温度计，RCP029/044/056MT为冷段温度计，上述温度计均为宽量程温度计，所在管道即为RCP主管道，温度计置于伸入冷却剂的套管内，套管是压力边界的一部分。这部分温度计仅用于监测启堆和停堆瞬态期间或反应堆冷却剂泵跳闸时温度的变化，不参与保护与控制。其中RCP030MT和RCP033MT温度计分别为热段和冷段的窄量程温度计，因为这部分精密仪表不能直接插入反应堆冷却剂主管道的高速流程中，所以设置了旁路测温管线。这种测量方法因为采用旁路管线，所以采样到的冷却剂的温度变化有一定的时间延迟，且旁路管线及相应设备的增加，采用旁路管线测温会加大运行/维护的成本，且成为潜在的泄漏源。所以为了解决这种缺陷，现有技术有提议通过设计对应的接口直接将原来设置在旁路管线上的温度计同样安装在主管道上，但是由于热管道内的流体存在热分层，温度测量器仅能测量当前位置点的温度，导致测量结果不准确，对于这部分温度计，特别是热管道上的窄量程温度计，其安装位置会影响到最后的测量准确度，但是现有技术中并没有合适的方法来确定这些温度计的位置。
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缺陷，提供一种核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统以及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统，所述主管道包括：
冷管道，用于将蒸汽发生器内的冷却剂导向反应堆压力容器；
热管道,用于将反应堆压力容器内的冷却剂导向蒸汽发生器；
所述系统包括设置在热管道上的宽量程温度计和窄量程温度计，以及设置在冷管道上的宽量程温度计和窄量程温度计；其中，热管道上的窄量程温度计所在的管道截面距离所述反应堆压力容器的轴向距离是基于流体力学仿真建模分析确定；
其中，主管道管壁上固定连接有用于安装温度计的取样接口，且主管道上连接取样接口的区域开设有贯穿管壁的定位孔，每个温度计均通过保护套管插入对应的取样接口中匹配连接后伸入定位孔内。
在本发明所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统中，所述热管道设置有垂直于管道轴向布置的一个宽量程温度计和多个窄量程温度计，多个窄量程温度计位于同一管道截面且沿着管道圆周方向均匀布设；
其中，所述的基于流体力学仿真建模分析确定包括：利用商用计算流体力学软件仿真得到热管道内的流场及温度场，选取流场稳定的区域，并在该区域内选取N个方位上的温度波动最小的截面作为安装温度计的截面，N为整数，表示热管道上的窄量程温度计的数量。
在本发明所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统中，所述热管道上的窄量程温度计的数量为四个，且安装角度为30°或者45°，所述安装角度为：反应堆压力容器中心往热管道出口方向上的右上角第一个温度计与管道水平截面之间的夹角。
在本发明所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统中，所述冷管道上设置有一个主泵，冷管道上的温度计全部设置在主泵下游，所述冷管道设置有垂直于管道轴向布置的一个宽量程温度计和两个窄量程温度计，两个窄量程温度计位于同一管道截面，且两个窄量程温度计所在的管道截面距离所述反应堆压力容器的轴向距离为通过主泵进出口流场分布图确定。
在本发明所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统中，热管道和冷管道上的宽量程温度计所在的管道截面距离所述反应堆压力容器的轴向距离均通过参考数据确定。
本发明还公开了一种核电站反应堆主管道冷却剂温度测量方法，基于所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统实现，所述方法包括：
S0、基于流体力学仿真建模分析确定热管道上的窄量程温度计所在的管道截面距离所述反应堆压力容器的轴向距离；
S1、在热管道和冷管道管壁上开设贯穿管壁的定位孔，在定位孔的位置固定连接用于安装温度计的取样接口；
S2、在热管道上设置宽量程温度计和窄量程温度计，在冷管道上设置宽量程温度计和窄量程温度计，每个温度计均通过保护套管插入对应的取样接口中匹配连接后伸入定位孔内。
在本发明所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量方法中，所述热管道设置有垂直于管道轴向布置的一个宽量程温度计和多个窄量程温度计，多个窄量程温度计位于同一管道截面且沿着管道圆周方向均匀布设；
其中，所述的基于流体力学仿真建模分析确定包括：利用商用计算流体力学软件仿真得到热管道内的流场及温度场，选取流场稳定的区域，并在该区域内选取N个方位上的温度波动最小的截面作为安装温度计的截面，N为整数，表示热管道上的窄量程温度计的数量。
