TWI409825B - 用來預測預期發生在沸水反應器（bwr）蒸汽乾燥器的聲負載的系統及方法 - Google Patents

用來預測預期發生在沸水反應器（bwr）蒸汽乾燥器的聲負載的系統及方法 Download PDF

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Description

用來預測預期發生在沸水反應器(BWR)蒸汽乾燥器的聲負載的系統及方法
本發明一般係有關於一種用來測試沸水反應器(BWR)的蒸汽系統的方法及設備，特別是有關於一種用來於沸水反應器(BWR)的蒸汽系統之一比例模型上進行測試的方法及設備。
諸如沸水反應器(BWR)的核能反應器的反應器壓力容器(RPV)典型地具有大致圓筒形狀，並於兩端例如藉一底部頭及一可移除之頂蓋封閉。於RPV內，一頂部導件典型地隔開置於一堆芯加固板上方。一堆芯罩或罩典型地環繞反應堆芯，並藉一罩支撐結構支撐。該罩具有大致圓筒形狀，並環繞堆芯加固板及頂部導件二者。於圓筒形反應器壓力容器與圓筒形罩間有一空隙或環帶。
於堆芯內產生熱，並且經由堆芯向上循環的水至少部分變換成蒸汽。蒸汽分離器將蒸汽與水分離。剩下的水藉位於堆芯上方的蒸汽乾燥器自蒸汽除去。去水蒸汽經由一在容器頂蓋的蒸汽出口退出RPV。
習知BWR可能碰到在運轉期間內蒸汽乾燥器的氣動聲負載所造成的損害。有些習知BWR已經在超過原來核准熱能的電平下運轉後遭遇到蒸汽乾燥器的顯著劣化。例如，蒸汽乾燥器的氣動聲負載可能在運轉期間內造成蒸汽乾燥器的振動，這可能放大成為不尋常的磨損，或在某些情況下，成為蒸汽乾燥器零件的龜裂。
蒸汽乾燥器可能使得電廠無法在所期望的功率電平下運轉。甚而，蒸汽乾燥器修理造成的成本(時間、金錢等)可能很大。因此，較佳係能預測預期於一BWR蒸汽乾燥器發生的聲負載的性質。
習知有若干用來對預期於一BWR蒸汽乾燥器發生的聲負載性質加以預測的方法。這些方法包含：(1)根據來自不同BWR配置及不同運轉條件的電廠運轉數據所作實驗能量負載；(2)計測各種功率電平下聲負載的電廠特有容器內儀器程式；(3)藉在所期望功率電平下自儀器線或主蒸汽管線應力計獲得的廠內數據驅動的電廠配置之聲回路模型；以及(4)為一電廠特有配置進行的計算流體動力學(CFD)分析。
數據由列入考慮電廠外的反應器電廠取得造成實驗能量負載評估不正確並受阻。因此，使用非電廠特有資訊來決定負載評估對列入考慮的電廠保守或不保守。該方法使用來自一BWR蒸汽系統的所有資訊，試圖完成用於任何電廠的聲負載定義。該方法對電廠特有應用的適合性很難論證。很多電力公司抱怨負載預測太保守。核能管理委員會(NRC)抱怨實驗方法不足以區別業已碰到蒸汽乾燥器失敗及未碰到的電廠。
於某些情況下，電力公司已決定尋找容器內儀器程式來計測蒸汽乾燥器上的實際負載。惟，該方法很昂貴，這使得它成為對很多電力公司不理想的方法。該方法進而於通道上受到限制，這意指有限數目的儀器可置於蒸汽乾燥器上來獲取運轉數據。該數目約為40個儀器位置。容器內儀器的使用亦要求於進行容器內測試前已知蒸汽乾燥器的關鍵區域。
進而，一旦反應器回到線上並運轉，即沒有機會重新查出儀器位置。
又，某些組織已研創出一電廠特有蒸汽系統的聲回路概算。此等分析模型係傳遞函數，其有效地用來根據得自裝配於RPV的儀器線、主蒸汽管線或主蒸汽管線應力計的不穩定壓力數據預測蒸汽乾燥器上的聲負載。惟，除非數據得自在所期望聲負載條件下運轉狀況中的電廠，聲回路模型及方法無法用來預測電廠特有負載。不穩定的壓力數據於含有液態水及蒸汽二者的儀器線末端獲得，並因此呈現顯著的熱度梯級。儀器線狀況使得蒸汽管線中不穩定壓力的精確預測難以獲得證實。此外，主蒸汽管線應力計的使用提供含有藉主蒸汽管線振動導入所期望聲壓的數據；因此，應用該方法須留意大量應力計及重要訊號的處理。換言之，使用來自系統另一部分的反應進行系統一部分的系統反應預測，惟對所有聲源的地點及特徵無通盤瞭解，使得以此方法獲得的負載預測難以證實。
