CN110322976B - 一种用于反应堆lpd和dnbr在线保护和监测的实现方法 - Google Patents

一种用于反应堆lpd和dnbr在线保护和监测的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法，包括：采集自给能探测器SPND的实测电流，和反应堆主冷却剂系统的各项实测运行参数；将采集的数据分别传输给上层计算单元和下层计算单元；上层计算单元和下层计算单元进行LPD在线计算和DNBR在线计算；上层计算单元的计算精度高于下层计算单元的计算精度；基于下层计算单元的LDP和DNBR计算结果，向反应堆保护系统提供LPD和DNBR保护输入信号，实现LPD和DNBR保护功能；基于上层计算单元的LDP和DNBR计算结果，实现对反应堆运行状况的监测。通过该方法实现在线监测堆芯各燃料组件轴向各段的LPD和DNBR分布，向反应堆保护系统提供LPD和DNBR保护输入信号，从而提高核电厂运行的安全性和经济性。

Description

一种用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法
技术领域
本发明涉及核安全领域，具体地，涉及一种用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法。
背景技术
压水堆在运行时，要求堆芯工作在泡核沸腾传热方式下，此时的传热效率最高。但当出现某些瞬态导致堆内局部热流密度增大到一定程度时，包壳壁面上产生的气泡在离开壁之前就连成一片，形成汽膜，使热阻变大，传热系数降低，引起包壳温急剧上升，最终导致燃料温度过高而熔毁，此情况即为偏离泡核沸腾（DNB）。为保证反应堆安全，在设计中要求燃料元件表面的最大热流密度小于临界热流密度。为定量表达这个要求，引入了偏离泡核沸腾比（DNBR）；同时为避免堆芯线功率密度过高，引入了线功率密度（LPD）。
在第二代M310机组中，DNBR及LPD的监测均通过采集平均温度、冷却剂压力、主泵转速及轴向功率偏差，计算出DNB和LPD限制函数，然后进行线性化处理。通过将计算值与整定值进行比较而触发停堆功能。此方法可以减少通道的误差，但是存在动态补偿复杂，而且需要将DNB安全限制函数转化为保护系统停堆定值，过程较为繁琐的问题。同时堆芯中子通量密度参数的在线监测仅由堆外核仪表系统完成，在计算精度和响应时间均无法满足反应堆保护的要求。
随着反应堆设计要求的提高，三代核电厂的堆芯测量系统及反应堆主冷却剂系统的各参数测量精度及响应时间有了较大提升。因此可以考虑采用一种新的DNBR和LPD计算和保护方法，用于反应堆保护，以进一步提升核电厂的安全性和经济性。
发明内容
本发明提供了一种用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法，利用三代核电厂堆芯测量系统自给能探测器（SPND）的实测电流，以及反应堆主冷却剂系统的各项实测运行参数，设计一种用于LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法，通过该方法实现在线监测堆芯各燃料组件轴向各段的LPD和DNBR分布，向反应堆保护系统提供LPD和DNBR保护输入信号，从而提高核电厂运行的安全性和经济性。
为实现上述发明目的，本申请提供了一种用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法，所述方法包括：
采集核电厂堆芯测量系统自给能探测器SPND的实测电流，和反应堆主冷却剂系统的各项实测运行参数；
将采集的数据分别传输给上层计算单元和下层计算单元；
上层计算单元和下层计算单元均基于自给能探测器SPND实测电流和反应堆主冷却剂系统实测运行参数进行LPD在线计算和DNBR在线计算；其中，上层计算单元的计算精度高于下层计算单元的计算精度；
基于下层计算单元的LPD和DNBR计算结果，向反应堆保护系统提供LPD和DNBR保护输入信号，实现LPD和DNBR保护功能；
基于上层计算单元的LPD和DNBR计算结果，实现对反应堆运行状况的监测。
进一步的，上层计算单元和下层计算单元均包括若干计算机，同一计算单元的计算机互相独立且冗余，同一计算单元的计算机采用相同的算法同时进行计算。
进一步的，LPD在线计算及监测以固定在堆内的SPND的电流信号为输入，通过计算得出堆芯LPD分布，通过与LPD报警限值比较实现LPD监测和报警功能，LPD在线监测将分为独立且冗余的若干计算系列，每个计算系列均可独立完成全堆的LPD在线监测及报警功能。
