CN109185113B - 一种核主泵空化状态监控系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种核主泵空化状态监控方法，包括如下步骤：压力数据采集：采集核主泵进口的压力脉动数据；确定低频信号变量；确定主频信号变量；构造判断空化状态函数；构造阙值函数；求解临界空化点；所述核主泵的进口位置安装瞬态压力传感器，所述控制系统接收瞬态压力传感器输出的信号；所述控制系统判断核主泵是否出现空化状态。本发明可以判断核主泵是否出现空化状态。

Description

一种核主泵空化状态监控系统及方法
技术领域
本发明涉及核主泵监控领域，特别涉及一种核主泵空化状态监控系统及方法。
背景技术
在核电站安全评价体系中，发生破口失水事故(LOCA)时核主泵的安全性能是必须考虑的。破口失水事故是指核电站因反应堆冷却剂系统主管道发生破裂而造成的冷却剂丧失事件，破口事故会造成核主泵压力边界的破损并导致一系列的连锁事故，甚至导致堆芯烧毁而引发核泄漏事故，是核电站设计的主要基准事故之一。按照破口位置的不同，破口失水事故分为进口破口失水事故和出口破口失水事故；根据破口面积的大小，破口失水事故又可分为小破口失水事故(SBLOCA)和大破口失水事故(LBLOCA)。当大破口发生在冷却剂进口管路时，核主泵进口压力迅速降低，在出口高压的作用下极可能出现核主泵正转而冷却剂逆向流动的现象，此时核主泵处于正转逆流工况；在此工况下，空化现象同样会随着压力的降低而产生。与核主泵工况截然不同，在正转逆流工况下，核主泵的扬程随着泵内空化的发展不断增加，已经不能利用NPSH3来判断核主泵内的空化状态。
经检索，未见判断核主泵在正转逆流工况下空化状态的相关专利或文章的公开报道。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种核主泵空化状态监控系统及方法，可以判断核主泵是否出现空化状态。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种核主泵空化状态监控方法，包括如下步骤：
压力数据采集：采集核主泵进口的压力脉动数据；
确定低频信号变量在压力脉动数据中，选取其中幅值变化明显的低频信号作为低频目标频率Fj；对所述低频信号进行量化，构造低频目标频率为Fj时的低频信号变量
其中：
Fj为选取的第j个低频目标频率，1≤j＜N，N为自然数；
为当低频目标频率Fj时，第i次试验所获取的频域幅值，1≤i＜M，M为自然数；
为当低频目标频率Fj时的低频信号变量；
为未发生空化时，低频目标频率Fj采集n次的平均幅值，n为采集次数；
确定主频信号变量Bi：在压力脉动数据中，选取其中主频信号fn信号量化，构造主频信号变量Bi：
其中：
bi为主频信号fn在第i次试验所获取的频域幅值；
Bi为主频信号变量；
B0为未发生空化时，主频信号fn采集n次的平均幅值，n为采集次数；
构造判断空化状态函数σi：利用低频信号变量与主频信号变量Bi构造判断空化状态函数σi为：
构造阙值函数τi：根据判断空化状态函数σi构造阙值函数τi为
其中：为未空化时σi的平均值，此值可以通过数值模拟的方式获得；
求解临界空化点：通过插值法求得临界空化点，当检测出的σi值大于临界空化点的值时，判定当前为空化状态。
进一步，所述和bi的值均采用量纲均一化处理，即：
其中：
pa为低频目标频率Fj时的瞬态静压值，KPa；
为低频目标频率Fj时的平均静压值，KPa；
pb为主频信号fn时的瞬态静压值，KPa；
为主频信号fn时的平均静压值，KPa；
ρ为流体密度，kg/m3；
u为叶轮转速，rad/s。
进一步，所述低频目标频率Fj的范围0＜Fj＜fn。
进一步，所述临界空化点为τi＝2.5％时的σi值。
进一步，所述压力脉动信号的监测位置为核主泵的进口位置，采用瞬态压力传感器检测并输入控制系统。
进一步，包括瞬态压力传感器和控制系统，所述核主泵的进口位置安装瞬态压力传感器，所述控制系统接收瞬态压力传感器输出的信号；所述控制系统判断核主泵是否出现空化状态。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的核主泵空化状态监控方法，通过算法计算出临界空化点，用于判断核主泵是否出现空化状态。
2.本发明所述的核主泵空化状态监控方法，适用于核主泵的全特性工况。
3.本发明所述的核主泵空化状态监控系统，所需设备简单，只需要监控核主泵进口处的压力脉动便可实现。
附图说明
图1为本发明所述核主泵空化状态监控方法流程图。
图2为本发明所述的阙值函数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
通过瞬态压力传感器监测静压值。发生空化时，核主泵进口的压力脉动频谱会发生显著的变化：在正转核主泵工况下，核主泵进口主频即轴频的幅值会出现先稍有增大后快速降低的趋势，而在低频区则会出现快速增强的低频信号；在正转逆流工况下，核主泵进口的压力脉动主频幅值呈递减趋势，低频信号幅值则持续增大。由于空化状态会使上述频率的幅值发生特定地变化，因此可以利用这些压力脉动信号的幅值构造函数来对核主泵内的空化状态进行判断。
如图1所示，本发明所述的核主泵空化状态监控方法，包括如下步骤：
