СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ВНУТРИРЕАКТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING ERROR OF IN-CORE TEMPERATURE MEASUREMENTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к области атомной энергетики, а именно - к внутриреакторному контролю параметров ВВЭР, и может быть использована при измерениях температуры теплоносителя в реакторах.
Известны способы определения статических и динамических погрешностей измерения температуры термодатчиками, основанные на решении стационарных и нестационарных уравнений теплообмена [Ярышев Н.А., Теоретические основы измерения нестационарной температуры. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1990]. Уравнения выводятся при неизбежной идеализации процесса теплообмена между чувствительным элементом термодатчика и теплоносителем, содержат коэффициенты (теплоемкости, теплопроводности, теплоотдачи), значения которых, как правило, задаются с относительно высокой погрешностью (5-20% и более), и расчетные поправки на экспериментально полученные значения температуры могут существенно отличаться от истинных.
Погрешность измерения температуры теплоносителя в реакторе складывается из динамических и статических погрешностей. Первые связаны с нестационарными процессами - изменением мощности, расхода теплоносителя, пульсациями расхода, вторые вызваны тепловыделением в чувствительном элементе датчика, например вследствие радиационного нагрева или подвода (отвода) тепла от сопряженных с датчиком элементов (термоэлектродов и чехла термопары). Статические и динамические погрешности зависят от величины термического сопротивления промежутка «чувствительный элемент - теплоноситель».
Известен способ экспериментального определения динамической погрешности термодатчика, установленного в защитном канале термоконтроля, заключающийся в нагреве чувствительного элемента пропусканием через него импульса электрического тока, регистрации кривой температуры остывания чувствительного элемента, вычислении по кривой постоянной инерции термодатчика и учете запаздывания показаний термодатчика, пропорционального постоянной инерции [In-sity responce time testing of thermocouples. Hashemean H.M. et al. - Inst.Soc. of Am. Transck., 1990, vol.29, №4, pp.94-104]. Способ позволяет контролировать качество установки термодатчиков в каналах, например, подтвердить размещение рабочего конца термоэлектрического преобразователя (термопары) в посадочном гнезде канала, так как постоянные инерции для случаев правильной и неправильной установки различаются в несколько раз. Однако и при правильной установке термопары наличие термического сопротивления, определяющего эффективность передачи тепла от теплоносителя к чувствительному элементу (спаю термопары), приводит к отклонению показаний термодатчика от истинных значений температуры теплоносителя. Термическое сопротивление для каждого случая установки термодатчика индивидуально и величина отклонения измеренной температуры от истинной также индивидуальна.
Недостаток известного способа - ограничение определения погрешности измерения температуры только одной составляющей - динамической. Способ не предусматривает определение статической погрешности, возникающей при работе реактора вследствие радиационного разогрева термодатчика.
Известен способ определения температуры оболочки тепловыделяющего элемента ядерного реактора, заключающийся в нагреве чувствительного элемента термодатчика пропусканием через него импульсов тока до и после установки в активную зону, определении интегралов импульсной функции преобразованием регистрируемых кривых температуры остывания чувствительного элемента и вычислении температуры оболочки по формуле, содержащей интегралы импульсных функций, величину удельного тепловыделения в чувствительном элементе вследствие радиационного разогрева, значения площади контакта и объема чувствительного элемента, и измеренной термодатчиком температуры [Приймак С.В. и др., Способ определения температуры оболочки тепловыделяющего элемента, А.с. SU 1818944, МПК G01K 7/00, опубл. 27.05.96].
