СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В РЕАКТОРЕ Российский патент 2001 года по МПК G21C17/35 G01F23/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении уровня теплоносителя в реакторах, преимущественно в водо-водяных и кипящих реакторах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ определения уровня теплоносителя в реакторе, включающий распределение по высоте реактора нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей, непрерывную регистрацию электрических сигналов, поступающих с термоэлектрических преобразователей и характеризующих температуры и разности температур в зонах размещения спаев, и определение уровня теплоносителя на основании обработки регистрируемых сигналов (см. патент США N 4592230, кл. 73-295, оп. 1990).

В известном способе о положении уровня теплоносителя в зоне расположения какого-либо нагреваемого спая судят по величине разности электрических сигналов, поступающих с нагреваемого и ненагреваемого спаев термоэлектрических преобразователей.

Недостатком известного способа является низкая информативная точность измерения, обусловленная большим количеством ложных срабатываний, и низкая оперативность контроля за изменением уровня. В известном способе практически реализуется принцип сигнализатора, в соответствии с которым задается пороговая величина разности температур между нагреваемым и ненагреваемым спаями термоэлектрических преобразователей, по достижении которой считается, что раздел фаз имеет место. Однако подобный эффект реализуется и при возникновении в объеме реактора градиента температур, что наблюдалось на практике и приводило к ложному срабатыванию измерителя уровня, в основу работы которого положен известный способ. Кроме того, при использовании известного способа, в котором пороговая величина разности температур между нагреваемым и ненагреваемым спаем выбирается обычно в пределах 5-7^oC, низка оперативность контроля за изменением уровня, обусловленная инерционностью элементов контроля измерительного устройства.

Задачей изобретения является повышение информативной точности определения уровня теплоносителя в реакторе при одновременном повышении оперативности контроля за положением уровня.

Решение указанных задач обеспечивается новым способом определения уровня теплоносителя в реакторе, включающим распределение по высоте реактора нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей, непрерывную регистрацию сигналов, поступающих с термоэлектрических преобразователей и характеризующих температуры и разности температур в зонах размещения спаев, непрерывное определение и регистрацию производных по времени электрических сигналов, характеризующих температуры и разности температур в зонах размещения спаев термоэлектрических преобразователей, и определение коэффициента теплоотдачи в зоне размещения нагреваемого спая с использованием полученных значений разности и производных, причем о положении уровня теплоносителя в этой зоне судят по величине коэффициента теплоотдачи. При этом предпочтительно о положении уровня теплоносителя в зоне размещения нагреваемого спая термоэлектрического преобразователя (ниже нагреваемого спая) судить по уменьшению величины коэффициента теплоотдачи в этой зоне до порогового значения. Пороговое значение коэффициента теплоотдачи должно составлять не более 600 Вт/м²·^oC; при этом предпочтительно: нагреваемые и ненагреваемые спаи термоэлектрических преобразователей распределять по длине корпуса измерительного устройства, в котором размещаются термоэлектрические преобразователи, закреплять спаи на внутренней полости корпуса и размещать устройство в реакторе; корпус измерительного устройства размещать в реакторе вертикально; термоэлектрические преобразователи распределять по высоте реактора с чередованием нагреваемых и ненагреваемых спаев и определять положение уровня на основании обработки сигналов, поступающих с двух смежных спаев; нагреваемые спаи термоэлектрических преобразователей распределять по всей высоте реактора и между ненагреваемыми спаями термоэлектрических преобразователей размещать не менее двух нагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей; одновременно регистрировать сигналы, характеризующие температуры в зонах размещения нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей, и сигналы, соответствующие производным по времени температур в этих зонах или производной разности указанных температур; определять положение уровня теплоносителя в зоне размещения нагреваемого спая термоэлектрического преобразователя путем сравнения коэффициента теплоотдачи в этой зоне с величиной его порогового значения; изменение уровня фиксировать только при превышении абсолютной величины, производной по времени порогового значения.

Приложенные чертежи изображают: фиг.1 - зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры среды (жидкости или пара); фиг. 2 - зависимость от времени изменения температур нагреваемого и ненагреваемого спаев термоэлектрических преобразователей и производной температуры по времени при возникновении уровня; фиг.3 - блок - схема системы, которая может быть использована при реализации заявленного способа.

