Способ градуировки внутриреакторных термодатчиков

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в ядерных энергетических установках. Для повышения точности внутриреакторных измерений температуры предлагается вводить поправки в показания внутриреакторных термодатчиков, определляемые путем сравнения этих показаний с величинами, полученными на основе показаний термодатчиков, связанных потоками теплоносителя. Показания градуируемого датчика сравниваются со значением температуры, которую реально имеет среда, окружающая чувствительный элемент этого датчика.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в ядерных энергетических установках (ЯЭУ).

Известен способ градуировки внутриреакторных термодатчиков путем создания квазиизотермического состояния первого контура (например, во время пуска ЯЭУ), определения средней температуры по показаниям всех или части термодатчиков, определения поправочных отклонений показаний каждого градуируемого термодатчика от средней температуры (которую принимают за истинную температуру первого контура) и введения этих поправочных отклонений в систему контроля ЯЭУ [Hashemian H.M., Mitchell D.W., Petersen K.M., Shell C.S. Validation of Smart Sensor Technologies for Instrument Calibration Reduction in Nuclear Power Plants. NUREG/CR-5903.- U.S. Nuclear Regulatory Commission. - Washington. - USA. - 1993, - pp. 52-63].

Недостаток известного способа заключается в том, что он базируется на предположении об изотермическом состоянии первого контура ЯЭУ во время градуировки термодатчиков. Из-за отсутствия контроля отличия реального квазиизотермического состояния первого контура ЯЭУ от предполагаемого изотермического состояния водимые поправки могут иметь погрешности даже большие, чем величины самих этих поправок, что может отрицательно сказаться на безопасности эксплуатации ЯЭУ.

Наиболее близким к предлагаемому способу и принятым в качестве прототипа является способ градуировки термопар массового замера температуры теплоносителя на выходе из тепловыделяющих сборок реакторов типа ВВЭР [Повышение точности и надежности систем внутриреакторного контроля ВВЭР/ И.В.Батенин, П. С. Крашенинников, Г.Л.Левин, И.Ю.Павлюк.// Атомная энергия. - 1986. - т. 60. - вып. 4. - С. 294-296].

Во время разогрева и горячей обкатки первого контура, когда известно влияние тепловыделения в активной зоне на температурное поле в ЯЭУ (например, при нулевой мощности реактора), при работе всех главных циркуляционных насосов, без организованного отвода тепла от первого контура производятся опрос и архивация показаний внутриреакторных и петлевых термодатчиков, которых имеется J штук. Записи производятся в i-ые моменты времени, когда средняя температура T^-_i¹: усредненная по показаниям t_ik наиболее достоверных внутриреакторных или (и) петлевых термодатчиков, возрастает на заданную величину Пусть число достоверных термодатчиков равно K. За достоверные принимаются термодатчики, имеющие наименьшие априорные погрешности измерения.

То есть полагают, что средняя температура полученная по формуле (1), является истинной температурой, с которой сравнивают затем показания всех градуируемых термодатчиков. Формула (1) предполагает, что температура по всему первому контуру во время градуировки постоянна.

Усреднение при нахождении сопровождается, как правило, фильтрацией и отбраковкой сильно отклоняющихся от показаний, обусловленных включением станционных электроагрегатов, отказами в системе контроля и другими причинами. Отбраковка недостоверных показаний t_ik проводится с учетом информации, полученной с датчиков температуры и давления, установленных во втором контуре, а также с учетом показаний образцовых датчиков температуры, помещаемых в ЯЭУ на время градуировки. При отбраковке используют также сравнение показаний градуируемых датчиков с величинами, полученными путем усреднения по показаниям избыточных и симметричных датчиков.

На выбранном градуировочном интервале скорость разогрева первого контура не должна превышать 4^oC/час, что позволяет пренебречь динамическими погрешностями в показаниях термодатчиков.

Для каждого j-го градуируемого термодатчика измеренная температура T_uij отличается от средней температуры на величину (2) Мультипликативную поправку, компенсирующую отклонение показаний j-го градуируемого термодатчика от средней температуры , определяют в виде где A_j и B_j - константы для j-го термодатчика. Константы A_j и B_j находятся на основе метода наименьших квадратов (МНК) по выбранным на градуировочном интервале значениям соответствующим при i = 1, 2, ..., I. Поправки (3) экстраполируют на температуру, характерную для работы реактора на мощности, и их значения используют в системе контроля при работе реактора до следующей градуировки.

Недостатком этого известного способа также является то, что введение поправок к показаниям термопар делается при неконтролируемой степени изотермичности первого контура. При этом просто предполагается, что температура по первому контуру постоянна. Между тем в процессе градуировки термодатчиков возможно возникновение неоднозначного по петлям и по зоне температурного поля. Это связано с неполным перемешиванием петлевых потоков теплоносителя и может быть обусловлено процессами водообмена в петлях, утечками через предохранительные клапаны парогенераторов, неравномерным воздушным охлаждением петель, неравенством характеристик циркуляционных насосов, неравенством гидравлических характеристик петель и другими причинами, которые довольно трудно поддаются контролю и практически не контролируются.

