СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В РЕЗЕРВУАРЕ
METHOD AND DEVICE FOR MONITORING LEVEL OF LIQUID IN RESERVOIR

Настоящее изобретение относится к способу контроля уровня жидкости в резервуаре, в частности контроля уровня теплоносителя в напорном корпусе реактора атомной установки, охлаждаемой водой под давлением, при этом на основании измеренной разности температур нагреваемого и соответствующего ему ненагреваемого термоэлементов, размещенных в резервуаре, делается вывод о понижении уровня жидкости ниже высоты размещения нагреваемого термоэлемента. Изобретение относится также к электронному блоку обработки данных и управления для осуществления способа, а также к устройству для контроля уровня с блоком обработки данных и управления такого типа.
Измерительные устройства или зонды уровня заполнения, которые на основании термоэлектродвижущей силы, генерируемой нагреваемым термоэлементом, позволяют делать вывод о высоте уровня заполнения в резервуаре, используют, в частности, на атомных электростанциях, так как они по сравнению с измерительными устройствами, основанными на других принципах измерения, являются сравнительно невосприимчивыми к радиоактивному излучению и поэтому могут надежно работать даже в случае аварии с возможно повышенным уровнем радиации. Измерительные устройства такого типа применяют, например, в напорном корпусе реактора атомной установки, охлаждаемой водой под давлением, чтобы - в частности, во время пуска и останова и в нестационарных рабочих режимах - контролировать высоту уровня жидкого теплоносителя, протекающего через первичный контур энергетической установки, выше тепловыделяющих элементов.
Принцип измерения основывается на использовании различных характеристик теплопередачи, проявляющихся при переходе тепла от нагревательного элемента, с одной стороны, к окружающему жидкому теплоносителю и, с другой стороны, к газо- или парообразной среде. Пока нагревательный элемент окружен жидкой охлаждающей средой, то выделяемое им тепло отводится быстро, так что температура непосредственно прилегающей к нему среды несущественно выше температуры окружающей среды, устанавливающейся при отсутствии нагрева. Если, например, как в нормальном режиме работы реактора, так и в случае аварии реактора возникнет ситуация, что вследствие эксплуатационных требований или вследствие потери давления в первичном контуре уровень жидкости в напорном корпусе реактора опустится ниже высоты размещения нагревательного элемента, который вследствие этого будет окружен парообразным теплоносителем, то ухудшатся характеристики теплопередачи. Вследствие этого температура среды, окружающей нагревательный элемент, повысится, что может быть обнаружено посредством термометра или измерительного преобразователя температуры, размещенного рядом с нагревательным элементом.
Вследствие надежности и устойчивости при эксплуатации в качестве измерительных преобразователей температуры, как правило, применяют термоэлементы, которые генерируют термоэлектродвижущую силу по существу пропорционально значению температуры.
Как правило, несколько нагреваемых термоэлементов располагают на определенных расстояниях друг от друга на стержне- или трубкообразном носителе или на/в удлиненной измерительной трубке, которые погружают в жидкость, контролируемую относительно их уровня, и внутри которых размещают также запитывающие и сигнальные линии, необходимые для электропитания нагревательных элементов и передачи сигналов на внешний блок обработки данных. Таким образом, чувствительные элементы, расположенные на различных высотах или позициях измерения, делают возможным получение цифровых, дискретно привязанных к пространству показаний высоты уровня заполнения резервуара, причем (локальное) разрешение зависит от числа термочувствительных элементов на единицу высоты.
Измерительное устройство данного типа известно, например, из DE 10 2006 025 220 A1. При этом наряду с нагреваемыми термоэлементами, действующими в качестве первичных датчиков сигналов, внутри измерительной трубки размещают также ненагреваемые термоэлементы, которые генерируют опорный сигнал, соответствующий первичному сигналу. Таким образом, при оценке данных по температуре и определению из них высоты уровня заполнения удается учитывать также изменения во времени температуры жидкости или окружающей среды. Без принятия мер такого типа можно было бы, например, ложно истолковать повышение или понижение температуры жидкости как изменение высоты заполнения или "замаскировать" фактическое изменение высоты заполнения одновременным изменением температуры жидкости.
Как правило, при оценке измеренных сигналов находят разность температур нагреваемого и соответствующего ему ненагреваемого (опорного) термоэлемента. Сигнал тревоги инициируется, если разность температур достигает определенного заданного значения, которое не может быть ошибочно принято за нормальную флуктуацию температуры среды в реакторе и надежно сигнализирует, что уровень жидкости снизился ниже высоты размещения нагреваемого термоэлемента в резервуаре. Таким образом, для инициирования сигнала тревоги используют данные о температурах нагреваемого и соответствующего ему ненагреваемого термоэлементов (опорная температура) и затем формируют значение разности температур в электронном блоке обработки данных или переключают нагреваемый и ненагреваемый термоэлементы друг с другом так, что результирующий сигнал непосредственно отражается на разности температур обоих термоэлементов.
В контексте атомной промышленности это означает, что при таком типе использования измерения опорной температуры на разность температур не влияют или по меньшей мере в малой степени влияют изменения температуры теплоносителя в реакторе при пуске и останове или при внезапном изменении температуры вследствие нештатного повышения нагрузки или так называемой холодной стратификации, так как нагреваемые и соответствующие им ненагреваемые термоэлементы затрагиваются ими в равной мере.
Однако это является справедливым только при рассмотрении идеального случая. Напротив, на практике следует принимать во внимание эффекты второго порядка.
