CN113571214B - 一种安全壳喷淋系统可用性试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种安全壳喷淋系统可用性试验方法，包括：向安全壳喷淋环管中通入热压缩空气，以将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头消除材料特性所构成的试验成像特性，计算在试验温度Te下，每个红外热成像仪在其成像范围内的喷头处于不同状态下所构成的计算成像特性集合，将每个红外探测仪的试验成像特性与其计算成像特性集合中的各计算成像特性对比，得出与试验成像特性最接近的计算成像特性，从而得出所述红外探测仪成像范围内不可用喷头的数量及位置。本发明基于对试验气态热流质红外热成像分析，能够准确确定安全壳喷淋环管的可用性，且明显降低了试验难度，提供了更为精确的试验结果。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种安全壳喷淋系统可用性试验方法。
背景技术
安全壳喷淋系统属于核电厂事故缓解的重要系统。在核电厂发生蒸汽管道破裂或失水事故时，高温、高压蒸汽被释放出来，致使安全壳内温度和压力升高，安全壳喷淋系统通过温度较低的含硼水对安全壳内大气进行喷淋，冷凝蒸汽，使安全壳内降温降压，以确保安全壳的完整性。在一些压水堆核电厂设计中，安全壳喷淋系统是发生大破口失水事故后唯一用于排出安全壳内热量的系统，因此，安全壳喷淋系统的可用性直接影响核电厂的事故处理能力。其定位为核电厂事故处理专设安全设施，功能为核安全相关功能。此外，在电站投入运行期间，在反应堆停堆后，安全壳喷淋还可用于消防功能，防止在反应堆厂房发生火灾蔓延。
安全壳喷淋系统通常由两个相同的系列组成，每个系列包括一台喷淋泵、一台热交换器、位于安全壳穹顶下不同高度的两组喷淋环管、联接各设备的管道以及一条泵试验管道。
目前核电厂一般通过在不同的时间周期完成可用性论证试验的方式来为保证安全壳喷淋系统功能可用。包括确定阀门，泵可用性试验，热交换器性能试验，传感器可用性试验等。对于环管及喷头的可用性，由于其设计布置在安全壳穹顶，试验难度较大，目前通常采用环管通压缩空气，通过喷头处风标动作等方式判断是否堵塞。但风标动作受环境影响较大，且不易对应到具体喷头状态，试验结果只能粗略评价环管及喷头状态，无法准确判断系统的可用性。另一方面，由于安全壳穹顶相对高度较高，试验时需临时布置风标，布置难度大，所需试验时间耗时长。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种提高试验结果精确可靠性、降低试验难度的安全壳喷淋系统可用性试验方法。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种安全壳喷淋系统可用性试验方法，包括：
在安全壳内不同位置布置红外探测仪，所述安全壳内的红外成像仪成像范围覆盖安全壳内的所有喷头，
向安全壳喷淋环管中通入热压缩空气，以将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头消除材料特性所构成的试验成像特性，
计算在试验温度Te下，每个红外热成像仪在其成像范围内的喷头处于不同状态下所构成的计算成像特性集合，所述不同状态包括可用状态和不可用状态，
将每个红外探测仪的试验成像特性与其计算成像特性集合中的各计算成像特性对比，得出与试验成像特性最接近的计算成像特性，从而得出所述红外探测仪成像范围内不可用喷头的数量及位置，将每个红外探测仪成像范围内不可用喷头的数量及位置汇总，得到安全壳内不可用喷头的数量及位置。
可选地，向安全壳喷淋环管中通入加热压缩空气，以将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头消除材料特性所构成的试验成像特性，包括：
采用辐照加热方式将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头所构成的标定成像特性，