Например, неравномерность температуры по петлям ± 1^oC в процессе градуировки в реакторах типа ВВЭР-440 может привести к тому, что около 10% надзонных термопар будут проградуированы с поправками, имеющими погрешность более ± 1^oC. Это происходит из-за неполного перемешивания теплоносителя в активной зоне ЯЭУ [Timonin A.S. VVER Primary Coolant Flow Stratification - in Proceedings of the sixth Symposium of AER, Sepr. 1996. - Kirkkonummi. - Finlsnd. p. 59-75] . Между тем погрешность внутриреактивных измерений температуры в этом случае регламентирована [ГОСТ 26635-85. Реакторы ядерные энергетические с водой под давлением. Общие требования к системе внутриреакторного контроля. - М., Из-во Стандартов. - 1985] и не должна превосходить ± 1^oC для термопар с индивидуальной градуировкой. Увеличение погрешности измерения температуры теплоносителя на выходе из тепловыделяющих сборок ВВЭР-440 более чем на 1^oC приводит к погрешности при определении мощности этих сборок, которая превышает 3% и вызывает ухудшение условий безопасности при эксплуатации ЯЭУ.

Техническим результатом, достигаемым при реализации настоящего способа, является повышение точности внутриреакторных измерений температуры.

Указанный результат достигается тем, что вместо введения средней по зоне температуры (1) определяют отклонение показания каждого j-го градуируемого термодатчика в момент времени i от суммы взвешенных показаний t_ik внутриреакторных и/или петлевых термодатчиков: где
(5)
определяют поправку, компенсирующую это отклонение в виде

где
A_j и B_j - константы регрессии на интервале температур для (i = 1, 2, ..., I) - отклонений показаний j-го термодатчика; полученную поправку экстраполируют на температуру , характерную для работающего на мощности реактора, и используют для корректировки показаний j-го термодатчика. При этом каждый вес b^k_j определяют, используя макронеоднородности и/или флуктуации температуры теплоносителя в первом контуре как долю расхода теплоносителя, омывающего область чувствительного элемента j-го градуируемого термодатчика, обусловленную теплоносителем, поступившим из области расположения чувствительного элемента k-го термодатчика, причем

В случае неравноточных измерений t_ik показания от каждого k-го термодатчика суммируются в (5) с учетом дополнительных весов, обратно пропорциональных погрешностям (например, дисперсиям) этих измерений [А.Н. Климов "Обработка результатов реакторного эксперимента". - М., МИФИ. - 1987. - 60^o C].

Указанный результат достигается тем, что градуировка проводится без введения средней по первому контуру температуры, которая принималась за истинную и с которой производилось сравнение показаний всех градуируемых датчиков в способе-прототипе. В предлагаемом способе сравнение показаний каждого градуируемого термодатчика производится со значениями температуры, которые являются истинными именно для мест расположения чувствительных элементов каждого данного термодатчика. В этом, в частности, состоит новизна предлагаемого способа.

(При наличии неоднородности температурного поля введение с помощью соотношения (1) средних по зоне температур может вносить существенный вклад в погрешность самих поправок (3), из-за чего градуировка теряет смысл, так как может привести к увеличению погрешности в температурных измерениях при работе реактора на мощности). В предлагаемом способе нет необходимости вводить предположение об изотермичности первого контура, а также поддерживать и контролировать изотермичность первого контура.

Для доказательства возможности достижения указанного результата при осуществлении предлагаемого способа на основе реальных экспериментальных показаний внутриреакторных термодатчиков, полученных во время градуировки на ВВЭР-440 (Ровенская АЭС), проведено количественное сравнение эффективности прототипного и предлагаемого способов градуировки.

Для надзонных термодатчиков (градуируемых термопар) получены гистограммы отклонений измеренных значений температур от соответствующих им температур, рассчитанные с использованием соотношения (1),

и соотношения (4),

Анализ гистограмм показал, что методика градуировки, использующая (4), приводит к уменьшению дисперсии поправки (6) по сравнению с поправкой вида (3) в два раза и более того распределение значений поправок (6) приобретает вид гауссова распределения, что позволяет точнее определять погрешность самой поправки (6) [Тимонин А. С. Систематические погрешности измерения температуры теплоносителя в ВВЭР-440 (дрейф градуировки).// Измерительная техника. - 1993. - N2. - С. 51-53]. На основании этого автор делает вывод о том, что предлагаемый способ способен обеспечить положительный эффект по сравнению с прототипным способом градуировки.

Рассмотрим возможные алгоритмы определения коэффициентов b^k_j [Timonin A. S. , Firsov L.I. Operating longevity of thermocouples in VVER reactor. - in Proceedings of the 1996 ANS International Meeting on NPIC&HMI'96. May, 1996, PN, USA. - The PN University.-USA.-pp. 943-946].

Во время градуировки на температурное поле на выходе из тепловыделяющей сборки оказывает влияние неполное перемешивание теплоносителя из различных петель.