2
К ним относится прежде всего тот факт, что без активного регулирования нагревающего тока разность температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов при возрастающей температуре окружающей среды, т.е. при возрастающей температуре охлаждающей среды реактора, уменьшается. Это зависит в том числе от того, что при возрастающей температуре среды в резервуаре более сильно (снаружи) нагревается также нагревающая нить с нагревательными элементами или зонами нагрева (участками нагревающей нити с повышенным сопротивлением), предусмотренными для нагревания термоэлементов. В силу этого повышается сопротивление нагревающей нити и при неизменном напряжении через нее проходит более низкий ток. Вследствие этого снижается также тепловая мощность нагревательного элемента, так как она пропорциональна квадрату проходящего через него тока (P=R*I).
Это означает, что поскольку, с одной стороны, при нерегулируемом нагревающем токе разность температур окруженных жидкостью нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов при возрастающей температуре жидкости уменьшается, а с другой стороны, из соображений простоты системы регулирования, как правило, задают единственное постоянное предельное значение разности температур для инициирования сигнала тревоги, то при возрастающей температуре увеличивается требуемое для инициирования сигнала тревоги повышение температуры нагреваемого термоэлемента, чему способствует изменение характеристик теплоотдачи при понижении уровня жидкости и при переходе в паровую фазу.
Если требуемое повышение температуры для достижения предельного значения является излишне большим, то это может привести затем к недопустимо большому времени срабатывания, которое не соответствует требованиям техники безопасности. Кроме того, меньшая мощность нагрева при одновременном повышении температуры окружающей среды ведет также к меньшему скачку сигнала в случае, когда уровень жидкости опускается ниже высоты нагреваемого термоэлемента. Это означает, что в неблагоприятном случае сигнал тревоги не будет инициироваться.
Для компенсации описанных эффектов были разработаны способ и соответственно адаптированное измерительное устройство, в случае которых ток, проходящий через нагревающую нить, регулируется так, что он даже при повышении рабочих температур не уменьшается или даже в некоторой степени увеличивается, чтобы непосредственно в интервале высоких температур сокращать время ответной реакции системы, то есть время срабатывания в аварийном случае. Благодаря такому регулированию нагревающего тока на практике достигается то, что разность температур ("дельта T") нагреваемого и соответствующего ему ненагреваемого термоэлемента в жидкости остается практически постоянной, т.е. не зависит от рабочей температуры.
Другими словами, регулирование нагревающего тока обеспечивает наличие практически горизонтального участка на графике, на котором разность температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов - в жидкости - выражена в зависимости от температуры среды ("дельта T от T"). Благодаря этому можно определить единственное предельное значение разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов:
при превышении которого инициируется сигнал тревоги, который надежно сигнализирует, что уровень заполнения упал ниже нагреваемого термоэлемента;
которое является действительным для всего допустимого температурного интервала контролируемой жидкости (охлаждающая среда реактора);
которое обуславливает приемлемое время срабатывания.
Однако наряду с данными очевидными преимуществами способ регулирования нагревающего тока обладает также недостатками.
Существенный недостаток состоит в том, что система регулирования нагревающего тока при неблагоприятных обстоятельствах может отказывать. При возможном отказе системы регулирования нагревающего тока графическая характеристика разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов, выраженная в зависимости от рабочей температуры, оказывалась бы снова неудовлетворительной.
В случае атомной промышленности это означает, что когда после такого отказа системы регулирования в режиме нагрузки нагревающий ток увеличивают вручную для уменьшения времени срабатывания или для инициирования сигнала тревоги, то впоследствии это ведет к инициированию сигнала тревоги при остановке реактора, хотя уровень теплоносителя в действительности не является сниженным (ложный сигнал тревоги). Таким образом, в зависимости от варианта реализации системы блокировки ложное инициирование сигнала тревоги может вести к автоматическому пуску питательных насосов высокого давления и тем самым к нежелательному повышению давления в первичном контуре с последующим срабатыванием предохранительных клапанов. Вследствие такой особенности измерительную систему невозможно эксплуатировать в любом интервале рабочих температур с мощностью нагрева, согласованной с наиболее высокой рабочей температурой, что собственно было бы желательным в расчете на достигнутую высоту скачка сигнала в случае срабатывания.
Наряду с этим существуют также и другие проблемы. Если части нагревающей нити омываются более холодной средой, то впоследствии это ведет к уменьшению нагревающего тока и тем самым, наряду с уменьшением разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов, также к незначительному скачку сигнала. Это объясняется тем, что принятая в настоящее время система регулирования регистрирует изменение температуры среды только косвенно по изменению сопротивления нагревающей нити.
Такое косвенное регулирование имеет своим следствием также то, что нагревающая нить должна быть выполнена из материала, удельное сопротивление которого в зависимости от температуры изменяется в значительной степени, так как это является предпосылкой для устойчивого регулирования. Данное обстоятельство оказывает сильное влияние на конструкцию зондов, так как необходимо обеспечить, чтобы применяемая нагревающая нить обладала требуемыми свойствами. Это может вызывать значительное усложнение координирования относительно устройства сопряжения между собственно измерительным зондом и электронным блоком обработки данных.
Поэтому в основе данного изобретения лежит задача разработки способа и соответствующего ему устройства для контроля уровня заполнения, которые при незначительном усложнении аппаратуры и системы регулирования обеспечивают особенно надежное инициирование сигнала тревоги с коротким временем срабатывания, как только контролируемый уровень жидкости опускается ниже критического значения.