Система включает в себя:
1 - нагреватель; 2 - нагреваемый спай термоэлектрического преобразователя; 3 - ненагреваемый спай термоэлектрического преобразователя; (элементы 1-3 входят в состав корпуса измерительного устройства, размещенного в реакторе); 4 - усилитель сигнала термоэлектрического преобразователя; 5 - блоки определения производных по времени сигналов термоэлектрических преобразователей; 6 - блок определения разности сигналов нагреваемых и ненагреваемых термоэлектрических преобразователей; 7 - блоки определения производных по времени разностей сигналов нагреваемых и ненагреваемых термоэлектрических преобразователей; 8 - блок определения коэффициента теплоотдачи; 9 - блок сравнения коэффициента теплопередачи; 10 - блок сигнализатора о наличии уровня.

Основу системы составляют термоэлектрические преобразователи с нагреваемыми 2 и ненагреваемыми 3 спаями хромель-алюмелевых термопар и различные электронные блоки - 4-10, в состав которых входят блоки измерения показаний термоэлектрических преобразователей (измерительные усилители) - 4; блоки определения величин разностей и производных - 5, 6, 7; блоки определения коэффициента теплоотдачи - 8; блоки сравнения - 9 и сигнализации - 10. Блоки 5, 6, 7, 8, 9, 10 осуществляют обработку сигналов или в аналоговой, или в цифровой форме с соответствующим программным обеспечением. При использовании цифровой формы обработки сигналов используется или промышленная ЭВМ (рабочая станция), или микропроцессоры в составе блоков, или элементы, использующие жесткую логику.

В основу настоящего изобретения положен принцип постоянного определения коэффициента теплоотдачи за счет непрерывной регистрации электрических сигналов, характеризующих разность температур в зонах размещения нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей и производных по времени электрических сигналов, характеризующих температуры и разности температур в зонах размещения нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей.

Известно, что принцип действия теплового уровнемера основан на том, что коэффициент теплоотдачи от твердого тела к жидкости существенно выше, чем от твердого тела к пару (газу). Зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры для водяного пара и воды по линии насыщения для случая свободной конвекции в ограниченном объеме, что соответствует условиям работы реактора с водой под давлением по данным (М.А. Михеев, И.М. Михеева. Основы теплопередачи. - М. : Энергия, 1977 г.), приведена на фиг. 1. Из фиг. 1 следует, что коэффициент теплоотдачи для воды в приведенном диапазоне температур практически не зависит от температуры и его величина не менее 1200 Вт/м²·^oC. Коэффициент теплоотдачи для пара возрастает с увеличением температуры (давления) теплоносителя (воды) с 62,5 Вт/м²·^oC при 100^oC до 480 Вт/м²·^oC при 320^oC, не превышая во всем диапазоне 600 Вт/м²·^oC. Таким образом, коэффициент теплоотдачи для воды во всем диапазоне рабочих температур реактора не менее чем в 2 раза превышает коэффициент теплоотдачи для пара (газа). В известном способе о величине коэффициента теплоотдачи судят косвенно по величине разности температур нагреваемого и ненагреваемого спаев термоэлектрических преобразователей.

В заявленном способе непрерывно определяется величина коэффициента теплоотдачи, что позволяет резко повысить информативную точность измерения уровня и практически исключить ложные срабатывания устройства для определения уровня. При реализации заявленного способа нагреваемые и ненагреваемые спаи термоэлектрических преобразователей распределяют по длине корпуса измерительного устройства, в котором размещаются термоэлектрические преобразователи. Могут использоваться термоэлектрические преобразователи как с одним спаем, так и термоэлектрические преобразователи дифференциального типа. Спаи закрепляют на внутренней поверхности корпуса и размещают устройство в реакторе вертикально. Термоэлектрические преобразователи распределяют по высоте реактора с чередованием их нагреваемых и ненагреваемых спаев. Положение уровня определяют на основании обработки сигналов, поступающих предпочтительно с двух смежных спаев. Одновременно регистрируют сигналы, характеризующие: температуры в зонах размещения нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей; разности температур в зонах размещения нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей; производные по времени температур и(или) разности температур в этих зонах.

Нагреваемые спаи распределяют по всей высоте реактора и между ненагреваемыми спаями размещают не менее двух нагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей.

В подобных устройствах нагреваемые и ненагреваемые спаи термоэлектрических преобразователей крепят к внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Дифференциальное уравнение процесса теплоотдачи имеет вид:
q = π·r·c·dt/dτ+2π·r·α(t_ст-t_ж), (1)
где q - тепловой поток на единицу длины корпуса;
r - радиус корпуса;
с - удельная теплоемкость материала стенки корпуса;
t_ст - температура стенки корпуса;
α - коэффициент теплоотдачи;
t_ж - температура жидкости (пара);
τ - время.

Для случая малой толщины стенки корпуса (1,0-2,0 мм) и высокой теплопроводности материала стенки (например, сталь), который реализуется на практике, можно пренебречь градиентом температуры по толщине стенки корпуса и записать уравнение (1) в виде:
q = π·r·c·dt/dτ+2π·r·α(t-t_ж) (2),
где t - температура спая термоэлектрического преобразователя.

