Устройство для обнаружения течи воды в натрий в парогенераторе

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ы (21) 2914275/25 (22) 16.04.80 (46) 30.10.91, Бюл. N. 40 (72) P.Ô.Màñàãóòîâ, В,С.Югай и Ф.А.Козлов (53) 621.039.5 (088,8) (56) Патент ФРГ 2520444, кл. G 21 С 17/00, 1975.

Патент США N. 3240674, кл, G 21 С 17/00, 1966. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ

ТЕЧИ ВОДЫ В НАТРИЙ В ПАРОГЕНЕРАТОРЕ, содержащее акустические датчики, предусилители и фильтры, причем выход акустического датчика подсоединен к предусилителю, выход которого подключен к фильтру, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности обнаружения течи, в устройство введены измерители среднеквадратичных величин, пороговые детекторы, детекторы интегрального уровня, схемы сравнения, формирователь сигнала течи, причем в натриевой полости каждого модуля парогенератора установле- . но по два акустических датчика, один в верхней части модуля, другой — в нижней, к

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в атомной энергетике, теплоэнергетике, химической технологии и металлургической промышленности, преимущественно для обнаружения течей в парогенераторах АЭС.. Ы„, 871664А1 (51)5 G 21 С 17/02, G 01 Н 3/06 выходам каждого из предусилителей подключены детектор интегрального уровня., фильтр средних частот и фильтр высоких частот, выходы каждого фильтра соединены с измерителем среднеквадратичной величины, выход которого соединен с пороговым детектором, уровень порога в котором изменяется пропорционально выходному сигналу детектора интегрального уровня, первый выход которого соединен с входом регулятора, выходы которого соединены с пороговыми детекторами, включенными в цепь фильтров средних и высоких частот. вторые входы детекторов интегрального уровня соединены с входами первой схемы сравнения, выходы пороговых устройств, включенных в цепь фильтров высоких частот соединены с входами второй схемы сравнения, выходы пороговых устройств, включенных в цепь фильтров средних частот. соединены с входами третьей схемы сравнения, выходы всех пороговых устройств и первой, второй и третьей схем сравнения соединены с входами формирователя сигнала течи.

Известно устройство для обнаружения течи воды в натрий в парогенераторе по измерению концентрации водорода в аргоне.

Возможность использования этого устройства в парогенераторах натрий †во для обнаружения течи основана на том, что при взаимодействии воды с натрием выделяется водород, который попадает в: азову1о полость (аргон). Аргон, используемый как защитный газ в натриевом контуре, помимо водорода содержит v: другис примеси.

Эта смесь пропускается над геттером при высокой температуре. При этом все примеси, за исключением ьодорода, удаляются.

Содержание водорода в двухкомпонентной смеси аргон — водород определяется по теплопроводимости.

Недостаток известного устройства состоит в том, что он не обеспечивает необхадимбй надежност1л обнаружения течи воды в натрий в парогенераторе. Доля водорода, попадающая в газовую полость, зависит от конструкции парогенератора и температурных условий, Чем дальше оТ места течи рас положена газовая полость и чем выше температура натрия. тем хуже условия для выхода водорода в газовую полость. Весьма ероятны случаи, когда весь водород, выдея1ощийся при взаимодействии, прореагиует с натрием, образуя .-идрид натрия. аким образом, при малых расходах воды в атрий устройство не обнаружит течи, При

C ольших течах воды известное устройство ожет оказаться неэффективным в силу оТосительно большой HHepI>uoHHocти.

Наиболее близким к.изобретению по технической су;цности является устройство для обнаружения течи воды в натрий в парогенераторе, содержащее акусгические датчики, предусилители и фильтры, причем выход акустического датчика подсоединен к предусилителю, выход которого подключен к фильтру.

Известное устройство Не обеспечиваег надежногс обнаружения течи, поскольку оНо может допустить как лажное срабатывание, так и несвоевременное обнаружение течи, т.е. выдать сигнал течи 11а тай стади1; саморазвития, когда серьезн-. å последствия уже неотвратимы, 3То связано со следующими обстоя гельствами.