在理解蒸汽乾燥器上的預期負載的努力中業已進行一些CFD分析。惟，作為此方法基準的實驗數據、所需概算此蒸汽系統的模型的物理大小以及所需對蒸汽乾燥器上不穩定振動的精確預測的電腦資源的缺乏使得此方法不實際。此技術尚未成熟到可用於BWR蒸汽系統所呈現複雜性的產業問題。
本發明之一例示實施例指向一種用來預測預期發生在一BWR及其零件的聲負載的系統。該系統可包含：一BWR比例模型；一測試裝置，係配置來於該比例模型中產生氣流；以及至少一計測裝置，係用來監視系統行為。
本發明之另一例示實施例指向一種預測預期發生在一BWR蒸汽乾燥器上的聲負載的方法。此方法包含：提供一所評估的BWR比例模型；經由該比例模型產生氣流；以及監視該比例模型的系統行為，以預測聲負載如何影響所評估於BWR的電廠運轉。
本發明之另一例示實施例指向一種預測預期發生在BWR上的聲負載的方法。此方法包含使用來自體積分析的比例關係，將得自一BWR比例模型的數據變換成電廠條件。
如後面將進一步詳細說明的本發明例示實施例指向一種用來決定一BWR主蒸汽系統聲負載的系統及方法。更具體地，本發明例示實施例指向對BWR蒸汽系統之一比例模型進行測試以決定於運轉期間內可能發生的聲負載。
第1圖係一BWR比例模型聲測系統100例子之一示意圖。第2圖圖示一測試裝置110例子，且第3圖圖示一連接至BWR比例模型聲測系統100的BWR比例模型120的模型主蒸汽管線190例子。BWR比例模型聲測系統100部分根據系統聲學為系統幾何及流體性質所決定的前題。
因此，BWR比例模型聲測系統100的特有模型可經由使用決定流體等式的體積分析得到的適當比例關係，構成與所評估核能電廠間的關係。此等關係由一第一工程法則的方法獲得。於比例模型的設計及運轉中所考慮到的重要因素包含模型及電廠中流體馬赫數的保存以及一致幾何模型的維持。換言之，若BWR及主蒸汽管線比例模型120及190的所有面向均依相同的任意比例建立，且模型氣流馬赫數與電廠蒸汽流馬赫數相同，BWR和主蒸汽管線比例模型120及190的正常聲模型即由以下關係式(1)，與所評估電廠的正常聲模型成正比關係：
同樣地，模型壓力依式(2)，與電廠壓力有關：
因此，由體積分析得到的比例關係可用來將得自一模型的數據變換成電廠條件。
BWR比例模型聲測系統100可包含一測試裝置110及一BWR和主蒸汽管線比例模型120及190。測試裝置110可包含用來產生氣流及決定氣流流至BWR比例模型120的路徑的零件。
如第2圖所示，測試裝置110可包含一鼓風機130、一入口配管140、一流量計150及一消音器160。配置鼓風機130以提供氣流，其可在路徑上經由入口配管140進入BWR比例模型120。使用鼓風機130所產生氣流來模擬BWR比例模型120中類似於一運轉中的BWR所產生，造成可能引發各種問題的聲負載的氣流的氣流。
一例示之鼓風機130可為諸如音速70型離心鼓風機的電動離心鼓風機。
入口配管140將鼓風機130連接至BWR比例模型120。入口配管140可由各種能依入口配管140所連接在一起的零件(例如鼓風機130、流量計150、BWR比例模型120及消音器160等)的環境及特徵裁成的段部構成。
流量計150能以一文氏管流量計測裝置來實施，且消音器160可位於鼓風機130與BWR比例模型120間。流量計150可用來計測系統氣流。流量計150的計測可監視、記錄及/或用來作為BWR比例模型聲測系統100的控制機制的一部分。例如，流量計150的計測可用來控制鼓風機130。後面將說明計測裝置、其位置及使用的進一步例子。
消音器160可用來將BWR比例模型120與測試裝置110所引入系統的噪音隔離。例如，測試裝置110所產生的噪音可包含鼓風機130的通過葉片頻率(VPF)、與入口配管140有關的風管形式等。消音器160可為諸如例如用於熱氣通風及冷氣系統的吸音式消音器。