进一步的，每个计算系列能够计算每盒燃料组件的理论轴向功率分布曲线，并定出理论保护定值，并结合安全分析给出LPD报警/预保护/保护定值曲线。
进一步的，LPD在线计算包括：
1)电流处理：从两个方面进行处理：堆内探测器实测电流的处理以及真实环境下的探测器理论电流模拟；
2)组件功率拓展：将燃料组件分为若干区段，对于探测器所在层的区段，进行探测器层实测功率计算；对于非探测器所在层，采用耦合系数法进行组件功率径向扩展；在根据插值拟合的方法，进行组件功率轴向扩展；
3)仿真器：将步骤2中的计算结果输入仿真器，进行三维堆芯实时模拟计算反应堆运行状态，获取堆芯功率分布、节块内功率分布、探测器反应率，并预测堆芯氙瞬态变化；
4)功率重构：通过重构燃料组件内局部功率分布，计算功率峰值的位置和大小、探测器处的局部功率；
5)LPD快速计算：建立由探测器电流与该探测器有效影响域内的组件块的功率转换系数，该系数定期或按需传递到下层；每个保护柜所含的探测器有效影响域的集合包含整个堆芯。
进一步的，每个计算系列的保护机柜将根据LPD在线计算结果，拟合出每盒燃料组件的LPD曲线，并将此曲线同将计算出的该盒燃料的LPD报警/预保护/保护定值曲线进行比对，根据相应的判决逻辑，向保护系统送出报警/预保护/保护信号。
进一步的，DNBR在线计算分为若干计算系列，每个计算系列均可独立完成全堆的DNBR计算，DNBR在线计算采用了带修正的单通道热工水力计算模型，通过设置焓升校正因子和质量流速校正因子来考虑燃料组件冷却剂通道间的交混效应。
进一步的，DNBR在线计算包括：
初始化赋值数据；
接口数据输入，即输入核电厂堆芯测量系统自给能探测器SPND的实测电流数据，和反应堆主冷却剂系统的各项实测运行参数数据；
基于输入的接口数据，筛选最恶劣的燃料组件；
对筛选出的燃料组件进行热工水利参数计算；
基于计算出的热工水利参数，进行DNBR计算；
基于DNBR计算的计算结果，进行DNBR裕量计算；
基于DNBR裕量计算结果，输出DNBR在线计算结果。
进一步的，每个计算系列中的DNBR在线保护机柜根据测量系统提供的参数计算出临界热流密度，并结合安全分析给出报警/预保护/保护定值；根据LPD在线计算提供的每盒燃料组件参数及其他热工参数，进一步计算出全堆最小DNBR值及其位置，将此最小DNBR值同报警/预保护/保护定值进行比对，根据相应的判决逻辑，向保护系统送出报警/预保护/保护信号。
进一步的，自给能探测器SPND分为4个系列，每个系列均平均分布在堆芯的四个象限里，并其轴向测量范围能够包络整个堆芯活性段长度；上层计算单元和下层计算单元均安装在保护机柜内，保护机柜包括信号采集和输出模块、信号处理模块、以太网和串行通讯接口模块、数据记录和显示模块；反应堆主冷却剂系统的各项实测运行参数包括：一回路温度、一回路压力、主泵转速、硼浓度、控制棒位置。
本申请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：
采用本发明所述方法，可实现对基于自给能探测器（SPND）测量的反应堆型进行LPD和DNBR的快速计算，并向保护系统提供保护信号输入，实现LPD和DNBR保护功能，提高电厂的安全性；同时可对LPD和DNBR进行精细计算，实现对反应堆运行状况的精确监测，为核电厂换料等提供辅助依据，提高电厂运行的经济性
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；
图1是DNBR在线计算流程示意图；
图2是LPD和DNBR计算及保护系统框图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本方法设计的LPD和DNBR在线计算及保护系统框图如附图所示，系统结构分为上下两层计算单元设计：下层计算单元为快速计算，设置在二到四台相互独立且冗余的计算保护机柜中（保护机柜的数量取决于通道数量），满足响应时间的要求；上层计算单元为精细计算，设置两台冗余的精细计算服务器，用于精细计算燃料组件的LPD和DNBR，满足计算精度要求。为满足保护功能的冗余性和独立性要求，将布置在堆内的SPND分为2到4个独立保护组，每组的信号分别送往对应的LPD和DNBR计算及保护机柜，每台机柜采用相同的算法，计算全堆的LPD和DNBR。为满足保护功能对响应时间的要求，采用简化算法；同时取合适的裕度，以保证保护定值的设置不至于过于保守，确保核电厂的经济性。