Решая уравнение (2) относительно α, имеем:
α = (1/t-t_ж)·(q/2π·r-r·c/2·dt/dτ) (3).

Т.к. температура жидкости является величиной постоянной (время изменения температуры теплоносителя на несколько порядков превышает время изменения температуры нагреваемого спая термоэлектрического преобразователя при образовании уровня), то уравнение (3) можно записать в виде:
α = (1/t-t_ж)·(q/2π·r-r·c/2·d(t-t_ж)/dτ (4).

Уравнения (3) и (4) позволяют вычислять коэффициент теплоотдачи как в стационарном, так и в переходном режимах, используя регистрируемые сигналы, характеризующие: температуры в зонах размещения нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей; разности температур в зонах размещения нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей; производные по времени температур и (или) разности температур в этих зонах.

Известно, что коэффициент теплоотдачи в условиях свободной конвенции в ограниченном пространстве (что соответствует условиям работы реактора с водой под давлением) находится для воды в пределах не ниже 1200 Вт/м²·^oC, а для пара не выше 600 Вт/м²·^oC. Отсюда следует, что после вычисления величины коэффициента теплоотдачи на основе определяемых измеренных значений разности температур, производных температур и разности температур по времени и сопоставления ее с указанными величинами можно сделать вывод о том, находится нагреваемый спай термоэлектрического преобразователя в жидкости или в паре (газе).

Заявленный способ, основанный на определении величины коэффициента теплоотдачи, позволяет полностью решить вопрос увеличения оперативности контроля за изменением уровня, связанный с инерционностью измерительного устройства. Ограниченность места для размещения чувствительных элементов (нагреваемых и ненагреваемых термоэлектрических преобразователей), что определяется условиями работы в корпусе ядерного реактора, приводит к тому, что чувствительные элементы распределены по высоте корпуса реактора. Как следствие, они могут фиксировать разности температур и производные температур и разности температур по времени, возникающие под влиянием градиентов температур в корпусе реактора, и их изменения во времени. Для исключения этой возможности следует использовать значение производной во времени температуры нагреваемого спая термоэлектрического преобразователя.

Изменение уровня имеет место только в том случае, когда величина этой производной при нагревании (или при охлаждении при переходе из паровой фазы в жидкую) превысит определенное пороговое значение, характерное при переходе из жидкой фазы в паровую или из паровой в жидкую. В соответствии с регламентом реакторов с водой под давлением типа ВВЭР скорость изменения температуры теплоносителя не должна превышать 5^oC в час, что соответствует величине 0,00139^oC/с. Большие объемы теплоносителя, находящегося в первом контуре реактора, обеспечивают значительную температурную инерционность системы. Реальные скорости изменения температур (производные температуры по времени), определяемые возникновением и изменением градиентов температур теплоносителя в корпусе реактора, не могут превышать 0,01^oC/с. Для случая образования уровня скорости изменения температур нагреваемых термоэлектрических преобразователей или разности температур нагреваемых и ненагреваемых термоэлектрических преобразователей (производные температуры по времени) не менее 0,1^oC/с, что следует из графиков фиг.2 изменения температуры и производной температуры по времени, полученных при образовании уровня на реакторе ВВЭР. Величине этой производной соответствует и определенное пороговое значение величины коэффициента теплоотдачи, которое составляет величину не более 600 Вт/м²·^oC при переходе чувствительного элемента из жидкой фазы в паровую, и не менее 1200 Вт/м²·^oC при переходе чувствительного элемента из паровой фазы в жидкую.

Пример реализации заявленного способа с использованием системы, блок-схема которой приведена на фиг. 3.

Сигналы нагреваемых 2 и ненагреваемых 3 термоэлектрических преобразователей поступают на вход усилителей 4. С выхода усилителей усиленные сигналы подаются в блоки определения производных по времени сигналов термоэлектрических преобразователей 5 и блоки определения разности сигналов нагреваемых и ненагреваемых термоэлектрических преобразователей 6. В блоках определения производных 5 определяется величина dt/dτ, где t - температура, а τ - время. В блоках определения разности сигналов нагреваемых и ненагреваемых термоэлектрических преобразователей 6 определяется величина t_н - t_нн, где t_н, t_нн - температуры нагреваемых и ненагреваемых термоэлектрических преобразователей, соответственно. Они эквивалентны величине t-t_ж формулы (3). С выхода блоков определения разности сигналов нагреваемых и ненагреваемых термоэлектрических преобразователей сигналы подаются на вход блоков определения производных по времени разностей сигналов нагреваемых и ненагреваемых термоэлектрических преобразователей 7. В блоках определения производных по времени разностей сигналов нагреваемых и ненагреваемых термоэлектрических преобразователей определяется величина d(t-t_ж)/dτ. Сигналы с выходов блоков 5, 6 и 7 поступают на вход блока 8, в котором определяется значение коэффициента теплоотдачи в соответствии с формулами:
α = (1/t-t_ж)·(q/2π·r-r·c/2·dt/dτ)
или
α = (1/t-t_ж)·(q/2π·r-r·c/2·d(t-t_ж)/dτ.

