JP2013140099A - 超音波原子炉水位計測装置および計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定範囲の広い水位計測においても精度を劣化させない超音波原子炉水位計測装置および計測方法を提供することにある。
【解決手段】原子炉容器１０１の気相部から上部配管を、液相部から下部配管を伸ばし、上部配管と下部配管間に多段の計測配管２００ａ，２００ｂ，２００ｃを接続し、各段の計測配管の水位を計測配管底部に設置した超音波の発生・受信手段２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃにより測定し、測定した各段の水位のオーバラップ部分を除いた総和から原子炉水位を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を用いて沸騰水型原子炉等の原子炉の炉水位を測定する超音波原子炉水位計測装置および計測方法に関する。

従来、流体内に超音波信号を放射するための超音波探触子と、超音波信号が導波管内の流体表面に向かって進行し液体表面から戻る伝播時間を測定する計時部と、伝搬時間に基づいて温度補償を考慮した水位演算部とから構成され、伝搬時間が往復の時間であることから片道の時間に変換し、これに液体温度の音速を乗じることにより、水位を求めるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１８００５２号公報

特許文献１記載の超音波式水位計では、原子炉容器内の気相部から上部配管を、液相部から下部配管を伸ばし、上部配管と下部配管間に液面形成配管を接続して、これら３つの管を接続したものを計測配管と称している。この計測配管の下部の外壁面に取り付けられ、送信電気信号により前記計測配管の内部の液相部へ超音波を送信して、前記液面形成配管部内の液面で反射する超音波反射波を受信して電気信号に変換する超音波送受信部と、前記超音波送受信部に前記送信電気信号を送り、前記超音波送受信部から前記超音波反射波に対応する前記反射電気信号を受信する超音波信号送受信部と、前記液面形成配管部に形成される液面が安定している状態における前記超音波反射波に対応する前記反射電気信号の波形の包絡線を基準波形として記憶する波形記憶部と、前記反射電気信号の包絡線波形と前記波形記憶部に記憶されていた前記基準波との相関値を求めることで、前記反射電気信号の波形から前記液面形成配管内の液面で反射した前記超音波液面反射波を検出し、その超音波液面反射波の伝搬時間から液位を算出する液位算出部と、からなる。

ここで、実際の原子炉容器の水位の測定範囲は１５ｍを超える場合がある。超音波のエネルギーは、水中伝播の過程で熱エネルギ−に変化することで生じる減衰と、超音波ビームの伝播過程の広がりで生じる減衰がある。どちらの原因でも伝播距離が長いほど減衰が大きくなり、結果的に水位計測のＳＮ比が劣化する。従来は液面反射波を選択的に抽出することを目的に、液面反射波の包絡線信号をあらかじめ記憶して実測時の包絡線信号との相関をとることでＳＮ比を向上していた。しかし、包絡線信号は超音波信号を低周波に変換する処理であるため、場合によっては水位計測の分解能が劣化し、結果的に測定精度を悪くする可能性があった。

本発明の目的は、測定範囲の広い水位計測においても精度を劣化させない超音波原子炉水位計測装置および計測方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る原子炉超音波水位計測装置では、複数の計測配管を多段に用いる。計測配管それぞれは従来のものに比べて短いため、超音波減衰を小さくでき、ＳＮ比の大きな劣化が生じない。このため、従来法のように包絡線信号を用いる必要がなくなり、本来の超音波の周波数で定まる水位計の距離分解能が維持できるため、従来に比べて水位計測精度の向上が図れる。また、原子炉圧力容器内の圧力は定格運転中７ＭＰａ程度と高いため、隔離弁を導入し、計測配管から水蒸気漏洩が生じた場合は、自動的に隔離弁を閉じることで原子炉圧力の維持が図れるようにしている。多段型の計測配管は高さ方向にオーバラップして設置し、各計測配管ごとの水位を液面からの超音波の往復時間から算出し、オーバラップ分を考慮して多段計測配管の総水位を算出する。ここで、運転条件や外部の気温変動等により計測配管の内部温度や圧力変動が生じる可能性があり、その場合、水の音速も変動する。音速変動を補償するため、計測配管のあらかじめ定めた特定の位置に反射板をおき、この特定位置からの反射波の伝播時間により音速変動を補償する。また、水位計測に際し、超音波原子炉水位計測装置の健全性を中央制御室などから確認できれば、測定値の信頼性はいっそう高まる。本発明では、超音波原子炉水位計測装置の健全性確認のため、各計測配管に設置した超音波探触子への電気パルス印加直後の超音波探触子の超音波波形から、超音波が水中に放射されているのか、計測配管に水がない状態なのか、超音波探触子に電気パルスが伝わってないのかなどの超音波原子炉水位計測装置の健全性が判断できるようにしている。

