УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ГАЗА В ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕ
DEVICE FOR CONTROL OF GAS IN LIQUID METAL HEAT CARRIER

Изобретение относится к области контроля герметичности теплообменников жидкий металл - вода, в которых нарушение герметичности сопровождается появлением в потоке жидкого металла газовых пузырьков, образующихся в результате испарения воды или химического взаимодействия между водой и жидким металлом.
Предлагаемое устройство может быть использовано преимущественно на атомных энергетических установках с натриевым, свинцовым или свинцово-висмутовым теплоносителем.
Парогенераторы указанных АЭС являются наиболее ответственным и дорогостоящим оборудованием, которое необходимо непрерывно диагностировать и в случае нарушения герметичности обнаруживать ее на начальной стадии, когда течь воды в теплоноситель невелика, что позволяет своевременно остановить парогенератор для ремонта, не допуская его разрушения.
Особенно актуальна эта проблема для АЭС с реакторами типа БН, использующими в качестве теплоносителя жидкий натрий. Его химическая реакция с водой сопровождается большим тепловыделением, образующийся горячий факел продуктов реакции в течение короткого времени приведет к эрозии соседних участков теплопередающей поверхности, т.е. к саморазвитию течи вплоть до разрушения парогенератора.
Для обнаружения течи воды в натрий на АЭС с реакторами БН в настоящее время используются концентрационные методы, основанные на контроле содержания растворенного водорода в натрии, и пузырьковые методы, диагностирующие появление течи по газовым пузырькам в потоке жидкометаллического теплоносителя. Пузырьковые методы являются наименее инерционными, время обнаружения пузырьков зависит только от времени их транспорта теплоносителем до датчика. В настоящее время известно несколько устройств обнаружения течи по наличию пузырьков газа в жидком металле. Так, в сигнализаторе газовых пузырьков по АС №868537 используется классический магнитный расходомер с дополнительными электродами, позволяющий фиксировать наличие в теплоносителе газа по пульсациям величины ЭДС между дифференциально включенными дополнительными электродами. Указанное устройство не позволяет обнаруживать мелкие газовые пузырьки, свойственные начальной стадии течи, т.к. мелкие пузырьки вызывают незначительные по величине импульсы ЭДС, неразличимые на фоне пульсаций ЭДС от вихрей в потоке теплоносителя, которые всегда присутствуют в движущейся жидкости. Сигнализатор по авт. св. №868537 начинает уверенно фиксировать только достаточно крупные пузырьки, но при дальнейшем увеличении их количества его выходной сигнал начинает уменьшаться вплоть до нуля, т.к. газовые пузырьки увеличивают электросопротивление цепей замыкания тока в рабочем объеме датчика. Известны также расходомеры - сигнализаторы газа (патенты №1838789, №1838790), которые обеспечивают измерение расхода жидкости по частоте вихрей, создаваемых в потоке за счет встроенного в трубопровод тела обтекания в виде призмы, а также позволяет обнаруживать газовые пузырьки за счет размывания спектра выходного сигнала при их появлении в достаточном количестве. При малых размерах пузырьков изменение спектра выходного сигнала недостаточно для надежной констатации появления газа, а при очень больших содержаниях газа возможен срыв "расходных" вихрей, что затрудняет количественную оценку газосодержания в жидкометаллическом теплоносителе, т.е. величину течи.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому устройству является Сигнализатор газовых пузырьков по авт. св. №815542, который работает по принципу возбуждения в контролируемом металле вихревых токов под действием электромагнитного поля обмоток возбуждения, питаемых переменным током. В газовых пузырьках вихревые токи отсутствуют, соответственно появление пузырьков в рабочей зоне датчика приводит к модуляции напряженности электромагнитного поля и соответствующим изменениям амплитуды выходного напряжения измерительных обмоток. Указанное устройство имеет на порядок более высокую чувствительность, чем устройство по авт. св. №868537, но оно не в полной мере отвечает требованиям к сигнализатору течи, т.к. фиксирует пузырьки газа преимущественно в объеме теплоносителя, прилегающего к зоне расположения катушек, соответственно расположение трубопровода должно обеспечивать прохождение пузырьков под катушками, что требует горизонтального или наклонного расположения трубопроводов (устройству по авт. св. 868537 этот недостаток присущ еще в большей степени).
К современным устройствам контроля герметичности парогенераторов АЭС предъявляется следующий комплекс требований: контроль наличия газовых пузырьков в любом месте по сечению трубопровода, контроль величины расхода (по пульсациям расхода можно констатировать начало течи еще до подхода газовых пузырьков к датчику), контроль газосодержания в диапазоне от 0 до 100%, подтверждение наличия течи по независимым каналам контроля.