Касательно способа задача по настоящему изобретению решена за счет того, что изменение во времени разности температур непрерывно контролируют в отношении значительного, в частности, скачкообразного увеличения в течение интервала времени, предшествующего соответствующему моменту оценки и имеющего заданную продолжительность, причем сигнал тревоги подается, как только изменение разности температур в течение интервала времени достигнет заданного предельного значения или превысит его.
Настоящее изобретение основывается на том соображении, что оценка измеренной разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов должна последовательно интерпретироваться исходя из возможно более раннего детектирования сравнительно круто восходящих или скачкообразных фронтов дифференциального сигнала для обнаружения понижения уровня жидкости уже в начальной стадии. В отличие от реализуемого до настоящего времени принципа измерения, по которому инициирование сигнала тревоги без усложнений просто связывают с тем, что измеренная разность температур превышает когда-либо во временном интервале контролирования однажды установленное (глобальное) предельное значение, в настоящем изобретении изменение разности температур в течение интервала времени, заданной продолжительности, определяют как инициирующий критерий. Если значение разности температур задают в виде функционального графика зависимости от времени, то при этом известным образом перемещается соответствующий оценке интервал времени или "временное окно" с участком функции, идущим в направлении оси времени, и таким образом постоянно обновляется.
Величину интервала времени по соображениям целесообразности выбирают так, что она по существу является соразмерной или чуть короче интервала времени контролируемых процессов, т.е. изменения уровня и обуславливаемой этим динамики изменения температуры термоэлементов. Кроме того, по соображениям целесообразности принцип измерения соответствует контролю в режиме реального времени. Поэтому конечный момент интервала времени, соответствующего оценке, совпадает по существу с моментом оценки, который в свою очередь по существу соответствует моменту времени, для которого имеется последнее измеренное значение разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов.
В особенно предпочтительном варианте осуществления определяют последовательность разностей температур для множества периодически следующих друг за другом моментов измерения, причем для момента оценки находят разности между последним найденным членом последовательности и всеми его предшественниками, моменты измерения которых лежат в интервале времени заданной продолжительности, и при этом сигнал тревоги инициируется, как только по меньшей мере одна из разностей достигнет заданного предельного значения или превысит его. При этом процесс оценки по соображениям целесообразности повторяют в виде итерационной процедуры для каждого момента измерения.
Такой вариант способа с дискретными временными тактами является особенно хорошо приемлемым при преобразовании посредством цифрового электронного блока обработки данных, в частности, посредством цифровой защитной управляющей техники промышленной атомной установки. При этом промежуток времени между отдельными моментами измерения выбирают преимущественно существенно короче продолжительности интервала времени, соответствующего оценке. Благодаря упомянутому типу формирования разностей между членами последовательности серии измерений особенно эффективно регистрируются скачкообразные изменения разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов. В предельном случае соответствующий скачок сигнала между двумя последовательными временными тактами (моментом оценки и непосредственно предшествующим моментом измерения) уже привел бы к немедленному инициированию сигнала тревоги. С другой стороны, увеличение разности температур, не являющееся в такой степени резким, также ведет к инициированию сигнала тревоги, если установленное предельное значение изменения в заданном интервале оценки окажется превышенным.
Особенно предпочтительным при применении в атомной промышленности является вариант, когда временной промежуток между двумя следующими непосредственно друг за другом моментами измерения задан в интервале от 50 до 1000 мс, в частности в интервале от 100 до 350 мс. Величина интервала времени, соответствующего процессу оценки, задается преимущественно в интервале от 30 до 100 с и составляет, в частности, приблизительно 50 с. Такое значение приблизительно соответствует промежутку времени, в течение которого, как правило, завершаются переходные термические процессы в термоэлементах и их оболочках после того, как уровень теплоносителя в напорном корпусе реактора понизится ниже нагреваемого термоэлемента.
Если, например, временной промежуток между последовательными моментами измерения составляет 250 мс, а промежуток времени, соответствующий оценке, задан равным 50 с, то для отдельного процесса оценки в электронном блоке обработки данных должны быть временно сохранены 200 измерений сигналов разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов. Преимущественно такое промежуточное сохранение осуществляют в модуле памяти, который работает по принципу "First-in-First-out" (FIFO, "первый вошел - первый вышел"). При этом, как в случае сдвигового регистра, содержимое памяти с каждым временным тактом сдвигают на одну ячейку, а освобождающуюся позицию памяти занимают последним найденным значением измерения.
Если формирование разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов осуществляют только в устройстве обработки данных и соответствующий дифференциальный сигнал не получают путем соответствующего переключения термоэлементов, то преимущественно может быть предусмотрено промежуточное сохранение отдельных температурных сигналов обоих соответствующих друг другу термоэлементов. Затем в блоке обработки данных осуществляют формирование разности относительно обоих термоэлементов, причем значения отдельных разностей температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов преимущественно также временно сохраняют, чтобы при формировании разности между следующими во времени друг за другом членами последовательности не нужно было вычислять их каждый раз снова (что принципиально также возможно).
В другом предпочтительном варианте осуществления предусмотрена дифференциация сигналов тревоги, при этом для соответствующего процесса оценки задают несколько разных предельных значений, при достижении или превышении которых инициируются соответствующие различные сообщения тревожной сигнализации, сопровождаемые при необходимости различными последующими ответными действиями. Например, можно инициировать предупредительные оповещения для заданных, сравнительно низких скачков разности температур и таким образом направлять внимание оператора на возможно существующую проблему. Другими словами, сначала может быть предусмотрено объявление готовности к действиям по сигналу тревоги, после чего следуют аварийные состояния разной степени тяжести или приоритета.