本発明によれば、広い測定範囲をカバーする必要のある超音波原子炉水位計測の精度向上が図れる。

本発明に関わる超音波原子炉水位計測装置の第一の実施形態をあらわす模式図である。 超音波探触子を設置した計測配管の超音波伝播経路を説明するための図である。 超音波探触子を設置した計測配管の断面図である。 反射板の構造を示す図である。 各種水位状況による超音波探触子受信信号の説明図である。 第二の実施形態で主要な超音波探触子の超音波放出面にレンズを設けた計測配管の断面図である。

以下、本発明に係わる超音波原子炉水位計測装置の実施形態を図面を参照して説明する。

図１〜図５を用いて、本発明に係わる超音波原子炉水位計測装置の第一の実施形態を説明する。

図１は、本発明の超音波原子炉水位計測装置を沸騰水型原子炉に適用した模式図である。

核燃料からなる炉心１００と冷却材の表面である水位１０１は、原子炉圧力容器１０２に収納されている。水位計測範囲１０３は、原子炉圧力容器１０２の下部から、図示しないセパレータあたりまでとなっている。水位計測配管２００ａ，２００ｂ，２００ｃは格納容器外に引き出されており、原子炉運転中でも接近可能となっている。原子炉圧力容器１０２の上部から隔離弁２０２ａ，２０２ｂを介して水位計測配管２００ａ上部に配管が接続されている。また、原子炉圧力容器１０２の下部から隔離弁２０２ｃ，２０２ｄを介して水位計測配管２００ｃ下部に配管が接続されている。隔離弁制御機構２０１は圧力センサ２０３の検出値を基に、圧力が設定値以下になったときに自動的に隔離弁２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄを閉じるようになっている。水位計測配管２００ａ，２００ｂ，２００ｃは、連結管２０４ａ，２０４ｂで接続されている。水位計測配管２００ａ２００ｂ，２００ｃの下部には超音波探触子２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃが設置されている。超音波送受信器２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃから電気パルス信号を印加し、超音波探触子２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃから水位計測配管２００ａ，２００ｂ，２００ｃの上部に向かって超音波を発生する。また、液面もしくは水位計測配管２００ａ，２００ｂ，２００ｃ上端部からの反射波を超音波送受信器２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃで受信する。時間差検出器２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃにて、電気パルス信号印加タイミングから反射波の受信タイミング間の時間差を検出する。水位演算表示器２０８は、時間差検出器２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃの時間差の総和から水位を算出して表示する。水位計測配管２００ｃ内部には温度センサ２１１が挿入されている。水の温度、もしくは超音波探触子２０５ｃ近傍温度を測定するためのものであり、後述するように音速補正用いる。

図２は、計測配管２００ｂ中における超音波ビームの進行を説明するための図である。

超音波探触子２０５ｂをフランジに溶接して一体構造とした下部フランジと、フランジを含む上部の配管からなっている。ここで、連結管２０４ａ，２０４ｂを省略してある。計測配管２００ｂの途中には、反射板２０９ｂが配置されている。計測配管２００ｂ中が満水の場合について説明する。下部フランジに取り付けた超音波探触子２０５ｂから液中に放射した超音波は途中で反射板２０９ｂから一部反射して超音波探触子２０５ｂに戻る。主たる超音波成分は反射板２０９ｂを通過して、計測配管２００ｂ上端部から反射して超音波探触子２０５ｂに戻る。

図３は、超音波探触子２０５ｂを溶接で取り付けた下部フランジを備えた計測配管２００ｂの断面を示した図である。

超音波探触子２０５ｂ内部には振動子２０ｂがある。振動子２０ｂは探触子のケースに接着されている。超音波は振動子２０ｂで発生し、接着面からケースの前面の壁を通って水中に伝播する。計測配管２００ｂの途中には反射板２０９ｂが設置されている。本実施形態においては、超音波探触子を液中に直に配置することで、カップラントを介して超音波探触子２０５ｂを計測配管底部に押し付けて配置する場合に比較して効率良く超音波を液中に放射できるようになっている。効率良く超音波を液中に放射できれば、振動子２０ｂで発生した超音波の配管壁へ伝わる成分を減少できるので、ノイズ抑制効果も期待できる。

図４は、図３のＡ−Ａ‘断面を示し、計測配管２００ｂに配置されている反射板２０９ｂの形状を示している。

水中を伝播する超音波はその中心のエネルギーが高く、外になると小さくなる傾向がある。反射板２０９ｂからの反射波振幅と水面からの反射波振幅を区別できるように、反射板２０９ｂ形状により反射率を調整する。あらかじめ、実験もしくは計算により事前に形状を決めることになる。液面からの反射波を大きくするため、反射板２０９ｂ中央を通る超音波は素通りして、液面まで到達できるようにしている。一方、反射板２０９ｂからの反射波はその外周からのものが主成分となる。反射板２０９ｂは、その最外周から円筒状の支持部を出し、フランジもしくは配管内壁に固定するようにして実現している。