В предлагаемом устройстве для исключения недостатков рассмотренных аналогов и прототипа, а также для обеспечения комплекса требований к устройствам для АЭС индуктивный сигнализатор газовых пузырьков выполнен в виде обмотки возбуждения и индуктивно связанных с ней двух измерительных обмоток. Конструктивно обмотки возбуждения и измерительные обмотки представляют собой катушки, расположенные снаружи трубопровода соосно с ним, причем одна из измерительных катушек расположена перед катушкой возбуждения, а другая - за ней по направлению движения потока, обе измерительные катушки аналогичны по электрическим характеристикам и расположены на равных расстояниях от катушки возбуждения. За индуктивным сигнализатором на трубопроводе размещен расходомер - сигнализатор газа. Работа предложенного устройства поясняется его конструкцией и функциональной схемой, приведенными на чертеже. В трубопроводе 1 движется жидкометаллический теплоноситель 2.
1
Для обнаружения в теплоносителе 2 отдельных пузырьков 13 небольшого размера, соответствующих начальной стадии разгерметизации теплообменника жидкий металл - вода, служит индуктивный индикатор газа, состоящий из обмотки возбуждения 9, питаемой переменным током от генератора 12 и измерительных обмоток 10 и 11, сигналы с которых поступают на преобразователь полного сигнала 15 и преобразователь дифференциального сигнала 14. Обмотка возбуждения 9 создает в протекающем внутри нее теплоносителе 2 переменный магнитный поток Ф который наводит в металле 2 по закону электромагнитной индукции переменную ЭДС
1
где E - кольцевая ЭДС в объеме трубопровода 2 в зоне расположения обмоток 9, 10, 11;
1
- скорость изменения магнитного потока Ф;
1
K - коэффициент пропорциональности, связанный с электрическими параметрами обмотки возбуждения 9 и геометрией элементов конструкции индуктивного индикатора.
1
в
2
1
1
2
2
ЭДС E является движущей силой для появления в металле 2 в зоне обмоток 9, 10, 11 вихревых кольцевых токов I, которые создают свой электромагнитный поток Ф, направленный навстречу потоку Ф. Результирующий магнитный поток, равный разности Ф-Ф, наводит в измерительных катушках 10 и 11 переменную ЭДС Е:
2
где К - постоянный коэффициент, связанный с количеством витков и расположением обмоток 10 и 11 относительно обмотки возбуждения 9.
2
в
в
2
2
1
2
2
2
2
Обмотки 10 и 11 имеют равное число витков и при равном их расстоянии от обмотки 9 в каждой из них генерируется ЭДС Е равной величины. При появлении в металле 2 газовых пузырьков 13, например в зоне расположения обмотки 10, вихревые кольцевые токи I на этом участке уменьшаются, т.к. газовые пузырьки нарушают циркуляцию токов I, вынужденных замыкаться в обход пузырька. Кроме того, в объеме пузырька 13 токи отсутствуют и таким образом уменьшается вклад в поток Ф в зоне обмотки 9. В результате поток Ф, охватывающий обмотку 9, уменьшается, результирующий поток Ф-Ф увеличивается и ЭДС Е обмотки 10 возрастает. Разность ЭДС Е обмоток 10 и 11 становится отличной от нуля, и преобразователь сигналов 14, подключенный к обмоткам 10 и 11, формирует сигнал о появлении газовых пузырьков. Дальнейшее перемещение пузырька 13 вместе с потоком среды 2 приведет к его перемещению в зону обмотки 11, и ее ЭДС Е станет больше, чем у обмотки 10.
B
2
Таким образом, появление газовых пузырьков 13 в объеме контролируемой среды 2 будет сопровождаться пульсацией напряжения на входе преобразователя 14, причем амплитуда импульсов и их частота будут пропорциональны размерам пузырьков и их количеству, т.е. объемной концентрации газа в теплоносителе 2. По мере увеличения доли пузырьков 13 в объеме теплоносителя 2 степень неоднородности среды увеличивается, соответственно возрастают амплитуда и частота импульсов на входе преобразователя 14, увеличивается его выходной сигнал. Такая зависимость будет иметь место при малых и средних объемных газосодержаниях. По мере роста газосодержания в диапазоне от 50 до 100% степень неоднородности среды начинает уменьшаться, т.к. большая часть объема заполняется газом, и сигнал на выходе преобразователя 14 начинает уменьшаться, т.е. при больших газосодержаниях канал контроля по дифференциальному сигналу обмоток 10 и 11 становится менее информативным. В этом диапазоне более точную информацию об объемном газосодержании дает полный сигнал с обмотки 11, поступающий на преобразователь 15, т.к. ее выходное напряжение линейно возрастает по мере увеличения объемного газосодержания в теплоносителе 2 от 0 до 100%. Это связано с уменьшением вихревых токов I и соответственно их магнитного потока Ф, таким образом наиболее представительными сигналами о величине объемного газосодержания при малых его величинах является дифференциальный канал, в котором разностный сигнал обмоток 10 и 11 обрабатывается преобразователем 14, а при средних и больших газосодержаниях - канал полного сигнала обмотки 11 с преобразователем 15. При средних газосодержаниях сигнал о наличии газа формируется также в расходном канале. Расходомерный участок 3 трубопровода 1 содержит тело обтекания 4 в виде призмы, закрепленной внутри трубопровода 1. Снаружи трубопровода закреплены постоянные магниты 5, а в верхней части трубопровода приварены электроды 6, 7, 8. Электрод 6 находится вне зоны магнитного поля магнитов 5, а электроды 7 и 8 - в зоне магнитного поля за телом обтекания 4.