向安全壳内的喷淋环管中通入加热压缩空气，至将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te后，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头所构成的喷淋成像特性，
将每个红外探测仪的喷淋成像特性消减掉其标定成像特性，得到每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头消除材料特性所构成的试验成像特性。
可选地，所述计算在试验温度Te下，每个红外热成像仪在其成像范围内的喷头处于不同状态下所构成的计算成像特性集合，其中，
某一喷头的辐照亮度I(T)与其表面温度T的关系满足I(T)＝A·Tn，其中，A和n为常数，当所述喷头处于可用状态时，T＝Te，当所述喷头处于不可用状态时，T取小于Te的数值。
可选地，设某一红外热成像仪在其成像范围内共有n个喷头，所述红外热成像仪在其成像范围内的喷头处于不同状态的情况包括：
所有喷头均可用的情况，
其中一个喷头不可用的情况，根据位置不同，一个喷头不可用的情况共有种情况，
其中两个喷头不可用的情况，根据位置不同，两个喷头不可用的情况共有种情况，
以此类推，至所有喷头均不可用的情况。
可选地，在压缩空气源与安全壳喷淋环管相连的管道上设置辅助加热器，以辅助将安全壳喷淋系统加热至Te。
可选地，在压缩空气源与安全壳喷淋环管相连的管道靠近安全壳喷淋环管的一端设置温度计，以监测安全壳喷淋系统的温度。
本发明中，通过向安全壳喷淋的环管中通入热压缩空气，经安全壳内布置的红外探测仪获得所有喷头的试验成像特性，再与各喷头不同状态下计算所得的计算成像特性集合中的各计算成像特性对比，得出与试验成像特性最接近的计算成像特性，从而可准确得出安全壳喷淋系统中不可用喷头的数量及位置。相对传统试验方法验收结果可信度低、试验方法难度大的缺陷，本发明基于对试验气态热流质红外热成像分析，能够准确确定安全壳喷淋环管的可用性，且明显降低了试验难度，提供了更为精确的试验结果，具有更高的可执行性，且适用于包括压水堆核电厂在内的不同堆型的安全壳喷淋系统的可用性试验。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的安全壳喷淋系统可用性试验方法的结构简图；
图2为本发明实施例1提供的安全壳喷淋系统可用性试验方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种安全壳喷淋系统可用性试验方法，包括：
在安全壳内不同位置布置红外探测仪，所述安全壳内的红外成像仪成像范围覆盖安全壳内的所有喷头，
向安全壳喷淋环管中通入热压缩空气，以将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头消除材料特性所构成的试验成像特性，
计算在试验温度Te下，每个红外热成像仪在其成像范围内的喷头处于不同状态下所构成的计算成像特性集合，所述不同状态包括可用状态和不可用状态，
将每个红外探测仪的试验成像特性与其计算成像特性集合中的各计算成像特性对比，得出与试验成像特性最接近的计算成像特性，从而得出所述红外探测仪成像范围内不可用喷头的数量及位置，将每个红外探测仪成像范围内不可用喷头的数量及位置汇总，得到安全壳内不可用喷头的数量及位置。
实施例1：
本实施例提供一种安全壳喷淋系统可用性试验方法，包括：
在安全壳内不同位置布置红外探测仪，安全壳内的红外成像仪成像范围覆盖安全壳内的所有喷头，
向安全壳喷淋环管中通入热压缩空气，以将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头消除材料特性所构成的试验成像特性，
计算在试验温度Te下，每个红外热成像仪在其成像范围内的喷头处于不同状态下所构成的计算成像特性集合，所述不同状态包括可用状态和不可用状态，
将每个红外探测仪的试验成像特性与其计算成像特性集合中的各计算成像特性对比，得出与试验成像特性最接近的计算成像特性，从而得出所述红外探测仪成像范围内不可用喷头的数量及位置，将每个红外探测仪成像范围内不可用喷头的数量及位置汇总，得到安全壳内不可用喷头的数量及位置。