При этом преимуществом является то, что инициированный сигнал тревоги или состояние готовности к действиям по сигналу тревоги отменяется, если уровень заполнения в контролируемом резервуаре после первоначального понижения вновь повышается.
В первом варианте, в котором равным образом могут применяться термоэлементы с регулированием или без регулирования нагревающего тока, сигнал тревоги деактивируется, если после инициирования сигнала тревоги уменьшение разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов становится равным заданной величине в течение заданного промежутка времени. Это означает, что также и в данном случае изменение измеренного значения в течение определенного промежутка времени является определяющим.
Во втором варианте, который, однако, представляется рациональным только при регулировании нагревающего тока, инициированный сигнал тревоги деактивируется, если после инициирования сигнала тревоги уменьшение разности температур становится равным заданному температурно-независимому предельному значению или меньшим.
Альтернативно в третьем варианте измеряют температуру и/или давление среды, контролируемой относительно ее высоты уровня в резервуаре, и инициированный сигнал тревоги деактивируется, если после инициирования сигнала тревоги уменьшение разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов становится равным предельному значению, заданному в зависимости от текущего значения температуры и/или текущего значения давления, или меньшим.
Касательно устройства ранее упомянутая задача решена за счет электронного блока обработки данных и управления, предназначенного для применения в устройстве для контроля уровня жидкости в резервуаре и содержащего:
по одному сигнальному входу для измеренных сигналов соответствующего нагреваемого и ненагреваемого термоэлемента, а также вычитающий блок, который из измеренных сигналов формирует сигнал разности температур, характерный для разности температур относительно обоих термоэлементов;
или альтернативно сигнальный вход для сигнала разности температур схемы с нагреваемым и ненагреваемым термоэлементами;
блок обработки данных со средствами непрерывного контроля изменения во времени разности температур в отношении значительного, в частности скачкообразного, увеличения в течение интервала времени заданной продолжительности, предшествовавшего соответствующему моменту оценки;
а также средства для подачи сигнала тревоги, как только увеличение разности температур в течение интервала времени достигнет заданного предельного значения или превысит его.
При этом электронный блок обработки данных и управления по соображениям целесообразности представляет собой узел устройства для контроля уровня жидкости в резервуаре, в частности для контроля уровня теплоносителя в напорном корпусе реактора атомной установки, охлаждаемой водой под давлением, который содержит по меньшей мере один нагреваемый и один соответствующий ему ненагреваемый термоэлемент, присоединенные к блоку обработки данных и управления.
Концепция по настоящему изобретению по сравнению с известными в настоящее время или традиционными концепциями обладает целым рядом преимуществ.
1. Отсутствие необходимости наличия горизонтального участка на графике разности температур
Согласно изложенному во введении, до настоящего времени было необходимо достигать в жидкой фазе приблизительно равной разности температур нагреваемого и соответствующего ему ненагреваемого термоэлемента, не зависящей от рабочей температуры. Благодаря новому способу оценки отпадает необходимость наличия горизонтального участка, параллельного оси времени, на графике разности температур, так как оцениваются только изменения разности температур в течение определенного промежутка времени, например, в течение последних 50 с.
2. Отсутствие проблем при отказе системы регулирования нагревающего тока
Для случая, в котором предусмотрено регулирование нагревающего тока, существует единственное требование к нагревающему току, состоящее теперь в том, что он должен быть подобран по величине так, что даже при максимальной рабочей температуре обеспечивается еще достаточно высокий скачок сигнала (изменение разности температур) в течение достаточно короткого времени, если уровень жидкости понижается ниже нагреваемого термоэлемента. Если регулирование нагревающего тока спроектировано так, что нагревающий ток при отказе системы регулирования принимает значение (максимально допустимое напряжение), предусмотренное для максимальных рабочих температур, то функция измерения уровня заполнения даже при отказе системы регулирования нагревающего тока не ухудшается.
3. Возможность отказа от активного регулирования нагревающего тока
С новым способом оценки сигналов принципиально возможно также эксплуатировать нагревающую нить нагреваемого термоэлемента всегда с напряжением, предусмотренным для максимальных рабочих температур. Можно полностью отказаться от активного регулирования без опасения, что это приведет к ложным сигналам тревоги при пуске и останове. Постоянное напряжение, прикладываемое к нагревающей нити, при охлаждении реактора вследствие уменьшающегося сопротивления нагревающей нити обуславливает более высокий ток. Тем самым разность температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов увеличивается при уменьшающейся температуре теплоносителя в реакторе, что до настоящего времени могло инициировать ложный сигнал тревоги. Однако благодаря новому способу оценки сигналов это больше не представляет собой проблему, так как такое повышение температуры среды в реакторе не имеет скачкообразного характера. Кроме того, благодаря возрастающему нагревающему току время срабатывания уменьшается, а скачки сигналов увеличиваются.
При отказе от активного регулирования материал нагревающей нити между нагревательными элементами можно также оптимизировать так, что она будет иметь возможно более низкое сопротивление, за счет чего снизится потребление электроэнергии измерительной системы. При этом больше не нужно учитывать требовавшееся до настоящего времени температурно-зависимое наименьшее изменение сопротивления нагревающей нити, которое до настоящего времени было необходимым для достижения устойчивого регулирования. Напротив, изменение сопротивления всей нагревающей нити в зависимости от температуры должно быть теперь возможно более низким, чтобы токи при низких температурах не были излишне высокими.
