用于监测被动热排出系统的方法和装置与流程

1.本技术方案涉及核能领域，即压水动力反应堆安全壳内部体积被动热排出系统(reactor vessel afterheat removal passive system or rvarps),并旨在确定压水动力反应堆安全壳内部体积被动热排出系统的可操作性、防止核电站的紧急情况。
技术背景
2.现有技术中已知许多在使用自然热循环从反应堆安全壳中去除热量的系统结构。
3.rf专利号：ru 2302674,g21c 9/00,2007.07.10公开了一种用于从安全壳去除热量的系统，该系统包括安装在安全壳下的换热器，其进出口穿过安全壳并连接到低沸点冷却剂封闭式循环回路，封闭式循环回路包括位于安全壳下方的带蒸汽发生器的动力装置和确保动力装置安全的装置，其中一个装置具有液压装置和汽水轮机。换热器安装在安全壳圆顶下，并由两层以c形翅片管相互连接的环形管组成，其末端朝向安全壳壁并覆盖确保动力装置的安全液压装置。
4.rf实用新型专利号：ru 85029,g21c 15/18,2009.07.20中公开了一种包括至少一个位于安全壳内的换热器的冷却剂循环回路，以及一个安装在安全壳外的换热器上的带有冷却剂储备量的容器，换热器和容器的供给和排出管路相互连接的系统。该系统还配备有一个安装在带有冷却剂储蓄量的容器内并通过排放管路与系统以液压方式连接的蒸汽接收装置。
5.与发明要求保护的最接近的类似物是rf专利号：ru 2595639,g21c 15/00,2016.06.27中描述的系统。该系统包阔一个安装在安全壳下的换热器。换热器的进出口通过安全壳连接到低沸点冷却剂封闭式循环回路中。低沸点冷却剂循环回路包括带发电机的涡轮机、带蒸汽发生器的动力装置和保证动力装置安全的装置。其中一个装置具有液压装置和汽水涡轮机。带有蒸汽发生器的动力装置和确保动力装置安全的装置位于安全壳下方。换热器安装在安全壳圆顶下方。换热器采用两层通过c形翅片管相互连接的环形管。管末端朝向安全壳壁并覆盖确保动力装置的安全液压装置。
6.技术方案本质该要求保护的技术方案的目的是创造一种压水动力反应堆安全壳内部体积中被动热排出系统正确判断可操作性的方法和装置。
7.采用本技术方案的技术成果是保证和加快正确判断压水反应堆安全壳内部体积被动热排出系统的可操作性和防止核电站发生的事故，因此，提高核电站运行期间的安全性，以及扩展模拟的功能。
8.这一技术结果是通过系统监测数据的处理，以及通过压水反应堆安全壳内部体积被动热排出系统的结构改装而实现的，从而可进行安全壳内部体积被动热排出系统的监测。
9.所要求保护的技术方案的一个优选实施例中，提出了一种安全壳内部体积被动热排出系统的监测方法，其特征在于：进行目视检查来检测系统的外部损坏；被动热排出系统
的回路分为两个部分：采用目视检验设备可检查的可进入和难以进入的部分；使用专用目视检验设备对管路个别部分的内部进行检测；通过检查回路的强制循环模式确定管道中的难以进入区域的附加液压阻力；确定换热器中阻塞管占总管数的比例；对前面阶段获得的数据进行处理，并确定安全壳内部体积被动热排出系统的状态。
10.此外，还可以判断腐蚀组分的影响。
11.可使用3d建模来处理在前面阶段获得的数据，并确定安全壳内部体积被动热排出系统的状态。
12.安全壳内部体积被动热排出系统监测装置包括至少一个冷却水循环回路，冷却水循环回路包括：位于安全壳体积内并包括通过热交换管连接的上部和下部集热器的换热器；与换热器连接的升降管路；位于安全壳体积外的换热器以上并与降下管路连接的冷却水储备量水箱；一种与上升管路连接的置于水储备量水箱内并与水箱液压连接的排汽装置，其特征在于，排汽装置还包括一个部分装满水，带有电加热元件的加热罐、一个包括用于接收从系统中排水的排水管线、测量装置。
13.图纸简明描述图1是在各种附加液压阻力值条件下，难以进入区域的压降对回路中水流量的依赖性；图2是回路附加液压阻力与“断开”换热面比例的坐标极限曲线；图3是计算域的几何形状；图4是计算域的横截面(换热器管路的垂直部分)；图5是计算域的下部，换热器管路的编号；图6是两种不同题目定义的温度场；图7是两种不同题目定义的温度场；图8是两种不同题目定义的速度场；图9是换热器管中的温差对系统总流量的依赖性。
14.技术方案详细描述下面描述一些使用本技术方案中的术语。
15.核电站是指使用生产电能(在某些情况下还包括热能)核反应堆(几个反应堆)并包括一套必要设施和设备的核装置。
16.rvarps是指压水动力反应堆安全壳内部体积被动热排出系统。