Фоновые шумы парогенератора па современным представлениям есть сумма шумов, обусловленных рядам причин. Одна из главных — шумы, обу:ловленные кипением воды внутри парогенерирующих трубок.

Другая возможная причина — шумы движения натриевого теплоносителя в межтрубном пространстве. Возможна генерация шума и пузырьками инертнага газа, которые могут попадать в натрий. Источн«1 "ov фоновых шумов может явиться акустическая эмиссия в элементах конструкции. которая имеет наибольшую интенсивность в переходных режимах работы г1арогенератора, Определеннь1й вклад в результат изменения фоновых шумов парогенератора

2О

«JQ 5

«1l 1

БО

1:,Г вносят шумы другогс оборудования, которые, распространяясь по трубопроводам и несущим канс1г>акциям, достигают napcreHePGToP3, Çñ IoBHo «BKA8P B фоновый kB ВНосят те шумы, которые генерируются в водяном контуре и элементах конструкции парогенератора.

Другая характерная ocobeHHocTI, фоновых шумов состоит в том, что его источники распределены практически r о всему объему парогенератора. Это является причиной того, что шумы, измеренные датчиками в различных местах парогенератора, исходят от различных источников. При неизменном режиме работы парогенератора уровень шумов испытывает колебания. амплитуда которых наиболее значительн" в области низких частот (менее 1 — 5 кГц). При изменении режима рабсты парогенератора, т.е. г;ри уменьшении или увеличении парспроизводительности соответствующим образом, меняется и уровень фоновых шумов, причем относительною изменение уровня шума, измеренное датчиками, установленчыми в различнь1х местах парогенератора, примерно одинако" о. Уровень фоновых шумов парогенератора значительно в широ:->ом диапазоне частот, TBK как ego источники лг .èoòñÿ ширскапалс .ными.

Спектр шумов взаимодействия натрия с водой также широког. >лосен. В нем нет каких-либо специфических пиков, которых бы не бь го B спектре фоновых шумов парогенератора. Шумы взаимодействия воды с натрием с увеличением размера течи вс зрастают, Известное устройство может выдать .,с.-хный сигнал с наличии течи, если уровень фоновых шумов возрос, например, от увеличения парапроизводительнасти, так как при этом происходит увеличение уровня фоновых шумов во всем широком диапазоне частот. Поэтому независима от выбранного диапазона частот известное устройство Не обеспечит требуемой надежности. Поскольку известное устройство выдает аварийный сигнал JIMlLlb при возрастании уровня шума в выбранной полосе частот. то для срабатывания этого устройства при возникновении течи необходимо, чтобы уровень шумов вза „;,K1oäåécTBèÿ воды с натрием в выбранной полосе частот был сравним с уровнем фонового шума в районе расположения акустического датчика (или его волновода). Если течь произошла на значительном расстоянии от датчика. что может оказаться, чта сигнал течи будет получен слишком поздно (из-за

HBpocTBTKG в чувствительности), т.е. на той стадии,. когда неизбежны серьезные 10 следствия аварии.

871664

Целью изобретения является повышение надежности обнаружения течи.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для обнаружения течи воды в натрий в парогенераторе, содержащее акустические датчики, предусилители и фильтры, причем выход акустического датчика подсоединен к предусилителю, выход которого подключен к фильтру, введены измерители среднеквадратичных величин, пороговые детекторы, детекторы интегрального уровня, схемы сравнения, формирователь сигнала течи, причем в натриевой полости каждого модуля парогенератора установлено по. два акустических датчика, один в верхней части модуля, другой — в нижней, к выходам каждого из предусилителей подключены детектор интегрального уровня, фильтр средних частот и фильтр высоких частот, выходы каждого фильтра соединены с измерителем среднеквадра ичной величины, выход которого соединен с пороговым детектором, уровень порога в котором изменяется пропорционально выходному сигналу детектора интегрального уровня, первый выход которого соединен с входом регулятора, выходы которого соединены с пороговыми детекторами, включенными в цепь фильтров средних и высоких частот, вторые входы детекторов интегрального уровня соединены с входами первой схемы сравнения, выходы пороговых устройств, включенных в цепь фильтров высоких частот соединены с входами второй схемы сравнения, выходы пороговых устройств, включенных в цепь фильтров средних частот, соединены с входами третьей схемы сравнения, выходы всех пороговых устройств и первой, второй и третьей схем сравнения соединены с входами формирователя сигнала течи.