Для определения статической погрешности (разности между вычисленной с помощью выражения из формулы изобретения истинной температуры и измеренной термодатчиком) необходимо знать величину внутреннего тепловыделения в объеме термодатчика, вызванного радиационным разогревом. Расчетное определение тепловыделения из-за сложности учета вклада составляющих спектра нейтронного и гамма-излучения не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к точности вычисления истинной температуры. В известном способе предполагается измерять тепловыделение калориметрическими датчиками, установленными в различных точках активной зоны реактора, с последующим вычислением локального тепловыделения в точке размещения термодатчика. При эксплуатации реакторов измерение распределения энерговыделения по объему активной зоны (внутриреакторный контроль) осуществляют установкой каналов для активационных измерений, обеспечивающих периодическое получение данных по энерговыделению (например, в начале, середине и конце кампании для различных топливных загрузок) [Митин В.И. и др. Развитие системы внутриреакторного контроля ВВЭР. Атомная энергия, т.106, вып.5, 2009]. Ограниченное количество датчиков активационных измерений, необходимость извлечения их из реактора для получения данных по энерговыделению существенно усложняют определение погрешности измерения температуры теплоносителя. Точность определения энерговыделения в месте размещения термодатчика снижается из-за относительно больших расстояний от мест размещения активационных датчиков и их ограниченного количества. Те же недостатки присущи и калориметрическим датчикам. Конструкция активной зоны реактора ВВЭР не позволяет устанавливать в одних и тех же каналах термопары и калориметрические датчики. Например, в активной зоне реактора ВВЭР-440 из 224 измерительных каналов только 12 «сухие», то есть предназначены для установки активационных или калориметричесих датчиков.
Недостаток известного способа - неудовлетворительная точность определения статической погрешности измерения температуры.
Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и принятым в качестве прототипа является способ определения систематической погрешности внутриреакторных термодатчиков, заключающийся в нагреве чувствительного элемента пропусканием через него импульса электрического тока малой длительности (меньшей постоянной инерции датчика) для уточнения значения постоянной инерции и затем пропусканием импульса продолжительностью большей, чем постоянная инерции, вычислении термического сопротивления между чувствительным элементом термодатчика и термометрируемой средой, определении амплитуды показаний термодатчика и вычислении статической погрешности радиационного тепловыделения и динамической погрешности по определенным термическому сопротивлению, постоянной инерции датчика и измеренной температуре (амплитуде показаний термодатчика) [Тимонин А.С. Способ определения систематической погрешности внутриреакторных термодатчиков. Патент RU 2137226, МПК G21C 17/00, опубл. 10.09.99].
Принимается, что термическое сопротивление промежутка «чувствительный элемент - теплоноситель» включает две составляющие: внешнее термическое сопротивление (передача тепла от теплоносителя к внешней поверхности защитного чехла) и внутреннее (передача тепла от внутренней поверхности чехла к чувствительному элементу). Для повышения точности определения систематической погрешности предлагается снизить вклад в общее термическое сопротивление промежутка внешней составляющей до пренебрежимо малой величины за счет интенсификации теплоотдачи от теплоносителя к чехлу, например, принудительной циркуляцией теплоносителя в области размещения термодатчика.
Недостаток известного способа заключается в том, что изменение (повышение) теплоотдачи на поверхности чехла для определения систематической погрешности с необходимой точностью возможно лишь существенным изменением расхода теплоносителя, что не допускается регламентом эксплуатации реактора. Кроме того, по мере выгорания топлива изменяются профили тепловыделения по объему активной зоны [Митин В.И. и др., Развитие системы внутриреакторного контроля ВВЭР. Атомная энергия, т.106, вып.5, 2009] и, соответственно, отклонения измеренной температуры от истинной (статическая погрешность). Отсюда следует, что данные по погрешностям, полученные при монтаже термодатчиков в каналах реактора, могут существенно отличаться от погрешностей при работе реактора на номинальной мощности и в различные моменты кампании. Значения мощности радиационного тепловыделения, необходимые для определения погрешностей температуры на всех этапах работы реактора, рассчитываются на основании периодически получаемых экспериментальных данных по тепловыделению в ограниченном количестве точек по активной зоне и удаленных от мест размещения термодатчиков. Непрерывное изменение полей энерговыделения в объеме активной зоны, неизбежные отклонения расчетных значений мощности от истинных вследствие ограниченного количества корректирующих расчеты экспериментальных данных снижают точность определяемых поправок в измеряемые температуры. Неопределенность значений площади контакта чувствительного элемента, используемых при расчетах термического сопротивления, также снижает точность поправок.