LPD在线计算及监测以固定在堆内的SPND的电流信号为输入，通过计算得出堆芯LPD分布，最后通过与LPD报警限值比较实现LPD监测和报警功能。LPD在线监测将分为独立且冗余的四个系列，每个系列均可独立完成全堆的LPD在线监测及报警功能。
每个系列的保护机柜将根据上述条件，计算每盒燃料组件的理论轴向功率分布曲线，并定出理论保护定值，并结合安全分析给出LPD报警/预保护/保护定值曲线。
LPD在线计算主要分为五个步骤：
1)电流处理：从两个方面进行处理：堆内探测器实测电流的处理以及真实环境下的探测器理论电流模拟。
2)组件功率拓展：将燃料组件分为若干区段，对于探测器所在层的区段，进行探测器层实测功率计算；对于非探测器所在层，采用耦合系数法进行组件功率径向扩展；在根据插值拟合的方法，进行组件功率轴向扩展。
3)仿真器：将上述计算结果输入仿真器，进行三维堆芯实时模拟计算反应堆运行状态，获取堆芯功率分布、节块内精细功率分布、探测器反应率，并预测堆芯氙瞬态变化。
4)精细功率重构：通过重构燃料组件内局部功率分布，计算功率峰值的位置和大小、探测器处的局部功率。
5)LPD快速计算：建立由探测器电流与该探测器有效影响域内的组件块的功率转换系数，该系数由精细计算软件计算，定期或按需传递到下层；每个保护柜所含的探测器有效影响域的集合包含整个堆芯，这样就能根据该组探测器电流和相应的转换系数方便得到全堆LPD分布。
同时，每个系列的保护机柜将根据LPD在线计算结果，拟合出每盒燃料组件的LPD曲线，并将此曲线同将计算出的该盒燃料的LPD报警/预保护/保护定值曲线进行比对，根据相应的判决逻辑，向保护系统送出报警/预保护/保护信号。
DNBR在线计算同样分为二到四个系列，每个系列均可独立完成全堆的DNBR计算。DNBR在线计算采用了带修正的单通道热工水力计算模型，通过设置焓升校正因子和质量流速校正因子来考虑燃料组件冷却剂通道间的交混效应，在进行快速DNBR计算的同时保证了计算精度。快速计算步骤如下：
同LPD保护定值的设定类似，每个系列DNBR在线保护机柜根据测量系统提供的参数按照上述模型计算出临界热流密度，并结合安全分析给出报警/预保护/保护定值。同时根据LPD在线计算提供的每盒燃料组件参数及其他热工参数，进一步按在线快速计算模型计算出全堆最小DNBR值及其位置，将此最小DNBR值同报警/预保护/保护定值进行比对，根据相应的判决逻辑，向保护系统送出报警/预保护/保护信号。
本方法对应的计算整套系统包括若干组集成好的SPND探测器，4台LPD和DNBR计算及保护机柜（4个独立通道）和2台LPD和DNBR精细计算服务器（互为热备用）。探测器分为4个系列，每个系列均平均分布在堆芯的四个象限里，并其轴向测量范围能够包络整个堆芯活性段长度；机柜由信号（模拟量、数字量）采集和输出模块、信号处理模块、以太网和串行通讯接口模块、数据记录和显示模块组成。
本发明以三代压水堆核电厂为例，根据所能获取的电厂参数特性，设计了一种LPD和DNBR在线保护和监测功能的实现方法和系统结构。采用本发明提出的方法和系统结构，实现了对核电厂LPD和DNBR在线计算及保护的功能需求。
本发明配置的一套分层、多冗余的系统结构，下层计算单元设置的四台冗余的计算保护机柜，实现四路冗余计算和信号输出，并与保护系统的2/4（四取二）逻辑匹配；上层计算单元设置的两台精细计算服务器（一台热备用），实现LPD和DNBR精细计算，实现精确监测。
本发明提出的LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法和系统结构，依托于“华龙一号”项目，其在线计算及监测的功能已用于福清核电站5、6号机组堆芯测量系统，并且具备了输出LPD和DNBR保护信号的能力。基于本发明的方法，可用于其他有LPD和DNBR在线计算及保护要求的三代核电厂。
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 (8)

1.一种用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法，其特征在于，所述方法包括：
采集核电厂堆芯测量系统自给能探测器SPND的实测电流，和反应堆主冷却剂系统的各项实测运行参数；
将采集的数据分别传输给上层计算单元和下层计算单元；
上层计算单元和下层计算单元均基于自给能探测器SPND实测电流和反应堆主冷却剂系统实测运行参数进行LPD在线计算和DNBR在线计算；其中，上层计算单元的计算精度高于下层计算单元的计算精度；
LPD在线计算包括：
1)电流处理：从两个方面进行处理：堆内探测器实测电流的处理以及真实环境下的探测器理论电流模拟；