在本发明所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量方法中，所述热管道上的窄量程温度计的数量为四个，且安装角度为30°或者45°，所述安装角度为：反应堆压力容器中心往热管道出口方向上的右上角第一个温度计与管道水平截面之间的夹角。
在本发明所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量方法中，所述冷管道上设置有一个主泵，冷管道上的温度计全部设置在主泵下游，所述冷管道设置有垂直于管道轴向布置的一个宽量程温度计和两个窄量程温度计，两个窄量程温度计位于同一管道截面，
所述步骤S0还包括：通过主泵进出口流场分布图确定冷管道上的窄量程温度计所在的管道截面距离所述反应堆压力容器的轴向距离。
在本发明所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量方法中，所述步骤S0还包括：通过参考数据确定热管道和冷管道上的宽量程温度计所在的管道截面距离所述反应堆压力容器的轴向距离。
实施本发明的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统以及方法，具有以下有益效果：本发明将现有技术中旁路测温的温度计转移到主管道上，减掉了测温旁路，基于取样接口和保护套管将现有技术中旁路测温的温度计全部都直接布置在主管道上进行测温，能够提高测量的准确度以及测量响应时间，节省了管件材料，减少潜在泄露源，且在将温度计转移到主管道后，热管道上的窄量程温度计所在的管道截面距离压力容器的轴向距离基于流体力学仿真建模分析确定，将该温度计设置在流场和温度场最优的区域。
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是现有技术中核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统的结构示意图；
图2是本发明核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统的结构示意图；
图3是热管道和冷管道中的两种类型的温度计的布置示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图2，是本发明核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统的结构示意图。
核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统用于测量主管道内的冷却剂温度，所述主管道包括：
热管道100，连接蒸汽发生器500和反应堆压力容器400，用于将反应堆压力容器400内的冷却剂导向蒸汽发生器500；
冷管道200，连接蒸汽发生器500和反应堆压力容器400，用于将蒸汽发生器500内的冷却剂导向反应堆压力容器400。
本发明的温度测量系统包括：
窄量程温度计110，设置在热管道100上，其测量信号保护与控制；
宽量程温度计120，设置在热管道100上，其测量信号仅用于监测启堆和停堆瞬态期间或反应堆冷却剂泵跳闸时温度的变化，不参与保护与控制；
窄量程温度计210，设置在冷管道200上，其测量信号保护与控制；
宽量程温度计220，设置在冷管道200上，其测量信号仅用于监测启堆和停堆瞬态期间或反应堆冷却剂泵跳闸时温度的变化，不参与保护与控制。
为了省略旁路安装，其中，热管道100、冷管道200的管壁上固定连接有用于安装温度计的取样接口，且热管道100、冷管道200上连接取样接口的区域开设有贯穿管壁的定位孔，每个温度计均通过保护套管插入对应的取样接口中匹配连接后伸入定位孔内。其中，保护套管可以为本领域公知的T3保护套管。
本发明主要包括两种类型的取样接口，一种是专门用于安装热管道100的窄量程温度计110的取样接口，另一种是用于其他的温度计的取样接口：冷管道200上的窄量程温度计210、所有的用于安装宽量程温度计120、220。接口的设计为现有技术，此处不再赘述。
其中，热管道100上的窄量程温度计110所在的管道截面距离压力容器400的轴向距离是基于流体力学仿真建模分析确定，因此可以将该温度计设置在流场和温度场最优的区域，测量准确度更高。
本发明主要是利用商用计算流体力学软件STAR-CCM+，将整个系统的结构绘制完毕后，其可对热管道内的流场及温度场进行模拟计算，此部分仿真建模属于现有技术，此处不再赘述，本发明仅用根据仿真结果，从流场及温度场两个方面确定温度计的位置即可。
首先，根据仿真结果选取流场较为稳定的区域，温度计的位置可以在这段区域内考虑；
其次，根据仿真的各个截面的温度场分布情况，选取同一截面中的不同方位上的温度波动最小的截面作为安装窄量程温度计的截面。
例如，若安装N个温度计，则首先计算每个截面的N个方位的平均温度，然后比较N个方位的温度与平均温度的温度差，选取温度差较小的截面作为安装截面。