При наличии в процессе градуировки термодатчика, неоднородного по зоне температурного поля, из уравнений вида (5)

можно сформировать J линейно независимых систем из K уравнений каждая, позволяющую по измеренным значениям T_ij и tⁱ_kⁿ определять значения коэффициентов b^k_j [Timonin A.S. Systematic errors in measuring the temperature of nuclear reactor coolant. - in Proceedings of the 2nd international conference on control & instrumentation in nuclear installations. April, 1995, University of Cambridge, UK. - INE, London, UK].

Нестационарное и неоднородное по зоне и по петлям температурное поле может быть создано специально, например, путем попеременного отвода тепла через предохранительные клапаны различных парогенераторов либо путем захолаживания парогенераторов подпиткой по второму контуру водой, температура которой отличается от температуры воды в парогенераторах.

Еще один способ определения коэффициентов b^k_j основан на использовании регистрируемых датчиками микрофлуктуаций температуры. По показаниям j-го градуируемого датчика T_uij и показаниям K опорных датчиков t_ik определяют K коэффициентов взаимной корреляции ρ_jk(T_uij,t_ik) [Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике. - М.: Наука. - 1977. - 832 C.]. Затем с учетом этих коэффициентов, вычисляют b^k_j:
(10а)
Рассмотрим более подробно возможности уменьшения погрешности самих вводимых поправок.

Так как измерения T_uij проводятся с помощью одной и той же аппаратуры, в одних и тех же диапазонах, то полученные значения температуры предполагаются равноточными и для оценки дисперсии распределения величин отклонений ΔΤ_ij можно использовать выражение

Для оценки погрешности самих поправок (4) представляет интерес не столько дисперсия (11) отклонений (4), сколько дисперсия самой зависимости (6) - Дисперсия не может быть выражена в виде суммы дисперсий параметров A_j и B_j, так как они коррелированы.

Оценим следующим образом. Подставим выражения и в (6) и путем последующей линеаризации (6) в окрестности математических ожиданий независимых исходных величин ΔT_ij получим

Погрешность, определяемая дисперсией (12), возрастает пропорционально при удалении от середины градуировочного интервала, на котором проводится МНК-регрессия. Значения при которых дисперсия достигает значения δ_ij, получаются из (12) при

При значениях в показания термодатчиков имеет смысл вводить не мультипликативную (B_j≠), а аддитивную поправку, пологая в (6) B_j=0, (j=1, ...,J):

При переходе в новую систему координат

выражение (13) при постоянной величине упрощается до вида

Граничные значения прямо пропорциональны величине градуировочного интервала температур, на котором набираются значения ΔT_ij.
Если значения поправок (4) экстраполируются на рабочую температуру, равную

где
ΔT_e- интервал экстраполяции, то необходимое число точек I в соответствии с (16) находился из соотношения

Так как, например, для типичного ВВЭР то минимальное число точек на градуировочном интервале должно быть не менее 150.

Если с целью уменьшения временных и энергетических затрат на разогрев первого контура температура выхода на минимальный контролируемый уровень мощности уменьшается, то для сохранения точности вводимых поправок согласно (18) требуется увеличивать число точек I на градуировочном интервале.

Следовательно, при осуществлении предлагаемого способа, даже в случае неизотермичности первого контура во время градуировки термодатчиков, которые в нем расположены, погрешность вводимых поправок уменьшается по сравнению со способом-прототипом из-за того, что показания градуируемого датчика сравниваются со значением температуры, которую реально имеет среда, окружающая чувствительный элемент датчика.

Формула изобретения

Способ градуировки внутриреакторных термодатчиков, заключающийся в том, что периодически во время работы ядерной энергетической установки (ЯЭУ) создают режимы, при которых известно влияние тепловыделения в активной зоне на температурное поле в ЯЭУ, определяют показания градуируемых термодатчиков, сравнивают эти показания с величинами, полученными на основе показаний избыточных и симметричных, штатных и образцовых датчиков ЯЭУ, отбраковывают недостоверные показания градуируемых датчиков, определяют отклонения показаний градуируемых датчиков от величины, принятой за "истинную" температуру, вводят поправки, компенсирующие эти отклонения, полученные поправки экстраполируют на рабочую температуру ЯЭУ и используют для корректировки показаний термодатчиков, отличающийся тем, что для повышения точности внутриреакторных измерений температуры в качестве "истинной" температуры используют сумму величин, полученных на основе показаний датчиков ЯЭУ, взвешенных с весами, каждый из которых определяют используя существующие и/или создаваемые специально макронеоднородности и/или флуктуации температуры теплоносителя, как величину, во-первых, прямопропорциональную доле расхода теплоносителя, поступившего из области расположения чувствительного элемента одного датчика, и омывающего область чувствительного элемента другого, градуируемого термодатчика, и, во-вторых, обратно пропорциональную погрешности взвешиваемого слагаемого этой суммы, определяют погрешности аддитивной и мультипликативной компенсирующих поправок и вводят те из них, которые имеют наименьшую погрешность.