В представленной в известном способе формуле для вычисления погрешности радиационного разогрева помимо мощности тепловыделения входит значение удельной объемной теплоемкости конструкции термодатчика. Принимается допущение о равенстве удельных теплоемкостей материала защитного чехла и термодатчика. Вычисление теплоемкости системы, состоящей из элементов термодатчика (термоэлектродов, спая, оболочки, засыпки из керамического материала) и участка защитного чехла из стали требует сведений по количествам материала составляющих систему элементов и удельной теплоемкости каждого материала. Неопределенность в соотношениях количеств материалов с разной теплоемкостью, составляющих систему, для которой берется среднее по объему значение удельной теплоемкости, не позволяет получить это значение с удовлетворительной точностью.
Недостатком рассмотренного способа является неудовлетворительная точность определения погрешности внутриреакторных измерений температуры вследствие отсутствия измерения статической составляющей погрешности измерения.
Из уровня техники известно устройство для контроля качества установки термодатчиков в каналах активной зоны [Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика., №3, 2000 г., стр. 64-65], позволяющее определять погрешность внутриреакторных измерений температуры. Устройство представляет собой автоматизированный комплекс, включающий следующие основные функциональные части: вычислительно-управляющий блок на базе ПЭВМ, блок формирования зондирующих импульсов тока, блок измерения температуры (сигналов термопары), аналого-цифровой преобразователь, электронный коммутатор блоков формирования импульсов и измерения температуры. Специализированная программа обеспечивает подачу импульса тока заданной величины и продолжительности через анализируемый термодатчик блоком формирования импульсов, переключение коммутатором термодатчика из положения «нагрев импульсом тока» в положение «измерение температуры», регистрацию в цифровом и графическом виде изменяющейся во времени температуры, обработку результатов измерения с выводом на экран дисплея окончательного результата - величины постоянной инерции.
Недостаток известного устройства - низкая точность определения погрешности измерения температуры теплоносителя вследствие отсутствия у него возможности получения данных по мощности зондирующих импульсов.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа определения погрешности внутриреакторных измерений температуры и устройства для его осуществления, которые бы обеспечивали достижение технического результата - повышение точности внутриреакторного контроля одного из основных параметров - температуры теплоносителя.
Решение поставленной задачи с достижением указанного технического результата заключается в том, что в способе определения погрешности внутриреакторных измерений температуры, заключающемся в нагреве чувствительного элемента термодатчика пропусканием импульсов тока, регистрации температуры остывания термодатчика, вычислении постоянной тепловой инерции и погрешности измерений температуры, согласно изобретению нагрев чувствительного элемента термодатчика осуществляют пропусканием импульсов тока на двух различных уровнях мощности реактора, которые подают последовательно, по меньшей мере, по два импульса с отличающимися длительностями и/или величинами тока, причем длительность каждого импульса превышает значение постоянной инерции, регистрируют мощность импульсов, температуру термодатчика до подачи импульсов и значения амплитуды температуры непосредственно после выключения импульсов, а погрешность измерений температуры вычисляют по формуле
b
b
a
a
b
b
a
Δ Т=T-[(RT-nRT)/n(R-R)], (1)
где n - отношение уровней мощностей реактора,
а
b
Т, Т - соответственно температура, регистрируемая термодатчиком до подачи импульсов на первом и втором уровне мощности,
a
b
R и R - термические сопротивления промежутка «чувствительный элемент - теплоноситель», определяемые выражениями
a
2
1
2
1
b
4
3
4
3
R=(Т-Т)/(Q-Q) и R=(Т-Т)/(Q-Q),
1
2
3
4
где Т, Т соответственно температуры, регистрируемые непосредственно после выключения первого и второго импульсов на одном уровне мощности, Т, Т - на другом,
1
2
3
4
a Q, Q, Q, Q - мощности соответствующих импульсов.