Если несколько термоэлементов нагревается одной и той же нагревающей нитью, то благодаря новому способу оценки сигналов возможно калибровать только термоэлемент с наихудшим срабатыванием при максимальной рабочей температуре. Другие термоэлементы не требуется специально калибровать, так как наличие горизонтального участка на графике разности температур больше не требуется.
Данное обстоятельство представляет собой особенное преимущество для конструкции таких измерительных зондов, в которых несколько термоэлементов нагревается одной нагревающей нитью и в которых одновременное достижение горизонтального участка для всех измеренных разностей температур является особенно трудным.
4. Возможность при необходимости упрощенного регулирования нагревающего тока
Если от регулирования нагревающего тока в зависимости от рабочей температуры не хотят отказаться полностью (например, чтобы в еще большей степени снизить энергопотребление), то проблем актуального регулирования нагревающего тока при холодной стратификации можно избежать посредством установления нагревающего тока непосредственно в зависимости от усредненной температуры среды. Вследствие уменьшенных требований к графической характеристике разности температур и тем самым к величине нагревающего тока такой вариант возможен теперь без неблагоприятных последствий.
5. Сокращенное время срабатывания
До настоящего времени, несмотря на систему регулирования нагревающего тока и особенно при ее отказе, при различных рабочих температурах для инициирования сигнала тревоги требуются различные значения увеличения разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов. Так как благодаря новому способу оценки сигнал тревоги всегда инициируется в случае, если разность температур в течение определенного промежутка времени увеличивается до определенного строго заданного значения, то время срабатывания для всех рабочих температур сокращается до наиболее короткого времени срабатывания, достижимого при существовавшем до настоящего времени способе оценки.
6. Гибкие индивидуальные предельные значения и оптимизированное время отклика
В связи с цифровой архитектурой системы для каждой пары термоэлементов при необходимости просто и быстро могут быть определены или параметрированы индивидуальные предельные значения (скачки разности температур), которые учитывают особенности, обусловленные изготовлением. Благодаря применению свободно программируемой системы автоматизации, которая взаимодействует или обменивается информацией также с остальными управляющими техническими устройствами, предельные значения могут быть, кроме того, оптимизированы в зависимости от рабочей температуры и давления в первичном контуре.
7. Дифференцированные сообщения тревожной сигнализации
Возможность выдачи дифференцированных сообщений тревожной сигнализации и их преимущества рассмотрены ранее.
8. Адаптация и комментирование сообщений тревожной сигнализации
Благодаря использованию информации, имеющейся в цифровой системе защиты реактора, можно также оценивать сигналы зондов уровня заполнения в зависимости от отклонений работы атомной установки от нормального режима (например, отказ насосов подачи теплоносителя, изменение давления в первичном контуре и т.п.). Если система защиты реактора фиксирует такие отклонения и из предшествовавших испытаний или расчетов или из опыта эксплуатации известно, что такие отклонения могут влиять на измерение уровня заполнения, то затем автоматическая экспертная система, сконфигурированная соответствующим образом, посредством соответствующих логических операций может согласовать предельные значения для измерения уровня заполнения или прокомментировать поданные сигналы. Комментарии при возникновении таких нештатных случаев эксплуатации могут отображаться автоматически на устройстве визуального отображения системы контроля наряду с сигналами предупреждения или тревоги и, таким образом, препятствовать ложной интерпретации человеком-оператором.
Упомянутые ранее преимущества прежде всего не зависят от конкретной конструкции измерительных зондов, несущих нагреваемые и ненагреваемые термоэлементы, и могут быть реализованы исключительно путем соответствующего исполнения или программирования электронного блока обработки данных и управления.
Кроме того, достигаются также и другие преимущества, если конструкцию зондов адаптируют к уже имеющимся условиям и возможностям оценки сигналов.
Как уже было пояснено, предусматриваемая оценка сигналов снижает требования, предъявляемые к регулированию нагревающего тока, или даже позволяет полностью пренебречь ими. Благодаря этому отпадает дорогостоящая в настоящее время калибровка по графической характеристике нагревающего тока, затрудненная прежде всего использованием одной и той же нагревающей нити для нагрева нескольких термоэлементов в зонде. Таким образом, в настоящее время несколько термоэлементов могут нагреваться посредством одной и той же нагревающей нити, при этом качество измерения не ухудшается. Вследствие этого при равных требованиях по дублированию снижаются затраты на монтаж кабельной проводки в зонде или при равных затратах на монтаж кабельной проводки может быть задействовано большее число позиций измерения, чем на предшествующем уровне техники, в частности, для более высокого разрешения по высоте измерения уровня заполнения. Такое улучшенное разрешение по высоте обеспечивает улучшенное отслеживание изменения уровня заполнения во времени, а также возможно улучшенный прогноз будущего изменения, например, путем экстраполяции полученных ранее данных. Дополнительно при сочетании информации по скорости понижения уровня жидкости (или изменения скорости понижения) с простыми физическими моделями динамики изменения уровня заполнения и при необходимости с другими данными измерений системы защиты реактора могут быть получены оценки величины утечки или эффективности ответных действий.