由此，通过向安全壳喷淋的环管中通入热压缩空气，经安全壳内布置的红外探测仪获得所有喷头的试验成像特性，再与各喷头不同状态下计算所得的计算成像特性集合中的各计算成像特性对比，得出与试验成像特性最接近的计算成像特性，从而可准确得出安全壳喷淋系统中不可用喷头的数量及位置。相对传统试验方法验收结果可信度低、试验方法难度大的缺陷，本发明基于对试验气态热流质红外热成像分析，能够准确确定安全壳喷淋环管的可用性，且明显降低了试验难度，提供了更为精确的试验结果，具有更高的可执行性，且适用于包括压水堆核电厂在内的不同堆型的安全壳喷淋系统的可用性试验。
本实施例中，向安全壳喷淋环管中通入加热压缩空气，以将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头消除材料特性所构成的试验成像特性，包括：
采用辐照加热方式将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头所构成的标定成像特性，
向安全壳内的喷淋环管中通入加热压缩空气，至将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te后，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头所构成的喷淋成像特性，
将每个红外探测仪的喷淋成像特性消减掉其标定成像特性，得到每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头消除材料特性所构成的试验成像特性。
由此，通过不同加热方式的材料及环境红外热成像干扰消除方法，以提高试验结果精度。
本实施例中，所述计算在试验温度Te下，每个红外热成像仪在其成像范围内的喷头处于不同状态下所构成的计算成像特性集合，其中，
某一喷头的辐照亮度I(T)与其表面温度T的关系满足I(T)＝A·Tn，其中，A和n为常数，当所述喷头处于可用状态时，T＝Te，当所述喷头处于不可用状态时，T取小于Te的数值。
本实施例中，设某一红外热成像仪在其成像范围内共有n个喷头，所述红外热成像仪在其成像范围内的喷头处于不同状态的情况包括：
所有喷头均可用的情况，
其中一个喷头不可用的情况，根据位置不同，一个喷头不可用的情况共有种情况，
其中两个喷头不可用的情况，根据位置不同，两个喷头不可用的情况共有种情况，
以此类推，至所有喷头均不可用的情况。
从而能够将安全壳内所有喷头的不同情况均考虑进去，为验成像特性提供全面的对比数据。
本发明的发明历程如下：
本发明首次提出基于红外热成像技术确定安全壳喷淋可用性，因此需结合于红外热成像技术特点及安全壳喷淋设计制定可行的试验方案；
需确定安全壳喷淋系统不同可用性情况下红外特性分布，以作为试验的判断基准；
不同材料的红外成像特性存在差异，需要减少由于材料类型差异及环境影响导致的红外热成像结果的干扰；
需完成基于红外热成像确定喷头可用性的试验验收准则，以确保试验结果的合理可靠。
综上，为解决上述问题，本发明提出了上述的基于红外热成像技术的核电厂安全壳喷淋可用性试验方法。如图2所示：
(1)试验方案
核电厂安全壳内布置有数量庞杂的电气设备，其中部分电气设备与核安全密切相关。因此，除非发生事故或异常工况需要投运安全壳喷淋，正常情况下，应避免安全壳喷淋管线喷淋威胁设备安全。因此，在本试验方案中，选取压缩空气作为试验流质。
具体试验方案结构简图参见图1，热压缩空气源6与安全壳喷淋系统环管2连通，二者连通的管道上依次设有隔离阀5、辅助加热器4和温度计3。安全壳喷淋系统环管2上安装多个喷头1。
为强化试验中喷淋热成像效果，增加喷头外流质温度梯度，本方案通过在安全壳喷淋系统管道上增加辅助加热器4，以及在试验中使用加热压缩空气。
通过在安全壳内不同位置设置红外热成像仪7，以获取试验过程中安全壳内的红外热成像，通过分析图片上成像异常区域确定不可用喷头位置。
(2)确定测温模型