a
b
В выражения для R и R входят значения полной мощности зондирующих импульсов. Тепловыделение при подаче импульсов происходит по всей длине термоэлектродов. Доля тепловыделения, приходящаяся на термодатчик, определяется выражением q=Q(l/L), где L - полная длина термоэлектродов, l - длина участка термоэлектродов в термодатчике. Погрешность, связанная с неопределенностью выбора l, исключается, так как при подстановке в выражение (1) необходимых значений q=Q(l/L), величина l/L входит в числитель и знаменатель выражения и сокращается. При вычислении погрешности определения температуры теплоносителя по приведенному в формуле изобретения выражению используются измеренные при тестировании термодатчиков величины мощностей импульсов.
Условие превышения длительностей зондирующих импульсов тока значения постоянной инерции следует из необходимости обеспечения квазистационарного процесса передачи тепла от датчика к теплоносителю. В этом случае амплитуда сигнала термодатчика может быть выражена зависимостью
1
2
n
ΔT=q(r+r+……+r)=qR, (2)
1
n
1
1
1
n
2
2
k
1
2
Здесь r…r - термические сопротивления участков конструкции термодатчика и защитного чехла в промежутке «чувствительный элемент - теплоноситель». Например, r=1/(a F), r=1/(а F), r=1/(λ/δ), где a, a - коэффициенты теплоотдачи от участка поверхности спая термопары, контактирующего с засыпкой керамического порошка, и от внешней поверхности защитного чехла к теплоносителю, λ и δ - коэффициенты теплопроводности и толщины слоев порошка, зазоров между оболочкой термопары и внутренней поверхностью чехла и так далее. Расчет термического сопротивления промежутка между чувствительным элементом и теплоносителем по составляющим r на практике невозможен (прежде всего из-за отсутствия данных о величинах контактирующих площадей F и зазоров) и нецелесообразен. Для вычисления погрешностей радиационного разогрева в предлагаемом изобретении используется интегральное значение термического сопротивления R, которое определяется из решения системы уравнений:
0
1
0
1
2
2
Т-Т=qR, T-T=qR+qR и Т-Т=qR+qR, (3)
где qR - перепад температуры между теплоносителем и чувствительным элементом термодатчика (искомая статическая погрешность),
0
Т - температура теплоносителя,
Т - температура термодатчика до подачи импульсов,
1
2
Т, Т - температуры, зарегистрированные непосредственно после отключения первого и второго зондирующего импульса,
1
2
q, q - удельные мощности тепловыделения в первом и втором импульсе.
0
Значение R получено при следующих допущениях: процесс теплопередачи в начальный момент регистрации температуры квазистационарен, температура теплоносителя Т не изменяется при подаче зондирующих импульсов, изменение R при подаче импульсов на тестируемом уровне мощности пренебрежимо мало.
Время перехода теплообмена в системе измерения температуры от нестационарного состояния к стационарному может оцениваться величиной постоянной инерции.
0
Уровни тепловыделения в материале термодатчика при зондировании импульсами тока слишком малы, чтобы повлиять на состояние омывающего поверхность защитного чехла теплоносителя (воды) с массовыми расходами, исчисляемыми килограммами в секунду при массе термодатчика, не превышающей нескольких десятков грамм. Температура теплоносителя Т для каждого уровня мощности реактора при тестировании датчика по предлагаемому способу не изменяется.
Изменения регистрируемой температуры, вызываемые подачей зондирующих импульсов, не превышают 5-10 К от температуры материала термодатчика и защитного чехла. Изменения теплофизических свойств, определяющих термическое сопротивление промежутка "чувствительный элемент - теплоноситель", для таких отклонений температуры незначительны и допущение постоянства R справедливо.
a
2
1
2
1
b
4
3
4
3
Результат решения системы уравнений (3): R=(Т-T)/(q-q) для первого уровня мощности и R=(Т-Т)/(q-q) для второго.