压力数据采集：采集核主泵进口的压力脉动数据；选取低频目标频率F1＝0.42Hz，F2＝2.92Hz，F3＝17.92Hz，F4＝19.17Hz，主频信号fn为48.3Hz。
确定低频信号变量在压力脉动数据中，选取其中幅值变化明显的低频信号作为低频目标频率Fj；对所述低频信号进行量化，构造低频目标频率为Fj时的低频信号变量
其中：
Fj为选取的第j个低频目标频率，1≤j＜N，N为自然数；
为当低频目标频率Fj时，第i次试验所获取的频域幅值，1≤i＜M，M为自然数；
为当低频目标频率Fj时的低频信号变量；
为未发生空化时，低频目标频率Fj采集n次的平均幅值；n为采集次数，n不小于200次。
确定主频信号变量Bi：在压力脉动数据中，选取其中主频信号fn信号量化，构造主频信号变量Bi：
其中：
bi为主频信号fn在第i次试验所获取的频域幅值；
Bi为主频信号变量；
B0为未发生空化时，主频信号fn采集n次的平均幅值；n为采集次数，n不小于200次。
构造判断空化状态函数σi：利用低频信号变量与主频信号变量Bi构造判断空化状态函数σi为：
如图2所示，为低频目标频率F1＝0.42Hz、F2＝2.92Hz、F3＝17.92Hz、F4＝19.17Hz下的曲线，主频信号fn为48.3Hz下的Bi曲线以及构造函数σi的数值曲线，其中，曲线与Bi曲线共用左边的纵坐标，构造函数σi的数值曲线使用右边的纵坐标。
构造阙值函数τi：根据判断空化状态函数σi构造阙值函数τi为
其中：为未空化时σi的平均值，此值可以通过数值模拟的方式获得；
求解临界空化点：通过插值法求得临界空化点，当检测出的σi值大于临界空化点的值时，判定当前为空化状态。
所述和bi的值均采用量纲均一化处理，即：
其中：
pa为低频目标频率Fj时的瞬态静压值，KPa；
为低频目标频率Fj时的平均静压值，KPa；
pb为主频信号fn时的瞬态静压值，KPa；
为主频信号fn时的平均静压值，KPa；
ρ为流体密度，kg/m3；
u为叶轮转速，rad/s。
最终得到如图2所示的阙值函数曲线图，通过插值法求得τi＝2.5％时σi的值，此数值即临界空化点。求得此时构造函数值σi＝-0.0284，利用插值法求得此时进口压力约为-69kpa，这与试验测得的临界空化点(P＝-70kpa)相差不大，证明了本发明是具有可实施性的。
目标频率选取的越多，最终的预测结果越接近实际情况。
本发明所述的核主泵空化状态监控系统，包括瞬态压力传感器和控制系统，所述核主泵的进口位置安装瞬态压力传感器，所述控制系统接收瞬态压力传感器输出的信号；所述控制系统根据本发明所述的核主泵空化状态监控方法，判断核主泵是否出现空化状态。所述控制系统可以内置数据分析模块和判定模块，这个可以根据控制系统自行设计。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种核主泵空化状态监控方法，其特征在于，包括如下步骤：
压力数据采集：采集核主泵进口的压力脉动数据；
确定低频信号变量在压力脉动数据中，选取其中幅值变化明显的低频信号作为低频目标频率Fj；对所述低频信号进行量化，构造低频目标频率为Fj时的低频信号变量
其中：
Fj为选取的第j个低频目标频率，1≤j＜N，N为自然数；
为当低频目标频率Fj时，第i次试验所获取的频域幅值，1≤i＜M，M为自然数；
为当低频目标频率Fj时的低频信号变量；
为未发生空化时，低频目标频率Fj采集n次的平均幅值，n为采集次数；
确定主频信号变量Bi：在压力脉动数据中，选取其中主频信号fn信号量化，构造主频信号变量Bi：
其中：
bi为主频信号fn在第i次试验所获取的频域幅值；
Bi为主频信号变量；
B0为未发生空化时，主频信号fn采集n次的平均幅值，n为采集次数；
构造判断空化状态函数σi：利用低频信号变量与主频信号变量Bi构造判断空化状态函数σi为：
构造阙值函数τi：根据判断空化状态函数σi构造阙值函数τi为
其中：为未空化时σi的平均值，此值可以通过数值模拟的方式获得；
求解临界空化点：通过插值法求得临界空化点，当检测出的σi值大于临界空化点的值时，判定当前为空化状态。
2.根据权利要求1所述的核主泵空化状态监控方法，其特征在于，所述和bi的值均采用量纲均一化处理，即：
其中：
pa为低频目标频率Fj时的瞬态静压值，KPa；
为低频目标频率Fj时的平均静压值，KPa；
pb为主频信号fn时的瞬态静压值，KPa；
为主频信号fn时的平均静压值，KPa；
ρ为流体密度，kg/m3；
u为叶轮转速，rad/s。
3.根据权利要求1所述的核主泵空化状态监控方法，其特征在于，所述低频目标频率Fj的范围0＜Fj＜主频信号fn的频率。
4.根据权利要求1所述的核主泵空化状态监控方法，其特征在于，所述临界空化点为τi＝2.5％时的σi值。
5.根据权利要求1所述的核主泵空化状态监控方法，其特征在于，所述压力脉动信号的监测位置为核主泵的进口位置，采用瞬态压力传感器检测并输入控制系统。
6.一种的核主泵空化状态监控系统，其特征在于，包括瞬态压力传感器和控制系统，所述核主泵的进口位置安装瞬态压力传感器，所述控制系统接收瞬态压力传感器输出的信号；所述控制系统根据权利要求1-5任一项所述的核主泵空化状态监控方法，判断核主泵是否出现空化状态。
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