в
т
При движении теплоносителя за телом обтекания 4 попеременно образуются вихри V правого и левого вращения, частота образования вихрей пропорциональна скорости V теплоносителя 2 на входе трубопровода 1.
По закону электромагнитной индукции при движении проводника в магнитное поле в этом проводнике генерируется ЭДС:
где Е - ЭДС проводника;
D - длина проводника, в рассматриваемой конструкции это внутренний диаметр трубопровода 1;
В - индукция магнитного поля в рабочем объеме;
V - скорость теплоносителя в зоне расположения электродов 7 или 8;
sinα - синус угла между направлением скорости V и вектором индукции магнитного поля В.
т
в
Направление скорости V в каждый момент времени определяется как результат сложения входной скорости V и скорости вращения вихря V, в векторной форме
в
в
в
Так как направление вращения вихрей периодически изменяется, то и величина вектора  будет меняться в соответствии с частотой образования вихрей, соответственно по формуле (3) ЭДС Е будет иметь как постоянную, так и переменную составляющую. Частота модуляции величины Е будет соответствовать частоте образования вихрей V с учетом того, что V является модулем вектора . Разностный сигнал, снимаемый с электродов 6 и 7, содержит частотную составляющую ЭДС Е. Этот сигнал поступает на преобразователь расхода 16, где по частоте сигнала вычисляется величина расхода. Второй электрод 8 служит для градуировки расходомера по сдвигу фаз сигналов электродов 7 и 8 за счет времени перемещения вихря V между электродами 7 и 8. При отсутствии в потоке среды 2 газовых пузырьков спектр сигнала с пары электродов 6 и 7 будет определяться только частотой вихрей V в соответствии с формулой (3). При появлении в теплоносителе 2 газовых пузырьков 13 в спектре сигнала появятся дополнительные частоты, связанные с нарушением вихреобразования и пульсациями электропроводности теплоносителя в зоне размещения электрода 7. Такое расширение спектра частот является информативным параметром наличия газа в теплоносителе, если размеры и количество пузырьков газа превышают некоторое пороговое значение. Количественную оценку объемной концентрации газа в теплоносителе можно получить на основании следующих зависимостей:
- Для преобразователя дифференциального сигнала индуктивного индикатора газа
д
где С - концентрация газа, вычисленная по дифференциальному каналу;
т
- сумма произведений амплитуды на длительность каждого из электрических импульсов от прохождения газовых пузырьков за фиксированный период времени ΔT, равный отношению длины участка трубопровода с индуктивным датчиком к скорости теплоносителя V;
мнд
V - объем теплоносителя в зоне размещения индуктивного индикатора;
3
К - постоянный коэффициент, зависящий от электрической схемы контроля.
- Для преобразования полного сигнала индуктивного индикатора газа
п
где С - концентрация газа, вычисленная по полному сигналу индуктивного индикатора;
0
Е - ЭДС измерительной катушки при отсутствии газа в теплоносителе:
Е - ЭДС измерительной катушки в текущий момент;
4
K - постоянный коэффициент, зависящий от электрических характеристик измерительной катушки.
- Для преобразования сигнала расходомера
р
где С - концентрация газа, вычисленная преобразователем расхода;
ΔW - ширина спектра сигнала расходомера;
5
К - постоянный коэффициент, зависящий от электрических параметров и геометрии расходомера.
д
п
р
Величины концентрации газа С, С, С, вычисленные соответственно по
формулам (4), (5), (6) с преобразователей 14, 15, 16, поступают на вычислитель газосодержания 17. В алгоритме обработки сигналов предусмотрены следующие логические и вычислительные операции:
- подтверждение факта наличия газа по сигналу одного из каналов сигналами других каналов;
- вычисление усредненной величины концентрации газа по показаниям двух или трех каналов с учетом рабочих диапазонов контроля каждого из каналов;
- выдача вычисленной величины концентрации в систему централизованного контроля работы оборудования;
- сигнализация о превышении заданных допустимых пределов газосодержания в теплоносителе. В итоге предложенное устройство, изображенное на фиг.1, вырабатывает информацию о наличии течи по независимым каналам, что является обязательным требованием для систем, важных для безопасности АЭС.
Предложенное устройство при его реализации на энергетических установках с жилкометаллическими теплоносителями позволит надежно диагностировать степень их герметичности и предотвращать развитие течей до аварийной ситуации с разрушением оборудования или значительным его повреждением.