红外热成像过程中，热成像所能够探测到的有效红外辐射量主要有：待检测目标表面的自身辐射量、大气辐射量值以及环境反射的辐射量值。只有待检测目标表面的自身辐射才能真正反映物体表面辐射能量密度的分布情况。
红外热成像仪的原理是将目标物体的红外热辐射转化为电信号，再把处理过的电信号转化为可视图像。根据其测量原理，红外热成像仪成像辐射温度特性I(Tr)与真实温度特性I(T0)，环境温度特性I(Tu)，材料辐射率ε，大气透射率г，环境吸收率α，环境热源相关：
I(Tr)＝г·[ε(T0)·I(T0)+(1-α)·I(Tu)]+αε(Tα)I(Tα)
本试验方案中，假设无环境热源，即ε(Tα)＝0。通过对试验所选气体流质进行等效灰体处理，即α＝ε(T0)，辐射温度特性关系式为：
I(Tr)＝г·[ε(T0)·I(T0)+(1-ε(T0))·I(Tu)]
在材料发射率ε(T0)等于1时，成像仪辐射温度特性与真实温度特性相同。而根据普朗克辐射定律及红外热成像仪特性，在特定波长范围内，辐照亮度I(T)与表面温度T的关系近似满足I(T)＝A·Tn的关系，在特定光谱响应区间，A和n通常可取常数。即此时热成像可准确反映实际温度，成像与测量温度场直接相关。根据(1)中试验方案，由喷淋系统可用的喷头喷出的加热压缩空气在安全壳内形成一定的温度场，其与完全不可用喷头或部分不可用喷头的温度场存在差异，通过模拟计算获取安全壳喷淋系统喷头处于可用或不可用状态的所有情况的温度场，进而根据上述辐照亮度I(T)与表面温度T的关系式获得与各温度场对应的辐射场，以作为试验结果评判的基准。
具体地，当某一喷头处于可用状态时，T取试验温度Te，当该喷头处于不可用状态时，T取小于Te的数值。
(3)消除材料及环境干扰
为保证核电厂安全壳喷淋效果，系统设计通常较为复杂，包括固定在穹顶的多组喷淋环管，以及不同环管上布置得数百个喷头。这些设备的热特性势必对试验红外热成像结果的分析造成干扰。
安全壳内喷淋系统接触含硼水部分通常设计为奥氏体不锈钢等金属材料。对于金属材料而言，其发射率较低，且随真实温度的升高而增加。因此，只有在真实温度大致相同的情况下，表面发射率可视为相等。因此，本发明在所选试验加热方法外，通过不同的加热方法获取相同真实温度下红外热成像图，以消除由于材料特性而造成的成像干扰。
喷淋系统环管及喷头可视为灰体，故α与ε相同。由(2)中测温模型可知，对喷淋系统采用辐照换热等非试验方案加热方式，将系统温度加热至试验温度Te，此时获取系统标定成像特性I(Tr1)＝г·[ε(Te)·I(Te)+(1-ε(Te))·I(Tu)]
其中Tr1为辐照加热下对应的设备辐射温度，Tu为环境温度。
采用(1)中试验方案(热压缩空气)将系统加热至试验温度Te，此时I(Tr2)＝г·[ε(Te)·I(Te)+(1-ε(Te))·I(Tu)]。Tr2为试验加热条件下对应的设备辐射温度。
在环管及喷头材料无泄漏时，在环境温度Tu相同的情况下，由于Te相同，可得I(Tr1)＝I(Tr2)，即两者热成像分布相同。
本方案通过在试验中，将试验所得红外辐射成像特性矩阵与标定成像特性矩阵相减，即可获取消除材料特性，获得强喷淋特性的试验红外热成像特性。
(4)确定可用性试验准则
通过试验测量获取的试验成像特性Ie，结合(3)中方法消除材料及环境干扰后所得If。基于(2)中所计算获取试验温度Te下的不同可用性状态下的基准I1，I2…Im。通过将试验所得成像特性分布If与计算成像特性分布集合{I1，I2…Im}中各基准进行比较，以定位不可用喷嘴数量，可用程度及位置。若试验结果满足基于核电厂事故分析确定在应对系统设计基准事故中所需的喷嘴可用数量，可用程度及分布要求，则说明安全壳喷淋系统环管及喷头喷淋功能可用。
以下通过一具体实例来阐述本发明：
本实例针对某压水堆核电厂安全壳喷淋系统设计，该电厂安全壳喷淋设计有四组环形喷淋环管以反应堆厂房中心线进行布置，厂房内标高约40m。其设计约500个喷头，呈网格对称布置。基于本专利完成试验方案设计及改造。在环管上增加加热组件。并在喷头环管连接处增加50个温度计。试验所选用流质为温度为T0压缩空气，流量为F0，试验温度定为对应各温度计读数为Te时的温度。热成像仪布置在与喷淋管网中心下的反应堆厂房楼层。
