Способ определения уровня теплоносителя в реакторе
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.
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 5-7oC, 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/м2oC; 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/м2oC. Коэффициент теплоотдачи для пара возрастает с увеличением температуры (давления) теплоносителя (воды) с 62,5 Вт/м2oC при 100oC до 480 Вт/м2oC при 320oC, не превышая во всем диапазоне 600 Вт/м2oC. 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 = rcdt/d+2r(tст-tж), (1) где q - тепловой поток на единицу длины корпуса; r - радиус корпуса; с - удельная теплоемкость материала стенки корпуса; tст - температура стенки корпуса; - коэффициент теплоотдачи; tж - температура жидкости (пара); - 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 = rcdt/d+2r(t-tж) (2),
где t - температура спая термоэлектрического преобразователя. Решая уравнение (2) относительно , имеем:
= (1/t-tж)(q/2r-rc/2dt/d) (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:
= (1/t-tж)(q/2r-rc/2d(t-tж)/d (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/м2oC, а для пара не выше 600 Вт/м2oC. 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 5oC в час, что соответствует величине 0,00139oC/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 0,01oC/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 0,1oC/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/м2oC при переходе чувствительного элемента из жидкой фазы в паровую, и не менее 1200 Вт/м2oC 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/d, где t - температура, а - время. В блоках определения разности сигналов нагреваемых и ненагреваемых термоэлектрических преобразователей 6 определяется величина tн - tнн, где tн, tнн - температуры нагреваемых и ненагреваемых термоэлектрических преобразователей, соответственно. Они эквивалентны величине t-tж 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-tж)/d. Сигналы с выходов блоков 5, 6 и 7 поступают на вход блока 8, в котором определяется значение коэффициента теплоотдачи в соответствии с формулами:
= (1/t-tж)(q/2r-rc/2dt/d)
или
= (1/t-tж)(q/2r-rc/2d(t-tж)/d. 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.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение
Извещение опубликовано: 20.05.2006 БИ: 14/2006