Выходные сигналы измерителей среднеквадратичных величин, подсоединенных к выходам фильтров Средних частот, подаются на третью схему сравнения, которая выдает сигнал, отличный от нуля, в том случае, когда отношение попадающих к нему сигналов меняется выше установленных пределов, выходные сигналы измерителей среднеквадратичных величин, подключенных к выходам фильтров высоких частот, подаются на вторую схему сравнения, работающую аналогично третьей схеме сравнения, выходные сигналы детекторов интегрального уровня подаются на первую схему сравнения, контролирующую стабильность показаний обоих датчиков, сиг. налы всех пороговых детекторов и схем . сравнения подаются каждый по своему каналу на формирователь сигнала течи, кототрубки. Вместе с тем при неизменных режимных параметрах в этом диапазоне уро30 вень фоновых шумов относительно

40

5

25 рый выдает аварийный сигнал при наличии одного или нескольких отличных от нуля сигналов, приходящих от пороговых детекторов и второй и третьей схем сравнения, причем сигнал от первой схемы сравнения предотвращает выдачу ложного сигнала тревоги при потере стабильности показаний одного из датчиков.

В области низких частот уровень фоновых шумов парогенератора настолько высок и нестабилен, что становится слишком маловероятным обнаружение течи по повышению уровня шума в этом диапазоне (до нескольких килогерц). В области частот выше 25 — 50 кГц (в зависимости от конструктивных особенностей парогенератора) затруднено распространение акустически : волн на большое расстояние, так как парсгенерирующие трубки препятствуют прохождению высокочастотных составляющих шума. В промежуточной области частот (от нескольких килогерц до нескольких десятков), т.е. в области средних частот, имеются наилучшие условия для обнаружения течи по повышению уровня шума. Акустические шумы соответствующих этому диапазону частот длин волн огибают парогенерирующие стабилен. В устройстве функцию обнаружения течи по возрастанию уровня шума в результате генерации шума при взаимодействии воды с натрием выполняют фильтры средних частот, подключенные к выходам этих фильтров измерители среднеквадратичных величин и пороговые детекторы.

Чтобы не было ложных сигналов при повышении уровня фоновых шумов в случае увеличения паропроизводительности установки, уровни порогов в пороговых детекторах регулируются регулятором. При этом необходимая информация об изменении уровня фоновых шумов подается в регуляторы от детекторов интегрального уровня, Таким образом, пороговые детекторы, находящиеся на линиях связи с фильтрами средних частот, выдают аварийный сигнал лишь в том случае, когда повышение уровня шума в области средних частот превышает возможное повышение во всем рабочем диапазоне частот (например, 1 — 200 кГц) предусилителей и датчиков.

В области высоких частот наблюдается эффект поглощения звуковой энергии на пузырьках газа. Поскольку при взаимодействии с натрием образуются пузырьки водорода, то попадание их между источниками фоновых шумов и акустических датчиков приводит к снижению уровня шума в ра, а при взаимодействии воды с натрием образуется в натрии много водородно:х пузырей, то эффект поглощения будет значителен. Эту функцию . обнаружения выполняют фильтры высоких частот, подключенные к ним измерители среднеквадратичных величин и пороговые детекторы, уровни порогов в которых регулируются.

Акустические датчики располагаются вблизи присоединения парогенерирующих трубок к трубным доскам, Эти места — наиболее вероятные места возникновения течей. По оценкам советских и зарубежных специалистов вероятность возникновения течей в районе трубных досок в десятки раз выше, чем вероятность возникновения течи из-за развития дефекта в самой трубке. Тем не менее, эта вероятность не может игнорироваться, как показал опыт эксплуатации парогенераторов установки В !-! — 350.