上面提到对窄量程温度计110的安装位置的优化，实际上将旁路上的温度计110、120、210、220转移到主管道上后，本发明对温度计110、120、210、220的数量和位置都进行优化。
由于宽量程温度计只是用于显示温度，对其精度要求不高，所以从节约成本的角度考虑，优选的所述热管道100和冷管道200均设置一个宽量程温度计即可。对于热管道100和冷管道200上的宽量程温度计的位置，一般并没有特别的要求，只要放置在热管道100或冷管道200的流量比较平稳的区域内即可，也可以通过参考数据确定，例如其他项目的参考数据，对此并不做限制。
而窄量程温度计的测量信号要用于保护和控制，所以精度要求比宽量程温度计高，一般可以多设置几个窄量程温度计以保证温度的可靠性。
考虑到热管道100存在热分层效应，同一个截面的不同地方可能会有温度差异，因此对于热管道100，设置有垂直于管道轴向布置的多个窄量程温度计110，多个窄量程温度计110位于同一管道截面且沿着管道圆周方向均匀布设，即在同一个截面的不同角度布置，参考图3。
热管道100的窄量程温度计110的位置，即多个窄量程温度计110所在的管道截面距离反应堆压力容器400的轴向距离，是基于流体力学仿真建模分析确定，此部分内容上面已经阐述了。
在确定了截面之后，从成本和与平均温度之间的温度差两个因素考虑，本发明中热管道100的窄量程温度计的数量优选为四个，参考图3所示。也就是说任意两个温度计110之间的角度为90°。
另外还需要确定一个绝对角度，即本领域所用到的安装角度，安装角度定义为：从反应堆压力容器400中心往热管道出口方向看，右上角第一个温度计110与管道水平截面之间的夹角。
在安装角度上，可以根据经验确定几种安装方案。例如：安装角度的3种推荐方案如下：安装角度α＝30°、安装角度α＝45°、安装角度α＝60°。然后对比各种方案的测量温度与截面平均温度的差异，选取温差最小的即可。优选的，安装角度为30°或者45°。
由于热管道100中，随着与反应堆压力容器400的轴向距离的增大，各截面最高温度降低，最低温度升高，截面温差减小，各截面的平均温度基本不变，所以窄量程温度计110一般距离反应堆压力容器400较远，宽量程温度计120优选的设置在窄量程温度计110的上游的流场较为稳定的区域。如图2中，截面D1表示窄量程温度计110所在管道截面，截面D2表示宽量程温度计120所在管道截面。
因为冷管道200上设置有一个主泵600，冷管道200上的温度计全部设置在主泵600下游，由于主泵600的搅浑作用，不存在类似热管道100的分层效应，所以从精度要求以及节省成本两个因素综合考虑，优选的，冷管道200设置有垂直于管道轴向布置的两个窄量程温度计210。同样的，两个窄量程温度计210位于同一管道截面，分布角度上并不做限制，可以是相差90°或者180°等等，参考图3所示，本实施例中两个窄量程温度计210大约相差90°。且两个窄量程温度计210所在的管道截面距离所述反应堆压力容器400的轴向距离为通过主泵600进出口流场分布图确定，可以根据主泵600进出口流场分布图选取流场稳定的区域中的任一管道截面作为安装窄量程温度计210所在的管道截面。
其中，宽量程温度计220位于窄量程温度计210的下游。参考图2中，截面D4表示窄量程温度计210所在管道截面，截面D3表示宽量程温度计220所在管道截面。
从上可知，本实施例中优选的温度计的布置如表2：
表2本发明中各类温度计的布置
相应的，本发明还公开了一种核电站反应堆主管道冷却剂温度测量方法。方法包括：
S0、基于流体力学仿真建模分析确定热管道100上的窄量程温度计110所在的管道截面距离所述反应堆压力容器400的轴向距离；通过主泵600进出口流场分布图确定冷管道200的窄量程温度计210所在的管道截面距离所述反应堆压力容器400的轴向距离；通过参考数据确定热管道100和冷管道200上的宽量程温度计120、220所在的管道截面距离所述反应堆压力容器400的轴向距离；
S1、在热管道100、冷管道200的管壁上开设贯穿管壁的定位孔300，在定位孔300的位置固定连接用于安装温度计的取样接口；其中取样接口的固定连接是通过焊接实现；
S2、在热管道100上设置宽量程温度计120和窄量程温度计110，在冷管道200上设置宽量程温度计220和窄量程温度计210，每个温度计均通过保护套管插入对应的取样接口中匹配连接后伸入定位孔300内。
综上所述，实施本发明的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统以及方法，具有以下有益效果：本发明将现有技术中旁路测温的温度计转移到主管道上，减掉了测温旁路，基于取样接口和保护套管将现有技术中旁路测温的温度计全部都直接布置在主管道上进行测温，能够提高测量的准确度以及测量响应时间，节省了管件材料，减少潜在泄露源，且在将温度计转移到主管道后，热管道上的窄量程温度计所在的管道截面距离压力容器的轴向距离基于流体力学仿真建模分析确定，将该温度计设置在流场和温度场最优的区域。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统，所述主管道包括：