根据喷淋管网及喷头设计，建立温度场分析模型。基于该模型，在给定试验条件下，获取喷头处于可用或不可用状态的所有情况所获得的喷淋温度场。
标定试验条件下红外热成像仪不同波长特性，确定参数A及n。并结合喷淋温度场计算确定辐射特性分布场{I1，I2…Im}。
本实例中通过辐射加热的方式对对象核电厂安全壳喷淋试验管网进行加热，直至试验温度计读数与试验读数Te一致。并获取辐射特性分布I2(Te)。
同T0压缩空气，在温度计温度达到Te时，采集红外热成像特性I1(Te)。并结合I2(Te)，获取喷淋特性If(Te)。
基于对象核电厂安全壳喷淋系统设计基准事故分析，确定要求可用的喷头数量为400。
基于{I1，I2…Im}及If(Te)比对分析，确定喷淋异常喷头数小于100，试验结果满足系统要求。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种安全壳喷淋系统可用性试验方法，其特征在于，包括：
在安全壳内不同位置布置红外探测仪，所述安全壳内的红外成像仪成像范围覆盖安全壳内的所有喷头，
向安全壳喷淋环管中通入热压缩空气，以将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头消除材料特性所构成的试验成像特性，
计算在试验温度Te下，每个红外热成像仪在其成像范围内的喷头处于不同状态下所构成的计算成像特性集合，所述不同状态包括可用状态和不可用状态，
将每个红外探测仪的试验成像特性与其计算成像特性集合中的各计算成像特性对比，得出与试验成像特性最接近的计算成像特性，从而得出所述红外探测仪成像范围内不可用喷头的数量及位置，将每个红外探测仪成像范围内不可用喷头的数量及位置汇总，得到安全壳内不可用喷头的数量及位置；
设某一红外热成像仪在其成像范围内共有n个喷头，所述红外热成像仪在其成像范围内的喷头处于不同状态的情况包括：
所有喷头均可用的情况，
其中一个喷头不可用的情况，根据位置不同，一个喷头不可用的情况共有种情况，
其中两个喷头不可用的情况，根据位置不同，两个喷头不可用的情况共有种情况，
以此类推，至所有喷头均不可用的情况。
2.根据权利要求1所述的安全壳喷淋系统可用性试验方法，其特征在于，向安全壳喷淋环管中通入加热压缩空气，以将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头消除材料特性所构成的试验成像特性，包括：
采用辐照加热方式将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头所构成的标定成像特性，
向安全壳内的喷淋环管中通入加热压缩空气，至将安全壳喷淋系统加热至试验温度Te后，获取每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头所构成的喷淋成像特性，
将每个红外探测仪的喷淋成像特性消减掉其标定成像特性，得到每个红外探测仪在其成像范围内的所有喷头消除材料特性所构成的试验成像特性。
3.根据权利要求1所述的安全壳喷淋系统可用性试验方法，其特征在于，
所述计算在试验温度Te下，每个红外热成像仪在其成像范围内的喷头处于不同状态下所构成的计算成像特性集合，其中，
某一喷头的辐照亮度I(T)与其表面温度T的关系满足I(T)＝A·Tn，其中，A和n为常数，当所述喷头处于可用状态时，T＝Te，当所述喷头处于不可用状态时，T取小于Te的数值。
4.根据权利要求1-3任一项所述的安全壳喷淋系统可用性试验方法，其特征在于，在压缩空气源与安全壳喷淋环管相连的管道上设置辅助加热器，以辅助将安全壳喷淋系统加热至Te。
5.根据权利要求1-3任一项所述的安全壳喷淋系统可用性试验方法，其特征在于，在压缩空气源与安全壳喷淋环管相连的管道靠近安全壳喷淋环管的一端设置温度计，以监测安全壳喷淋系统的温度。
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2021
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