В устройстве обеспечивается надежность обнаружения течи независимо от ее местонахождения. Если место течи оказалось близким к датчику, то сработает эффект повышения уровня шума в области средних частот. Если место течи оказалось далеко о зон расположения датчиков, то сработает эффект поглощения звуковой энергии фоновых шумов в области высоких частот.

Экспериментальные исследования фоновых шумов парогенераторов показывают, что относительные изменения уровней фоновых шумов, измеренных датчиками, установленными в различных точках парогенератора, примерно одинаковы. Если же возникает течь, то она всегда оказывается несимметричной по отношению к да чикам. Поэтому показания датчиков byдут различным либо в области средних частот, либо в области высоких частот.

Обнаружение течи по этим признакам осуществляют в устройстве вторая и третья схемы сравнения. Третья схема сравнения подключена к выходам измерителей среднеквадратичных величин, находящихся на линиях фильтров средних частот, а вторая— к выходам измерителей среднеквадратичных величин, находящихся на линиях фильтров высоких частот, Первая схема сравнения, измеряющая

50 отношение интегральных уровней шума во всем контролируемом диапазоне частот, предотвращает выдачу ложного сигнала .тревоги при потере стабильности показаний одного иэ датчиков. области высоких частот, Этот эффект экспериментально наблюдался. Поскольку источники фоновых шумов распределены практически по всему объему парогенератоВ качестве датчиков могут быть использованы высокотемпературные гидрофоны или датчики с волноводами.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена схема устройства для обнаружения течи воды в натрий в парогенераторе.

Устройство содержит установленные в натриевой полости парогенератора 1 акустические датчики 2 и 3 в верхней и нижней его части, предусилители 4 и 5, фильтры 6,7 средних частот, фильтры 8,9 высоких частот, измерители среднеквадратичных величин

10, 11, 12 и 13, подключенные к выходам фильтров 6,7,8,9, детекторы интегрального уровня 14 и 15, которые подключаются к выходам предусилителей 4 и 5 параллельно с фильтрами 6,7,8,9, Сигналы от детекторов интегрального уровня 14 и 15 подаются на регуляторы 16 и 17, которые регулируют величины порогов в пороговых детекторах 18, 19, 20 . 21, подсоединенных к выходам измерителей среднеквадратичных величин 10, 11, 12 «13. Третья схема сравнения 22 подключена к выходам измерителей среднеквадратичных величин 10 и 11, а вторая схем сравнения 23 — к выходам измерителей среднеквадратичных величин 12 и 13, Первая схема сравнения 24 получает сигналы от детекторов интегрального уровня 14 и

".5. От пороговых детекторов 18, 19, 20 и 21 и схем сравнения 22,23 и 24 сигналы подаются каждый по своему каналу на формиоователь сигнала течи 25.

Акустические датчики 2 и 3 преобразуют импульсы звукового давления в электрические сигналы. Предусилители 4 и 5 согласогывают выходные сигналы датчиков со входными параметрами аппаратуры обработки сигналов. Фильтры 6,7 средних частот — это широкополосные фильтры, имеющие равномерную амплитудно-частотную ха рактеристику. Характеристики фильтров 6 и 7 идентичны, Они выделяют сигналы в полосе частот от нескольких килогерц до нескольких десятков, например от 4 до 10 кГц.

Фильтры 8,9 высоких частот также идентичны, пропускают сигналы в широкой полосе частот, также. имеют равномерную амплитудно-частотную характеристику. Они выделяют сигналы в полосе частот от нескольких

„есятков до сотен килогерц, например 40 и

200 кГц. В зависимости от конструктивных особенностей парогенератора граничные частоты фильтров 6,7,8 и 9 могут быть изменены. Измерители среднеквадратичных величин 10, 11; 12 и 13 возводят в квадрат, усредняют и извлекают квадратный корень в аналоговой форме сигнала. Детекторы интегрального уровня 14 и 15 измеряют абсолютное значение сигнала во всем

871664

5

20

40

50 диапазоне частот. который обеспечивается предусилителями 4 и 5, Регуляторы 16 и 17 меняют величину порогов в пороговых детекторах 18, 19, 20 и 2 1 пропорционально выходному сигналу детекторов интегрального уровня 14 и 15.