一種預測預期發生於一BWR蒸汽乾燥器的聲負載的方法可包含提供一所評估的BWR比例模型120以及經由該比例模型120產生氣流。可監視BWR比例模型120的系統行為，以預測聲負載如何影響所評估的電廠於BWR的運轉。監視可進一步包含：監視BWR比例模型聲測系統100的至少一壓力振盪、BWR比例模型聲測系統100的所有氣流、BWR比例模型聲測系統100中的絕對靜氣壓以及BWR比例模型聲測系統100中的氣體溫度；及/或調整至少一可調整零件(例如管長調整器200、放洩閥入口長度調整器300等)並記錄計測值；及/或進一步調整至少一可調整零件並記錄額外計測值，藉此獲得BWR比例模型聲測系統100的參數數據。
如第4圖所示，BWR比例模型120可包含一比例型RPV 170、一蒸汽乾燥器180及RPV頂蓋175。用於BWR比例模型120的比例可例如由位於消音器160出口的凸緣直徑決定。選來製造BWR比例模型120的材料應避免空氣經由蒸汽乾燥器180表面、RPV 170及頂蓋175漏洩。因此，任何可經得起約每平方英吋5磅的內部壓力(標準)的材料可適用來製造BWR比例模型120。BWR比例模型120的材料例子包含用於RPV 170的丙烯酸及用於蒸汽乾燥器180的鍍鎳聚合物。RPV 170的頂蓋175可為不銹鋼。模型主蒸汽管線190亦可為不銹鋼。這些只是說明BWR比例模型120及模型主蒸汽管線190的不同零件，且絕不應限制本發明。
第5圖係含有裝配於BWR比例模型120的模型主蒸汽管線190之一BWR比例模型120例子。模型主蒸汽管線190可將至少一輪機入口500連接至BWR比例模型120。模型主蒸汽管線190可包含輪機閥400(例如輪機頂部閥、輪機控制閥等)、管長調整器200、均衡管集箱900、主蒸汽隔離閥800、流量計150及安全放洩閥700。
上述模型零件例子可發揮控制蒸汽系統的特性的功能。惟，模型閥(例如輪機閥400、管長調整器200、均衡管集箱900、主蒸汽隔離閥800、流量計150及安全放洩閥700)可或不可具有與一運轉BWR所含閥相同的功能。例如，安全放洩閥700可僅用來作為一運轉BWR的聲腔模型，而不設計來完成於BWR比例模型聲測系統100中的過壓保護功能。
模型主蒸汽管線可設計成具有許多管接頭，俾系統可在模型主蒸汽管線190中各個地點拆解。這容許各個零件自系統拆除，俾該模型可用來辨識氣聲源。進而，系統可設計成模型主蒸汽管線190中任一閥(主蒸汽隔離閥、輪機停止閥、輪機控制閥等)可具有一調整零件來調查其對系統行為的作用。
管長調整器(例如管長調整器200、放洩閥入口長度調整器300等)可用來調整連接至BWR比例模型120的蒸汽系統的特性。
第6圖圖示可使用於本發明之一管長調整器200的例示實施例。於第6圖中，管長調整器200配置成增加及/或減少連接至BWR比例模型120的路徑全長。如第6圖所示，管長調整器200可包含一第一管段210、一第二管段220、一管長調整器230、一長度調整設定裝置240、一第一托架260、一第二托架270及O形環。第一管段210可配置來插入管長調整器200的第二管段220，反之亦然。管長調整器230可連接於第一管段210及第二管段220。管長調整器230配置來將第一管段210插入第二管段220以及自第二管段220退出，藉此，如第6圖所示，改變管長調整器200自A點至B點管長。
長度調整設定裝置240可為使用者提供代表長度調整的讀出。長度調整設定裝置240包含參考線250，係用來決定管長調整器230所調整的長度。當調整管長調整器230以增加第一托架260與第二托架270間的距離時，插入第二管段220的第一管段210的長度減少，藉此增加A點與B點間的路徑長度。如第6圖所示，長度調整設定裝置240所含參考線250可用來與第一托架260連接，以決定A點與B點間的路徑長度增加量。O形環可用來密封210與220間的界面以防止於運轉期間內空氣自系統漏出。