冷管道，用于将蒸汽发生器内的冷却剂导向反应堆压力容器；
热管道,用于将反应堆压力容器内的冷却剂导向蒸汽发生器；
其特征在于，所述系统包括设置在热管道上的宽量程温度计和窄量程温度计，以及设置在冷管道上的宽量程温度计和窄量程温度计；其中，热管道上的窄量程温度计所在的管道截面距离所述反应堆压力容器的轴向距离是基于流体力学仿真建模分析确定；
其中，主管道管壁上固定连接有用于安装温度计的取样接口，且主管道上连接取样接口的区域开设有贯穿管壁的定位孔，每个温度计均通过保护套管插入对应的取样接口中匹配连接后伸入定位孔内。
2.根据权利要求1所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统，其特征在于，所述热管道设置有垂直于管道轴向布置的一个宽量程温度计和多个窄量程温度计，多个窄量程温度计位于同一管道截面且沿着管道圆周方向均匀布设；
其中，所述的基于流体力学仿真建模分析确定包括：利用商用计算流体力学软件仿真得到热管道内的流场及温度场，选取流场稳定的区域，并在该区域内选取N个方位上的温度波动最小的截面作为安装温度计的截面，N为整数，表示热管道上的窄量程温度计的数量。
3.根据权利要求2所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统，其特征在于，所述热管道上的窄量程温度计的数量为四个，且安装角度为30°或者45°，所述安装角度为：反应堆压力容器中心往热管道出口方向上的右上角第一个温度计与管道水平截面之间的夹角。
4.根据权利要求1所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统，其特征在于，所述冷管道上设置有一个主泵，冷管道上的温度计全部设置在主泵下游，所述冷管道设置有垂直于管道轴向布置的一个宽量程温度计和两个窄量程温度计，两个窄量程温度计位于同一管道截面，且两个窄量程温度计所在的管道截面距离所述反应堆压力容器的轴向距离为通过主泵进出口流场分布图确定。
5.根据权利要求1所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统，其特征在于，热管道和冷管道上的宽量程温度计所在的管道截面距离所述反应堆压力容器的轴向距离均通过参考数据确定。
6.一种核电站反应堆主管道冷却剂温度测量方法，其特征在于，基于权利要求1所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量系统实现，所述方法包括：
S0、基于流体力学仿真建模分析确定热管道上的窄量程温度计所在的管道截面距离所述反应堆压力容器的轴向距离；
S1、在热管道和冷管道管壁上开设贯穿管壁的定位孔，在定位孔的位置固定连接用于安装温度计的取样接口；
S2、在热管道上设置宽量程温度计和窄量程温度计，在冷管道上设置宽量程温度计和窄量程温度计，每个温度计均通过保护套管插入对应的取样接口中匹配连接后伸入定位孔内。
7.根据权利要求6所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量方法，其特征在于，所述热管道设置有垂直于管道轴向布置的一个宽量程温度计和多个窄量程温度计，多个窄量程温度计位于同一管道截面且沿着管道圆周方向均匀布设；
其中，所述的基于流体力学仿真建模分析确定包括：利用商用计算流体力学软件仿真得到热管道内的流场及温度场，选取流场稳定的区域，并在该区域内选取N个方位上的温度波动最小的截面作为安装温度计的截面，N为整数，表示热管道上的窄量程温度计的数量。
8.根据权利要求7所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量方法，其特征在于，所述热管道上的窄量程温度计的数量为四个，且安装角度为30°或者45°，所述安装角度为：反应堆压力容器中心往热管道出口方向上的右上角第一个温度计与管道水平截面之间的夹角。
9.根据权利要求6所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量方法，其特征在于，所述冷管道上设置有一个主泵，冷管道上的温度计全部设置在主泵下游，所述冷管道设置有垂直于管道轴向布置的一个宽量程温度计和两个窄量程温度计，两个窄量程温度计位于同一管道截面，
所述步骤S0还包括：通过主泵进出口流场分布图确定冷管道上的窄量程温度计所在的管道截面距离所述反应堆压力容器的轴向距离。
10.根据权利要求6所述的核电站反应堆主管道冷却剂温度测量方法，其特征在于，所述步骤S0还包括：通过参考数据确定热管道和冷管道上的宽量程温度计所在的管道截面距离所述反应堆压力容器的轴向距离。
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