以上示したように超音波探触子２０５ｂでは２つの反射波が観測できる。一方は反射板２０９ｂからの反射波、他の一つは液面もしくは計測配管２００ｂの上端部からの反射波である。反射板２０９ｂからの反射波の発生から戻るまでの時間をｔ１、液面もしくは計測配管２００ｂの上端部からの反射波が超音波探触子２０５ｂに戻るまでの時間をｔ２とすると、液面高さＬ２は反射板５０９高さＬ１として下式（１）で求めることができる。
Ｌ２＝（ｔ２／ｔ１）×Ｌ１ …（１）
但し、反射板２０９ｂよりも液面が低い場合が起こりうる。その場合は下の計測配管２００ｃの反射板２０９ｃで反射波が戻るまでの時間を用いて、同様の計算を行う。最下段の計測配管２００ｃで反射板２０９ｃまで液位が到達してない場合には音速補正ができなくなるので、この部分だけは温度センサ２１１を用いて、反射板より液位が低い場合の温度補正を可能にしている。

図５は、超音波探触子２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃの受信波形を説明するため、各タイミングの受信波形を包絡線信号にして示したものである。

図５ａは計測配管２００ａ，２００ｂ，２００ｃに水が入っていない場合である。超音波探触子２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃに電気パルスを印加し、受信状態に切り替えると、大きな信号が時間経過と共に減衰してゆく。超音波探触子２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃのケース中での超音波の残響であり、時間的に減衰してゆく。水があると超音波のエネルギーが水に伝わるが、ａの場合は水に伝わらないので、超音波探触子２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃの中で徐々に減衰してゆく。ｂは水位が反射板２０９ｂより低い場合である。超音波探触子２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃのケース中での超音波は、その多くが水に放射されるので、振幅はａの場合より小さい。次に液面反射波が到達している。ｃは水位が反射板２０９ｂ位置と同じ場合である。反射板２０９ｂからの反射波より液面反射波が振幅大のため、反射板２０９ｂからの反射波は隠れて見えない。ｄは、水位が反射板２０９ｂと計測配管２００ａ，２００ｂ，２００ｃの上端との間の場合である。振幅の違いにより、反射板からの反射波と液面からの反射波が識別可能である。ｅは満水の場合である。反射板からの反射波に比べて計測配管２００ａ，２００ｂ，２００ｃ上端部からの反射波の振幅が大きく、時間差が計測配管２００ａ，２００ｂ，２００ｃ上端部に相当するので、識別可能である。

さて、本発明の超音波原子炉水位計測装置は、中央制御室からその動作の健全性を評価できるようになっている。具体的には、図５で示した超音波探触子２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃの残響を評価の手段に用いる。超音波送受信器２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃから電気パルスを印加し、超音波探触子２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃの残響を観測すれば健全性の評価が可能である。超音波送受信器２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃから超音波探触子２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃに接続した信号線が断線している場合、図５で示すような残響はほとんど現れない。一方、信号線が短絡している場合は、超音波送受信器２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃがオーバロードとなったり、残響が確認できないので、超音波水位計測計が健全でないことが分かる。水位演算表示器２０８に、健全性評価機能が付加されている。具体的には、健全性評価モードで、超音波送受信器２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃを用いて、事前に記憶してある健全なときの残響波形と、健全性評価モードでの残響波形を比較して、健全性評価を行えるようにしてある。

かかる第一の実施例によると以下の効果が得られる。

（１）多段にすることで各計測配管の長さが短くなり、超音波探触子設置面と液面間の平行度の要求精度の管理が容易となり、水位計性能向上効果がある。

（２）図４で示した反射板の反射率の調整が可能である。このため反射板からの反射波と液面もしくは計測配管上部からの反射波の識別が容易となり、健全性評価結果の信頼性向上効果がある。

（３）超音波探触子をフランジに溶接して一体化することにより、超音波探触子をカップラントを介して計測配管底部に押し付ける方法に比べて発生超音波の計測配管壁を伝播する成分を減らすことができ、結果的にノイズを減らせる。

（４）残響により、健全性評価をすることで、水位計測の信頼性向上効果がある。

（５）差圧方式と違い、基準水位が不要になり、かつ使用前の健全性評価ができるので、水位計測の効率向上の効果がある。

（６）格納容器外に水位計測計の主要部が配置されているため、原子炉運転中でも水位計測計への接近が可能であり、水位計測計の保守性向上効果がある。

（７）超音波探触子と反射板との往復時間を用いて音速補正を行う方式としたため、熱電対等の温度測定手段を用いて音速補正を行う場合に比べて、音速補正の応答性と補正精度改善できる。応答性は、超音波の伝播時間が速いことで実現でき、補正精度向上は、温度センサは一般的に点での測定なのに対し、超音波を用いる本方式では、超音波伝播経路をからなる線での音速情報を用いることによる。