Обобщенно новый способ оценки при одинаковой конструкции измерительных зондов, соответствующей предшествующему уровню техники, прежде всего обеспечивает:
отказ от регулирования нагревающего тока или упрощенное осуществление;
сокращенное время срабатывания;
оптимизацию времени срабатывания в зависимости от температуры или давления;
выдачу дифференцированных сообщений тревожной сигнализации;
оценку и комментирование сигналов зондов в переходных режимах;
уменьшение вероятности появления ложных сигналов тревоги;
снижение потребления электроэнергии.
Модифицированная соответствующим образом конструкция зондов совместно с новой оценкой сигналов обеспечивает:
большее число точек измерения на единицу высоты;
прогнозирование изменения уровня заполнения;
оценку величины утечки.
Кроме того, благодаря предложенным изменениям упрощается соединение электронного блока обработки данных с зондами указателей уровня различных производителей и в меньшей степени проявляется проблема совместимости.
Пример осуществления настоящего изобретения более подробно поясняется чертежами. Показаны на:
фиг.1: схематичный вид сбоку устройства для контроля уровня жидкости в напорном корпусе реактора с несколькими парами соответствующих друг другу нагреваемых и ненагреваемых термоэлементов;
фиг.2: пример изменения во времени разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов во время процесса понижения уровня жидкости при рабочей температуре приблизительно 115°C;
фиг.3: таблица, относящаяся к изменению во времени разности температур согласно фиг.2, в которой приведенные данные наглядно поясняют предпочтительный способ оценки для контроля уровня заполнения и инициирования сигнала тревоги;
фиг.4: пример изменения во времени разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов во время процесса понижения уровня жидкости при рабочей температуре приблизительно 330°C;
фиг.5: таблица данных, относящихся к изменению разности температур согласно фиг.4.
Устройство 2 для измерения уровня заполнения, показанное в качестве примера на фиг.1 в схематическом виде сбоку, служит для контроля уровня жидкого теплоносителя F в напорном корпусе 4 реактора не показанной подробно атомной установки, охлаждаемой водой под давлением. Устройство 2 содержит три удлиненные измерительные трубки 6, выполненные в виде штыревидных зондов, которые при монтаже измерительного устройства 2 сверху через предусмотренные с этой целью углубления в плите крышки 8 вдвигают во внутреннюю часть напорного корпуса 4 реактора и при работе реактора по меньшей мере частично погружены в жидкий теплоноситель F. Высота уровня или высота уровня заполнения по отношению к дну корпуса обозначена на фиг.1 буквой H, причем, разумеется, можно было бы использовать также другие соответствующие уровни. Над зеркалом жидкости 10 находится парообразная охлаждающая среда, кратко обозначенная "пар D".
Три измерительные трубки 6 устройства 2 ориентированы вертикально и в напорном корпусе 4 реактора смонтированы на расстоянии друг от друга; таким образом, они расположены параллельно друг к другу, но не соприкасаются. На нижнем конце каждой из трех измерительных трубок 6 имеется водонепроницаемая закрытая цилиндрическая гильза 12, выполненная из водонепроницаемого, выдерживающего давление, коррозионностойкого и высокотеплопроводного материала. В примере осуществления с этой целью применяют специальную сталь.
1
2
1
3
4
4
3
2
1
Во внутреннем пространстве 14 каждой измерительной трубки 6 размещено некоторое число термоэлементов. В измерительной трубке, обозначенной как "трубка 1", размещены два нагреваемых термоэлемента (heated thermocouples), а именно: нагреваемый термоэлемент HT1, расположенный на высоте h, и находящийся над ним нагреваемый термоэлемент HT3, расположенный на высоте h. Во внутреннем пространстве 14 измерительной трубки, обозначенной как "трубка 3", размещены три нагреваемых термоэлемента, а именно: нагреваемый термоэлемент HT2 на высоте h, находящийся над ним нагреваемый термоэлемент HT4 на высоте h и, наконец, нагреваемый термоэлемент HT5 на высоте h. Значения высот удовлетворяют неравенствам h>h>h>h. Кроме того, во внутреннем пространстве 14 трубки 1 и трубки 3 размещены нагревательные элементы (heating elements), а именно: HE1 в трубке 1 и HE2 в трубке 3. Нагревательные элементы выполнены в виде нагревательных нитей, которые проходят сквозь нагреваемые термоэлементы HT1 и HT3 или HT2, HT4 и HT5, причем нагревающие нити имеют зоны нагрева, которые расположены рядом с данными термоэлементами и за счет которых нагревается непосредственно прилегающая среда.
Как нагревательные элементы HE1 или HE2, так и термоэлементы HT1 и HT3 или HT2, HT4 и HT5 прилегают непосредственно к внутренней стенке соответствующей высокотеплопроводной гильзы 12. Нагревающие нити, а также сигнальные и питающие линии, необходимые для электропитания и передачи сигналов термоэлементов, проведены во внутреннем пространстве 14 измерительной трубки 6 до присоединительного адаптера 16, находящегося за пределами плиты крышки 8 напорного корпуса 4 реактора. Посредством двух присоединительных адаптеров 16, соответственно относящихся к трубкам 1 и 3 (из которых на фиг.1 показан только адаптер, относящийся к трубке 3), термоэлементы HT1-HT5 по стороне сигнала связаны со схематично обозначенным на данной фигуре электронным блоком обработки данных и управления 18, который в свою очередь связан с другими компонентами системы защиты реактора, в частности с датчиком сигнала тревоги (не показан). Датчик сигнала тревоги может быть интегрирован также в блок обработки данных и управления 18.