Схемы сравнения 22 и 23 сравнивают величину выходных сигналов, поступающих соответственно от измерителей среднеквадратичных величин 10, 11 и 12, 13. Схема сравнения 24 сравнивает выходные сигналы детекторов интегрального уровня 14 и

15. При потере стабильности в показаниях одного из датчиков она выдает отличный от нуля сигнал, который блокирует выдачуложного сигнала течи формирователем сигнала течи 25. Формирователь сигнала течи 25 выдает сигнал течи по поступлению в него отличного от нуля сигнала по одному или нескольким каналам от пороговых детекторов 18, 29, 20 и 21 и схем сравнения 22 и 23.

Устройство работает следующим образом.

Устройство работает непрерывно все время. пока в парогенераторе имеются вода и натоий и есть возможность возникновения течи. Акустические датчики 2 и 3 измеряют уровень шума в широком диапазоне частот. При отсутствии течи величина сигналов, поступающих на пороговые детекторы

18, 19, 20 и 21 схемы сравнения 22 и 23, не превышает пороговых уставок и на формирователь сигнала течи 25 не поступают сигналы. При появлении течи происходит генерация шумов при взаимодействии натрия с водой, образование пузырьков водорода. Первоначальный их размер таков, что под действием сил Архимеда пузырьки движутся вверх, по мере образования гидрида натрия (с растворением водорода) размер пузырька уменьшается. Поскольку, однажды возникнув, течь существует определенное время, идет непрерывная генерация водородных пузырей. Мелкие пузыри увлекаются потоком натрия. Независимо от места расположения течи эффекты повышения уровня шума и поглощения звука на пузырьках будут различным образом сказываться на показаниях датчиков. В зависимости от конструктивных особенностей парогенератора и места течи тот или иной акустический признак течи может оказаться сильнее. Заранее все это предугадать сложно. Выбор одного или нескольких признаков (nn шести независимым каналам) в качестве показателя наличия течи определяется на стадии пуско-наладки парогенератора 1. Эффект повышения уровня шума может быть не зарегистрирован схемой сравнения 22 и пороговыми детекторами 18 и 19, если величина течи мала и место расположения течи удалено от обоих датчиков. В то же время может сказаться поглощение звука на пузырьках водорода, Причем эффект поглощения будет неодинаковым для двух датчиков, и схема сравнения 23 выдает отличный от нуля сигнал в формирователь сигнала течи. Если течь произошла в таком месте. откуда затруднено распространение водородных пузырей в области, окружающие акустические датчики, в силу особенностей конструкнии модуля парогенератора 1, то пороговыми-,и детекторами 20 и 21 и схемой сравнения 2; течь может быть не зарегистрирована; в этом случае на определенной стадии саморазвития течи срабатывают пороговые детекторы 18, 19 и схема сравнения 22, Устройство малоинерционно, его быстродействие определяется практически лишь временами усреднения в детекторах интегрального уровня 14 и 15 и измерителях среднеквадратичных величин 10, 11, 12 и 13.

Времена усреднения в блоках 10, 11, 12 и 13 и 14, 15 выбираются из двух ограничивающих условий: устройство должно быть малоинерционным, поскольку при максимальной скорости саморазвития течи через 20-45 с от момента превращения малой течи в большую может произойти пережог соседней трубки; время усреднения не может быть очень малым, так как проскакивание пузырей инертного газа или случайные удары по корпусу модуля парогенератора могут привести в противном случае к срабатыванию устройства.

Обоим этим условиям удовлетворяют времена усреднения 0,3--3 с при условии, если система останова парогенератора сработает за время 15 с.

Оценки показывают, что устройство позволит обнаруживать течи величиной (по расходу воды) 0,03 — 0,1 г/с для промышленных модулей парогенераторов.

Устройство значительно превосходит известные по надежности обнаружения течи

Составитель

Редактор Т. Шарганова Техред M.Moðãåèòàë Корректор M. Пожо

Заказ 4633 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г Ужгород, ул.Гагарина, 101