0
0
a
b
При выводе формулы для определения статической погрешности принималось условие равенства отношений тепловых мощностей реактора и радиационных выделений тепла в термодатчиках. Такое допущение справедливо при изменении мощности таким образом, чтобы в активной зоне соблюдалось подобие полей тепловыделения. Тепловая мощность реакторов определяется по измеренному расходу и разности теплосодержания теплоносителя в пределах активной зоны. При неизменном расходе в процессе маневрирования мощностью связь между температурами теплоносителя на выходе (в зоне ее измерения) описывается выражением Т=nТ. Для двух уровней мощности реактора можно записать (для случая Q<Q, n<1):
a
b
a
b
a
0
b
b
0
a
(Q/Q)=(q/q)=n=(T-nT) R/(T-T)R, (3)
0
Из решения (3) относительно T следует:
0
b
a
a
b
b
a
Т=(RT-nRT)/n(R-R),
b
b
a
a
b
b
a
a,b
а статическая погрешность Т=T-[(RT-nRT)/n(R-R)], или после подстановки значений R:
b
4
3
4
3
а
2
1
2
1
b
4
3
4
3
2
1
2
1
ΔТ=Т-{[(Т-Т)/(q-q)]Т-n[(T-T)/(q-q)]Т}/n[(Т-Т)/(q-q)-(T-T)/(q-q)], (4)
После представления удельных значений мощности импульсов в виде q=Q(l/L) выражение (4) запишется:
b
4
3
4
3
a
2
1
2
1
b
4
3
4
3
2
1
2
1
b
4
3
4
3
a
2
1
2
1
b
4
3
4
3
2
1
2
1
ΔТ=T-{[(T-T)/(Q(l/L)-Q(l/L)]T-n[(T-T)/(Q(l/L)-Q(l/L)]T}/n{[(T-T)/(Q(l/L)-Q(l/L)]-[(T-T)/(Q(l/L)-Q(l/L)]=T-[(l/L)/(l/L)]{[(T-T)/(Q-Q)]T-n[(T-T)/(Q-Q)]T}/n[(T-T)/(Q-Q)-(T-T)/(Q-Q)], (5)
a
b
Уравнение (4) не имеет решения при R=R, однако вероятность равенства термических сопротивлений при значительно отличающихся мощностях реактора мала, так как уровни температуры (и теплофизические свойства) существенно изменяются.
Предлагаемый способ осуществляется с помощью устройства для определения погрешности внутриреакторных измерений температуры, выполненное в виде автоматизированного комплекса, включающего вычислительно-управляющий блок на базе ПЭВМ с подключенными к нему через коммутатор блоком формирования зондирующих импульсов тока и блоком измерения температуры, соединенным с аналого-цифровым преобразователем, которое согласно изобретению дополнительно содержит блок измерения и регистрации мощности зондирующих импульсов, подключенный к выходу блока формирования зондирующих импульсов и соединенный через дополнительный аналого-цифровой преобразователь с вычислительно-управляющим блоком.
Блок измерения и регистрации мощности зондирующих импульсов включает датчики Холла для измерения тока и напряжения и снабжен программой численного интегрирования мгновенных значений тока, напряжения, мощности и формирования компьютерного файла с записью и выводом на ПЭВМ комплекса.
Устройство позволяет определять качество установки термодатчика (рабочего конца термопары) в посадочном гнезде канала термоконтроля реактора и получать статическую и динамическую составляющие методической погрешности измерения температуры теплоносителя.
На чертеже представлена функциональная схема устройства для определения динамической и статической составляющих погрешности внутриреакторного измерения температуры.
Устройство содержит вычислительно-управляющий блок (1) на базе ПЭВМ (2), блок формирования зондирующих импульсов (3), снабженный источником питания (4), блок измерения температуры (5) с аналого-цифровым преобразователем (6), электронный коммутатор (7) и блок измерения и регистрации мощности зондирующих импульсов (8) с датчиками (9) и (10) для измерения соответственно тока и напряжения в импульсах и дополнительным аналого-цифровым преобразователем (11).