1
2
3
4
Во внутреннем пространстве 14 измерительной трубки 6, обозначенной как "трубка 2", размещены пять ненагреваемых термоэлементов (unheated thermocouples), из которых два размещены на высоте h (UHT1 и UHT2) и по одному на высоте h, h и h (UHT3, UHT4 и UHT5 соответственно). При этом каждый из ненагреваемых термоэлементов UHT1-UHT5 имеют прямой контакт с внутренней стенкой высокотеплопроводной гильзы 12 и по стороне сигнала связаны посредством присоединительного адаптера, не показанного подробно на данной фигуре, с внешним блоком обработки данных 18. При этом какое-либо нагревательное устройство или тому подобное в трубке 2 не предусмотрено.
С целью оценки сигналов и определения уровня заполнения каждый нагреваемый термоэлемент (датчик первичного сигнала) взаимосвязан с ненагреваемым термоэлементом (датчиком опорного сигнала), находящимся на такой же высоте в другой измерительной трубке. Таким образом, для оценки сигналов в блоке обработки данных 18 образованы пять пар от HT1-UHT1 до HT5-UHT5, что на фиг.1 схематично обозначено линиями, обрамляющими дополняющие друг друга термоэлементы. По измеренной термоэлектродвижущей силе каждого термоэлемента определяют температуру, имеющуюся на соответствующей позиции. Затем для каждой пары от HT1-UHT1 до HT5-UHT5 определяют разность температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов.
4
Принцип действия нагреваемых и ненагреваемых термоэлементов и их применение для измерения уровня заполнения описаны на примере пары датчиков сигналов HT5-UHT5. Исходные условия фиг.2 соответствуют режиму работы реактора с высотой уровня заполнения H в напорном корпусе 4 реактора при нормально функционирующем контуре охлаждения с температурой теплоносителя приблизительно 115°C (например, при пуске, во время которого повышение температуры теплоносителя составляет приблизительно 10-30°C в час). До тех пор пока уровень жидкого теплоносителя F лежит выше высоты размещения нагреваемого термоэлемента HT5 (H>h), тепло, отдаваемое нагревательным элементом HE2 среде, окружающей термоэлемент HT5, сравнительно эффективно отводится через стенку гильзы 12 и передается жидкому теплоносителю F. Так как в напорный корпус реактора (т.е. в систему, открытую в смысле термодинамики) постоянно поступает свежий, т.е. сравнительно холодный жидкий теплоноситель F, то температура стенки в среде, окружающей термоэлемент HT5, по сравнению со случаем отсутствия нагрева, представляемого посредством ненагреваемого термоэлемента UHT5, увеличивается незначительно.
4
Это означает, что разность температур дельта T или сокращенно DT нагреваемого термоэлемента HT5 и ненагреваемого термоэлемента UHT5, показанная на фиг.2 в виде функции от времени t, находится около ноля (конкретнее, в данном случае около 5°C). Данная разность не изменилась бы заметно даже в том случае, если бы при неизменной высоте уровня H жидкого теплоносителя F в напорном корпусе 4 реактора их (абсолютная) температура изменилась, например, повысилась, так как это затронуло бы оба соответствующих термоэлемента HT5 и UHT5 в равной мере. При этом возможно проявляющиеся эффекты стратификации температуры в напорном корпусе реактора, т.е. градиенты температуры в вертикальном направлении, также не играют роли, так как обе соответствующие друг другу позиции измерения находятся на одной высоте, в данном случае на высоте h.
4
4
4
Картина изменяется, если для момента t=100 с - в данном случае принято произвольно - высота уровня H жидкого теплоносителя F падает ниже уровня h (H<h). При этом температура среды, окружающей оба соответствующие термоэлемента HT5 и UHT5, изменяется лишь несущественно, так как пар D, находящийся над зеркалом жидкости 10, имеет температуру, равную температуре жидкого теплоносителя F. Однако характеристики теплопередачи касательно теплопередачи по месту нагреваемого термоэлемента HT5 резко ухудшаются. В таком случае количество тепла, выделяемое нагревательным элементом HE2, не может больше в той же мере, как раньше, отводиться в окружающую среду, так что температура, измеренная нагреваемым термоэлементом HT5, повышается заметно резко, в то время как температура, измеренная ненагреваемым термоэлементом, UHT5 остается примерно постоянной. Вследствие сравнительно медленно протекающих переходных термических процессов (теплоотвода) в стенке гильзы 12 повышение температуры нагреваемого термоэлемента HT5 происходит, однако, более медленно по сравнению с понижением уровня жидкости. Таким образом, постепенный рост разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов (на фиг.2 рост составляет приблизительно 100°C) является надежным индикатором уровня заполнения, опустившегося ниже высоты h.
3
2
1
Аналогичные соображения имеют силу и в отношении уровней h, h и h и соответствующих им термоэлементов.
1
Так как понижение уровня жидкого теплоносителя F ниже уровня h рассматривают как особенно критическое, то контроль уровня заполнения относительно данной высоты осуществляют с особой надежностью: обе пары чувствительных элементов HT1-UHT1 и HT2-UHT2 предусматривают для осуществления двух независящих друг от друга дублирующих измерений. В альтернативном, не показанном здесь варианте осуществления дублирование имеется только в отношении обоих нагреваемых термоэлементов HT1 и HT2, в то время как в качестве датчика опорного сигнала для обоих данных нагреваемых термоэлементов предусматривается только один ненагреваемый термоэлемент UHT1 или UHT2.