第7圖係本發明一例示實施例的模型閥調整器之一例子。於第7圖中，模型放洩閥入口長度調整器300繪成處於完全插入及完全退出二位置。放洩閥入口長度調整器300可包含一閥管310、閥嵌座320、閥嵌座頂部330、閥長調定裝置340、閥殼體350及一閥座360。放洩閥入口長度調整器300可配置來調整放洩閥入口的有效長度。例如，閥嵌座320可配置來可調整地插入閥管310，藉此，改變放洩閥的有效長度。藉由轉動裝配於一攻有螺紋的軸320及閥座360，達到長度調整。當轉動330時，320的螺紋向上或向下進入模型閥殼體350，使閥座360進出閥管310。一O形環密封370可避免空氣於閥管310與閥座360間洩漏。
閥長調定裝置340可用來與閥嵌座頂部330連接以決定放洩閥的有效長度。當轉動閥嵌座頂部330且320的螺紋進出閥管310時，閥腔的長度自閥長調定裝置340上的標度讀出。
第8圖係一比例模型蒸汽乾燥器例子，於其上安裝有計測裝置50。計測裝置50能以壓力、溫度、氣流中至少一種形式來實施以計測各種特性。雖然計測裝置50繪成位於蒸汽乾燥器180上，惟須知，計測裝置50可位於BWR比例模型120的各種零件、主蒸汽管線190及測試裝置110上。計測裝置50可位於BWR比例模型聲測系統100中期望獲得數據的任何位置。進一步由於使用周圍空氣作為測試流體，感測器位置容易藉由增加或堵塞感測器孔洞來增加或去除，故容易增加或去除感測器。
對熟於此技藝人士而言，顯然計測裝置可藉配置來計測至少一期望特性的任何適當裝置實施。例如，至少一計測裝置可配置來計測蒸汽乾燥器模型的壓力振盪；及/或至少一計測裝置可為一麥克風(未圖示)，係安裝成麥克風之一感測器隔膜(未圖示)與蒸汽乾燥器180之一外表面齊平以計測不穩定的壓力振盪；至少一計測裝置50可為一壓力訊號電測轉換器，係配置來監視蒸汽乾燥器180中的絕對靜氣壓；且至少一計測裝置可為一溫度感測器，係配置來監視蒸汽乾燥器180的氣體溫度。
可進一步記錄、監視計測裝置的計測並使用其控制BWR比例模型聲測系統100。可使用一數據取得系統來記錄、監視並分析自至少一計測裝置取得的時間歷史數據。例如，可使用自模型蒸汽乾燥器測得的時間歷史數據來形成蒸汽乾燥器變動負載。進而，可使用自模型蒸汽系統中其他位置測得的時間歷史數據來辨識氣聲源位置及激勵機制。
例示之設備及方法學可容許電力公司取得電廠特有的數據，可較習知電廠特有的測試程式花更少錢來設計及製造，並可容許較現有容器內可能的測試更多的感測器地點。進而，使用例示之BWR比例模型聲測系統100可防止電廠在目前負載未知之一功率電平下運轉。其原因在於測試可使用BWR比例模型聲測系統100來完成。使用習知聲回路模型須昇高功率電平來取得數據。因此，若造成損害的負載存在於所調整的功率電平，即可能發生實際BWR的結構疲乏，這會造成必要的修復及/或零件更換。
例示之BWR比例模型聲測系統100亦可允許進行參數研究，這使得電力公司可預測可能的問題，接著設計可接受的修復，必要的話，在可能造成損害的功率電平下運轉一與比例模型有關的電廠之前進行。
雖然如此說明本發明之例示實施例，惟其能以若干方式變化。此等變化不被視為悖離本發明之例示實施例的精神及範圍，且對熟於此技藝人士顯而易見的所有修改均包含在以下申請專利範圍的範圍內。
50．．．計測裝置
100．．．聲測系統
110．．．測試裝置
120．．．BWR比例模型
130．．．鼓風機
140．．．入口配管
150．．．流量計
160．．．消音器
170．．．比例型RPV
175．．．頂蓋
180．．．蒸汽乾燥器
190．．．蒸汽管線
200．．．管長調整器
210．．．第一管段
220．．．第二管段
230．．．管長調整器
240．．．長度調整設定裝置
250．．．參考線
260．．．第一托架
270．．．第二托架
280．．．O形環
300．．．放洩閥入口長度調整器
310．．．閥管
320．．．閥嵌座
330．．．閥嵌座頂部
340．．．閥長調定裝置