（８）計測配管と圧力容器を繋ぐ連結配管を含む配管を、気相側を上にして傾斜をつけて構成し、液中の気泡が計測配管内に貯まらないようにすることで、気泡の存在による液位測定の悪影響を抑制し、水位計測の信頼性向上を高めた。具体的には、計測配管上部の端部に気泡が溜まり、誤った液位を計測することを抑止する。また、液中から気泡が抜け出しやすくなるので、液中での超音波伝播減衰が大きくしない効果が期待できる。

以上説明した第一の実施形態において、超音波探触子２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃを溶接でフランジに取り付けていた。これは、圧力と温度が高いので、信頼性の高い圧力境界を維持するための措置である。温度や圧力の条件が緩和されれば、ロウ付け、接着剤、金属シールなどを用いてフランジに探触子を締めこむ方式も適用可能である。

計測配管中に超音波を伝播させると、一部の超音波が配管壁に侵入し、散乱して液面反射波に混じって、液面反射波到達の時間分解能を悪化させる可能性がある。

そこで、図６で示すように、凹面のレンズつきの超音波探触子２１０を使用する。これにより超音波探触子２１０の超音波ビームの広がりを抑制して、ノイズを低減できる。凹面部分は水に接している。

かかる第二の実施例による以下の効果が得られる。

超音波原子炉水位計測に超音波レンズを用いることでノイズ低減が図れるので、水位計測精度向上ができ、超音波原子炉水位計測装置の性能向上の効果がある。

以上第一、第二の実施形態について説明した。これら実施形態において計測配管は格納容器外に設置してある。但し、本発明において計測配管を格納容器外に設置するのは必須ではない。必要があれば、運転中の接近可能などの利点は期待できないものの、格納容器内に設置することも可能である。

２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…振動子
１００…炉心
１０１…原子炉圧力容器
１０２…水位
１０３…水位計測範囲
１０４…原子炉格納容器
２００ａ，２００ｂ，２００ｃ…計測配管
２０１…隔離弁制御機構
２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄ…隔離弁
２０３…圧力センサ
２０４ａ，２０４ｂ…連結管
２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃ…超音波探触子
２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃ…超音波送受信器
２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ…時間差検出器
２０８…水位演算・表示器
２０９ａ，２０９ｂ，２０９ｃ…反射板
２１１…温度センサ

Claims (8)

1. 原子炉容器内の気相部から上部配管を、液相部から下部配管を伸ばし、上部配管と下部配管間に多段の計測配管を接続し、各段の計測配管の水位を計測配管底部に設置した超音波の発生・受信手段により測定し、測定した各段の水位のオーバラップ部分を除いた総和から原子炉水位を算出することを特徴とする超音波原子炉水位計測装置。
2. 請求項１の超音波原子炉水位計測装置において、
   上部配管及び下部配管の途中に隔離弁を設け、計測配管側の圧力が設定値を以下になったときに、自動的に隔離弁が閉じるようにしたことを特徴とする超音波原子炉水位計測装置。
3. 請求項１の超音波原子炉水位計測装置において、
   超音波探触子を液体に直接接触するようにフランジと一体化する構成としたことで、音響カプラントを用いる従来方式に比べて超音波の液中への透過率を高められるようにしたことを特徴とする超音波原子炉水位計測装置。
4. 請求項１の超音波原子炉水位計測装置において、
   計装配管途中に反射板を配置し、反射板からの反射波と液面もしくは計測配管上部の端部からの反射波の到達時間の比から水位の温度・圧力補正を行うことを特徴とする超音波原子炉水位計測装置。
5. 請求項４の超音波原子炉水位計測装置において、
   計測配管中央の穴径や構成部材の面積を調節することで反射強度を調節できる反射板を用いたことを特徴とする超音波原子炉水位計測装置。
6. 請求項１の超音波原子炉水位計測装置において、
   計装配管中に温度センサを設置し、温度指示値を用いてその温度における音速を決定し、その音速と液面もしくは計測配管上部の端部からの超音波の往復時間から水位の温度補正を行うことを特徴とする超音波原子炉水位計測装置。
7. 請求項１の超音波原子炉水位計測装置において、
   連結管や圧力容器と計測配管を接続する配管の傾きを気泡がたまらないように気相側が高い傾斜をつける構成としたことを特徴とする超音波原子炉水位計測装置。
8. 超音波を発生する第１のステップと、
   超音波探触子の残響を測定する第２のステップと、
   残響の大きさから、Ａ）信号線の短絡や開放、Ｂ）超音波が水中に透過していない、Ｃ）超音波が水中に透過しているの３つの状態を判断し、超音波原子炉水位計測装置の健全性を判断する健全性評価方法。

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