2)组件功率拓展：将燃料组件分为若干区段，对于探测器所在层的区段，进行探测器层实测功率计算；对于非探测器所在层，采用耦合系数法进行组件功率径向扩展；再根据插值拟合的方法，进行组件功率轴向扩展；
3)仿真器：将步骤2）中的计算结果输入仿真器，进行三维堆芯实时模拟计算反应堆运行状态，获取堆芯功率分布、节块内功率分布、探测器反应率，并预测堆芯氙瞬态变化；
4)功率重构：通过重构燃料组件内局部功率分布，计算功率峰值的位置和大小、探测器处的局部功率；
5)LPD快速计算：建立由探测器电流与该探测器有效影响域内的组件块的功率转换系数，该系数定期或按需传递到下层；每个保护柜所含的探测器有效影响域的集合包含整个堆芯；
DNBR在线计算包括：
初始化赋值数据；
接口数据输入，即输入核电厂堆芯测量系统自给能探测器SPND的实测电流数据，和反应堆主冷却剂系统的各项实测运行参数数据；
基于输入的接口数据，对燃料组件进行筛选；
对筛选出的燃料组件进行热工水利参数计算；
基于计算出的热工水利参数，进行DNBR计算；
基于DNBR计算的计算结果，进行DNBR裕量计算；
基于DNBR裕量计算结果，输出DNBR在线计算结果；
基于下层计算单元的LPD和DNBR计算结果，向反应堆保护系统提供LPD和DNBR保护输入信号，实现LPD和DNBR保护功能；
基于上层计算单元的LPD和DNBR计算结果，实现对反应堆运行状况的监测。
2.根据权利要求1所述的用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法，其特征在于，上层计算单元和下层计算单元均包括若干计算机，同一计算单元的计算机互相独立且冗余，同一计算单元的计算机采用相同的算法同时进行计算。
3.根据权利要求1所述的用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法，其特征在于，LPD在线计算及监测以固定在堆内的SPND的电流信号为输入，通过计算得出堆芯LPD分布，通过与LPD报警限值比较实现LPD监测和报警功能，LPD在线监测将分为独立且冗余的若干计算系列，每个计算系列均可独立完成全堆的LPD在线监测及报警功能。
4.根据权利要求3所述的用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法，其特征在于，每个计算系列能够计算每盒燃料组件的理论轴向功率分布曲线，并定出理论保护定值，并结合安全分析给出LPD报警/预保护/保护定值曲线。
5.根据权利要求3所述的用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法，其特征在于，每个计算系列的保护机柜将根据LPD在线计算结果，拟合出每盒燃料组件的LPD曲线，并将此曲线同将计算出的该盒燃料的LPD报警/预保护/保护定值曲线进行比对，根据相应的判决逻辑，向保护系统送出报警/预保护/保护信号。
6.根据权利要求1所述的用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法，其特征在于，DNBR在线计算分为若干计算系列，每个计算系列均可独立完成全堆的DNBR计算，DNBR在线计算采用了带修正的单通道热工水力计算模型，通过设置焓升校正因子和质量流速校正因子来考虑燃料组件冷却剂通道间的交混效应。
7.根据权利要求6所述的用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法，其特征在于，每个计算系列中的DNBR在线保护机柜根据测量系统提供的参数计算出临界热流密度，并结合安全分析给出报警/预保护/保护定值；根据LPD在线计算提供的每盒燃料组件参数及其他热工参数，进一步计算出全堆最小DNBR值及其位置，将此最小DNBR值同报警/预保护/保护定值进行比对，根据相应的判决逻辑，向保护系统送出报警/预保护/保护信号。
8.根据权利要求1所述的用于反应堆LPD和DNBR在线保护和监测的实现方法，其特征在于，自给能探测器SPND分为4个系列，每个系列均平均分布在堆芯的四个象限里，并其轴向测量范围能够包络整个堆芯活性段长度；上层计算单元和下层计算单元均安装在保护机柜内，保护机柜包括信号采集和输出模块、信号处理模块、以太网和串行通讯接口模块、数据记录和显示模块；反应堆主冷却剂系统的各项实测运行参数包括：一回路温度、一回路压力、主泵转速、硼浓度、控制棒位置。
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