350．．．閥殼體
360．．．閥座
370．．．O形環密封
400．．．輪機閥
500．．．輪機入口
700．．．放洩閥
800．．．隔離閥
900．．．均衡管集箱
由以下詳細說明及附圖，本發明之實施例將可更充分理解，其中相同元件以相同符號標示，惟其僅用來說明而非限本發明。
第1圖顯示一BWR比例模型聲測系統之示意圖。
第2圖顯示本發明一實施例之一測試裝置例子。
第3圖顯示根據本發明一實施例，連接至一BWR比例模型的模型主要蒸汽管線。
第4圖顯示本發明一實施例之一BWR比例模型例子。
第5圖顯示根據本發明一實施例，連接至一BWR比例模型之一模型蒸汽系統實施例。
第6圖顯示本發明一實施例之一管長調整器。
第7圖顯示本發明一實施例之一放洩閥入口長度調整器。
第8圖顯示本發明一實施例之一蒸汽乾燥器，包含其上所安裝之計測裝置。
110．．．測試裝置
130．．．鼓風機
140．．．入口配管
150．．．流量計
160．．．消音器

Claims (8)

  1. 一種用來預測預期發生在沸水反應器(BWR)蒸汽乾燥器的聲負載的系統，包括：一BWR比例模型，該BWR比例模型包含一反應器壓力容器及一蒸汽乾燥器的比例模型；一測試裝置，係被配置來產生且供應氣流及關聯的聲負載至該BWR比例模型；至少一計測裝置，係安裝於該BWR比例模型，被配置來監視該BWR比例模型的系統行為，以預測聲負載如何影響在BWR的電廠運轉；至少一主蒸汽管線，位於該BWR比例模型的下游；及其中該至少一主蒸汽管線包括至少一可調整零件，該至少一可調整零件包括一管長調整器及一放洩閥入口長度調整器的至少一者。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該管長調整器包括長度調整設定裝置，其配置來來將第一管段插入第二管段以及自第二管段退出以改變管的有效長度，以及其中該放洩閥入口長度調整器包括閥長調定裝置，其配置來使閥座移動進出管線以改變該放洩閥入口長度調整器的有效長度。
  3. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該測試裝置包含至少一被配置來產生氣流的鼓風機。
  4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該測試裝置進 一步包含：入口管線，係被配置來將空氣從該測試裝置送入該比例模型，以及一消音器，係被配置來連接該測試裝置於該比例模型，並減少該測試裝置導入該系統的噪音，且其中該入口管線亦被配置來將空氣轉送入該消音器。
  5. 如申請專利範圍第1項之系統，其中至少一計測裝置被配置來計量該系統內的壓力振盪。
  6. 如申請專利範圍第1項之系統，其中至少一主蒸汽管線包括至少一附加零件，其包括主流隔離閥、輪機停止閥及輪機控制閥的一者。
  7. 一種用來預測預期發生在沸水反應器(BWR)蒸汽乾燥器的聲負載的方法，包括以下步驟：提供一將被評估的BWR比例模型，該BWR比例模型包含一反應器壓力容器的比例模型的管長度的調整器、一蒸汽乾燥器、及至少一主蒸汽管線；經由該比例模型產生氣流，該氣流產生聲負載；以及監視該BWR比例模型的系統行為，以預測聲負載如何影響所評估之BWR的電廠運轉，其中該監視步驟進一步包括調整該反應器壓力容器、蒸汽乾燥器、及至少一主蒸汽管線的長度的步驟。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該監視步驟包含監視該系統內壓力振盪、全系統氣流、該比例模型中的絕對靜氣壓及該系統內空氣體溫度的至少一者。
TW095138434A 2005-10-31 2006-10-18 用來預測預期發生在沸水反應器（bwr）蒸汽乾燥器的聲負載的系統及方法 TWI409825B (zh)

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