При более высокой температуре жидкого теплоносителя F, например, около 330°C, высота скачка сигнала при понижении уровня ниже нагреваемого термоэлемента становится незначительной, так как действие местного нагрева за счет нагревательного элемента не проявляется в достаточно заметной степени вследствие уже имеющейся сравнительно высокой температуры окружающей среды. Данный эффект хорошо виден из показанного на фиг.4 изменения во времени разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов (например, HT5 и UHT5). В данном случае также было принято, что инициирующее событие, т.е. понижение уровня, происходило при t=100 с. Последующее изменение во времени разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов составляет в данном случае совокупно только около 30°C.
Таким образом, без температурно-зависимого регулирования нагревающего тока для соответствующего нагревательного элемента является нерациональным задавать только одно температурно-независимое предельное значение для скачка сигнала, при достижении или превышении которого делается вывод о понижении уровня и инициируется соответствующий сигнал тревоги. Собственно с компенсирующим регулированием нагревающего тока при известных обстоятельствах могло бы проходить относительно много времени до завершения переходных термических процессов в измерительной трубке 6 и достижения такого глобально определенного предельного значения. Кроме того, отказ системы регулирования нагревающего тока создавал бы проблемы.
Для предотвращения трудностей такого рода предусмотрена особенно надежная и быстро реагирующая на потенциально опасные состояния оценка сигналов в блоке обработки данных 18, далее поясняемая показанным на фиг.2 изменением во времени разности температур нагреваемого и ненагреваемого термоэлементов при температуре теплоносителя приблизительно 115°C и соответствующей таблицей (таблица I) на фиг.3.
2
1
0
1
2
Через регулярные промежутки времени, в данном случае, например, все промежутки δt=1000 мс, осуществляют промежуточное сохранение результатов измерений температуры нагреваемого и соответствующего ему ненагреваемого термоэлемента. При этом в столбец 2 таблицы I внесены независимые моменты измерения …, t, t, t, t, t, …; соответствующие им результаты измерений температуры приведены в столбцах 3 и 4. Также при всех δt=1000 мс в блоке обработки данных 18 определяют разности температур дельта T или сокращенно DT нагреваемого и соответствующего ему ненагреваемого термоэлемента и также, как независимые значения температуры, временно сохраняют. Соответствующие значения приведены в столбце 5 таблицы.
2
1
0
1
2
2
1
0
1
2
0
Оценку осуществляют в режиме реального времени для каждого момента измерения …, t, t, t, t, t, …, причем нижние индексы означают последовательную нумерацию последовательности моментов измерения. Соответствующую последовательность разностей измеренных температур обозначают как …, DT(t), DT(t), DT(t), DT(t), DT(t), …. Текущий момент оценки обозначен как t.
0
0
1
N
0
1
1
2
0
N
1
0
1
N
0
N
0
1
N
Для оценки используют измеренное значение DT для момента t, т.е. DT(t), а также значения его предшественников DT(t), …, DT(t) числом N=50, что при выбранной величине шага δt=t-t=t-t=…=1000 мс =1 с соответствует интервалу оценки δt=t-t=50 с. При этом определяют все без исключения разности δ=DT(t)-DT(t), …, δ=DT(t)-DT(t) между последним найденным значением DT(t) и всеми его временно сохраняемыми предшественниками, которые попадают в упомянутый интервал оценки Δt, в данном случае в интервал последних 50 с. Данные разности от δ до δ приведены в виде строки для каждого момента измерения в поле 6 таблицы. Сигнал тревоги инициируется, если одна из разностей (изменений дельта T), найденных таким образом, достигла или превысила определенное заданное предельное значение, например, ΔDT=5, 10 или 25°C. При этом, в частности, может быть предусмотрена дифференциация сигналов тревоги для нескольких предельных значений с различными последующими ответными действиями соответственно. В следующий момент измерения процесс оценки повторяют с соответствующими обновленными значениями.
Как можно видеть из значений, заключенных в рамки в таблице I, в случае показанной на фиг.2 (фиктивной) примерной кривой для температуры теплоносителя, равной приблизительно 115°C, при предельном значении изменения разности температур, заданном равным 5°C, уже через 2 с после того, как уровень заполнения опустился бы ниже нагреваемого термоэлемента, инициировался бы сигнал тревоги. Если предельное значение задают равным 10°C, то инициирование сигнала тревоги в данном примере происходит через 3 с, а в случае задания 25°C - через 6 с.
Таблицей II, приведенной на фиг.5, наглядно поясняется такой же процесс оценки с аналогично заданными параметрами в случае представленной на фиг.4 примерной кривой при температуре теплоносителя, равной приблизительно 330°C. Предельные аварийные значения изменений разности температур также заданы равными 5, 10 и 25°C и в данном случае достигаются через 4, 6 или 50 с.
В данном примере величина шага δt=1000 мс задана из соображений упрощения пояснения; на практике для оптимальной характеристики срабатывания могут быть возможными и целесообразными более короткие промежутки времени, например, δt=250 мс.
Обозначения
2 Измерительное устройство/зонд уровня заполнения
4 Напорный корпус реактора
6 Измерительная трубка
8 Плита крышки
10 Уровень жидкости
12 Гильза
14 Внутреннее пространство
16 Присоединительный адаптер
18 Блок обработки данных
D Пар
F Жидкий теплоноситель
H Высота уровня заполнения
HT Нагреваемый термоэлемент
UHT Ненагреваемый термоэлемент
HE Нагревательный элемент
DT Разность температур
ΔDT Увеличение разности температур
T Время
Δt Временной такт
Δt Интервал времени/интервал оценки