Тестируемый термодатчик (12) соединен с блоками формирования импульсов (3) и измерения температуры (5), которые подключены к вычислительно-управляющему блоку (1) через коммутатор (7). По команде вычислительно-управляющего блока (1) после подачи импульса на термодатчик (12) коммутатор (7) переключает термодатчик (12) на блок измерения температуры (5). Блок измерения и регистрации мощности импульсов (8) подключен к блоку формирования импульсов (3). Датчики тока (9) и напряжения (10) соединены через аналого-цифровой преобразователь (11) с вычислительно-управляющим блоком (1). В функции программного обеспечения и ПЭВМ входят регистрация (в цифровом и графическом видах) температуры и мощностей импульсов, хранение и обработка результатов измерения.
Работа устройства осуществляется следующим образом. На вычислительно-управляющем блоке (1) ПЭВМ (2) устанавливается программа проведения тестирования термодатчика (12), определяющая продолжительность импульсов, величину тока в импульсах, продолжительность интервалов между импульсами. Электронный коммутатор (7) по команде вычислительно-управляющего блока (1) поочередно подключает к термоэлектродам датчика блок формирования импульсов (3) и блок измерения температуры (5). Измеренные датчиками Холла (9) и (10) во время подключения блока формирования импульсов ток и напряжение подаются на аналого-цифровой преобразователь (11) и далее в виде цифрового кода в ПЭВМ. Во время подключения блока измерения температуры (5) через аналого-цифровой преобразователь (6) в ПЭВМ подается в цифровом коде сигнал термодатчика - кривая возврата температуры к исходному (до подачи импульса) состоянию. Вычислительно-управляющий блок ПЭВМ обрабатывает и хранит полученную информацию. Зависимость мощности в импульсе от времени, получаемая перемножением мгновенных значений тока и напряжения, зависимости температуры от времени представляются в графическом и цифровом виде. На экран монитора выводятся также значения постоянной инерции и погрешности радиационного разогрева.
Как пример конкретного осуществления способа рассматривается определение составляющих погрешности термодатчика на основе термоэлектрического преобразователя типа ТХА-2076, используемого для измерения температуры теплоносителя в ВВЭР-440. Постоянная инерции при правильной посадке таких термопар в наконечниках термоконтроля составляет 10-30 секунд. При определении погрешности предлагаемым способом продолжительность зондирующих импульсов принимается равной 20-60 секундам (не менее чем в два раза превышающих величину постоянной инерции). Точная величина динамической составляющей определяется из среднего значения постоянной инерции, полученного обработкой температурных кривых остывания чувствительного элемента после каждого из четырех импульсов. Уровни токов в импульсах 0,5-2,5 А. Вызываемые подачей импульсов максимальные отклонения температуры от рабочих, регистрируемых термопарой, (амплитудные значения температуры на кривых остывания) не превышают 20 К. Показания термопары до подачи импульсов при мощности реактора 100% - 327°C, при мощности 90% - 295°C. Показания термопары непосредственно после отключения зондирующих импульсов 341 и 332°C (мощность реактора 100%, мощности импульсов 320 и 240 Вт) и 306 и 302°C (мощность реактора 90%, мощности импульсов 294 и 220 Вт). Рассчитанная по формуле (5) погрешность измерения температуры теплоносителя по приведенным измерениям составляет - 1,5 К.
Работы по определению погрешностей измерения температуры теплоносителя выполняются во время плановых маневрирований мощностью реактора. Регламент эксплуатации реакторов предусматривает цикл маневрирования мощностью, например 100-80-100% для ВВЭР-1000 и 100-20-100% для ВВЭР-1200.
Предложенные способ и устройство позволяют определять поправки в измеряемую температуру на работающем реакторе на любом этапе кампании с различными топливными загрузками и тем самым повысить точность внутриреакторного контроля одного из основных параметров - температуры теплоносителя.