С выхода блоков 8 сигналы поступают на вход блока 9 сравнения, в котором формируется сигнал, по величине которого определяют: соответствует ли значение коэффициента теплоотдачи нахождению соответствующего нагреваемого термоэлектрического преобразователя в паровой или жидкой фазе. Окончательный сигнал о наличии уровня в теплоносителе формируется в блоке 10, на вход которого подаются сигналы с выходов блоков 5 и 9, при условии, что коэффициент теплоотдачи соответствует пороговому значению образования паровой фазы и, кроме того, имело место пороговое значение производной температуры нагреваемого термоэлектрического преобразователя по времени, соответствующее возникновению паровой фазы.

В сравнении с известным, заявленный способ позволяет на порядок повысить оперативность контроля за положением уровня теплоносителя в реакторе и значительно повысить информативную точность контроля за положением уровня.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении уровня теплоносителя в реакторах. Технический результат заключается в повышении информативной точности при одновременном повышении оперативности, контроля за положением уровня. Сущность изобретения: размещают по высоте реактора нагреваемые и ненагреваемые спаи термоэлектрических преобразователей и проводят непрерывную регистрацию их сигналов, характеризующих температуры и разности температур в зонах размещения спаев. Дополнительно регистрируют производные по времени электрических сигналов, поступающих с нагреваемых и ненагреваемых спаев и, используя полученные значения производных, определяют коэффициент теплоотдачи в зоне размещения нагреваемого спая, по величине которого судят о положении теплоносителей в этой зоне. О положении уровня теплоносителя в зоне расположения нагреваемого спая термоэлектрического преобразователя судят по величине порогового значения коэффициента теплоотдачи в этой зоне, которое не должно превышать 600 Вт/м² · ^oC. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения уровня теплоносителя в реакторе, включающий распределение по высоте реактора нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей, непрерывную регистрацию электрических сигналов, поступающих с термоэлектрических преобразователей, в том числе дифференциальных, характеризующих температуры и разности температур в зонах размещения спаев и определение уровня теплоносителя на основании обработки регистрируемых сигналов, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют производные по времени электрических сигналов, поступающих с нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей, характеризующие изменение температуры и разности температур в зонах размещения спаев и, используя полученные значения производных, определяют коэффициент теплоотдачи в зоне размещения нагреваемого спая, по величине которого судят о положении уровня теплоносителя в этой зоне. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют положение уровня теплоносителя в зоне размещения нагреваемого спая термоэлектрического преобразователя путем сравнения коэффициента теплоотдачи в этой зоне с величиной его порогового значения. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что величина порогового значения коэффициента теплоотдачи составляет не более 600 Вт/м^2oС при переходе зоны расположения нагреваемого спая термоэлектрического преобразователя из жидкой фазы в паровую (газовую) и не менее 1200 Вт/м^2oС при переходе зоны расположения нагреваемого спая термоэлектрического преобразователя из паровой (газовой) фазы в жидкую. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагреваемые и ненагреваемые спаи термоэлектрических преобразователей распределяют по длине корпуса измерительного устройства, в котором размещаются термоэлектрические преобразователи, закрепляют спаи на внутренней поверхности корпуса и размещают устройство в реакторе. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что корпус измерительного устройства размещают в реакторе вертикально. 6. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что термоэлектрические преобразователи распределяют по высоте реактора с чередованием их нагреваемых и ненагреваемых спаев, при этом о положении уровня теплоносителя судят на основании обработки сигналов, поступающих с двух смежных спаев. 7. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что нагреваемые спаи термоэлектрических преобразователей распределяют по всей высоте реактора, при этом между ненагреваемыми спаями термоэлектрических преобразователей размещают не менее двух нагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно регистрируют сигналы, характеризующие температуры в зонах размещения нагреваемых и ненагреваемых спаев термоэлектрических преобразователей, и сигналы, соответствующие производным во времени температур в этих зонах или производной разности указанных температур. 9. Способ по п. 2, отличающийся тем, что изменение уровня фиксируют только при превышении абсолютной величины производной по времени порогового значения.