17.热应急排放罐换热器三维模型(3d模型)是三维立体数字图像。3d模型的创建在用于3d建模的特殊软件中进行。
18.本技术方案中，其使用技术结果是保证和加速正确确定压水动力反应堆安全壳内部体积被动热排出系统的可操作以及防止核电站发生的事故，因此，提高核电站运行期间的安全性，以及扩展模拟的功能提高模型功能。该成果的实现方式是，使用系统监测数据处理、改装压水动力反应堆安全壳内部体积的被动热排出系统的结构，使得能够监测安全壳内部体积被动热排出系统。
19.根据所提出的技术方案，安全壳内部体积被动热排出系统的监测方法具有以下操
作特征。
20.进行目视检查系统的外部损坏。
21.rvarps的可操作性(即执行其功能的能力)最初是根据一系列实验和数值计算的结果确定的。由于系统元件的运输和安装，会出现系统特性与设计值的偏差。例如，管道和换热器管路的损坏(破坏、阻塞)或其内部堵塞(阻滞、焊接缺陷)。此外，随着时间的推移，系统的性能会受到其元件材料腐蚀的影响。在所有这种情况下，系统的性能都可能受损。因此，根据安装结果以及与系统元件更换相关的维修工作，有必要确认rvarps的可操作性。
22.除了纯粹的机械原因之外，系统性能与设计值的偏差也会导致在系统运行过程中在换热器管路内表面上产生腐蚀沉积物。
23.在系统运行的设计模式下，判断腐蚀组分对热器管路中的水流热量对安全壳中的汽-气介质的热阻是如下：系统元件的体积内和表面上的腐蚀产物主要为赤铁矿的形式：fe2o3，系统元件在设计运行周期(60年)内积累的赤铁矿层厚度为：δ_h＝65
·
10-9
m。各向异性是赤铁矿的导热性能的特性。最小分量是平行于晶体光轴测量的热导率。其值为：λh＝12.1w/(m
·
k)。λ换热器管壁材的导热系数为λw＝15.06w/(m
·
k)，换热器管壁厚度为：δw＝3
·
10
^3
m。保守地忽略由于腐蚀引起的管壁厚度的减少。在设计操作模式下，可以如下保守地判断从水到管壁和从汽-气介质到管壁的传热系数：α1《1000w/(m2·
k)和α2《600w/(m2·
k)。
24.汽-气介质到水的热传递的总热阻可以表示为：赤铁矿层热阻为：在系统设计运行模式下，腐蚀组分对热流热阻的影响可以通过热阻比值而判断：代入数值，我们得到一个保守的估计：因此，在设计寿命期间中腐蚀对系统性能的影响可以忽略不计。
25.被动换热器系统的回路分为两段：使用目视检验设备可进入和难以进入的一段。
26.rvarps回路可分为两段：使用目视检验设备可进入和难以进入的部分。
27.使用专用视觉控制设备对管道各别部分的内部区域进行检查。
28.外部损坏的存在可以通过目视检查而确定。在管道的个别部分，还可以使用专用视觉检测设备(移动遥控摄像机)对其内部区进行检查。这适用于从水箱中的管道切割到阻止摄像机移动的某个障碍物(阀门、陡弯)的管道部分。对于难以通过目视设备检查的管道的其他部分以及换热器管路，必须提供其他措施来检查其内部区的阻塞。
29.通过回路的强制循环模式的检查确定管道中的难以进入区域的附加液压阻力。
30.为了确定管道中难以进入段的附加(与设计相比)液压阻力，研究了具有相对高流
量的回路的强制循环模式。循环是通过向上升管的垂直部分供应空气产生的。
31.该模式的计算是针对各种附加电阻值进行的。根据计算结果，构建了一个图表(即一组在公共轴上的图表)，图标在不同值下，表示难以进入段的压降δp对回路g中水流量的依赖性附加水力阻力ζ-从零到最大并根据极限曲线(见图2)确定的允许值(见图1)。
32.在液压测试期间，将测量下列内容：回路中的水流量和难以进入段的压降。使用这些依赖关系的图表，使得根据相应的测量值的δp和g平面上的点确定回路的附加液压阻力的实际值。
33.确定堵塞管在换热器中占总管数的比例。
34.为此，研究了安全壳的汽-气介质与经换热器的流水之间的热交换。为了进行热测试，使用专门为此目的设计的设备。来自热应急排放罐的水通过管道进入带有加热元件的加热罐。在加热罐中，在系统运行期间，水被加热到饱和温度。该加热罐的蒸汽体积与热应急排放罐的空气体积相连。因此，热应急排放罐的水体积和加热罐体积之间的管道上打开阀门时，后者是连通容器。想法在于，在恒定压力下沸腾，保持进入换热器的热水温度稳定。水通过管道从加热罐进入rvarps的上升管道。因为两个rvarps阀都关闭，水进入带有换热器的回路一部分。在换热器中，水经过冷却并进入排水管线，排水管线连接到rvarps的下降管道。水从排水管进入位于系统阀门间的专用储水箱。
35.因此，与换热器的正常运行模式相比，既有水通过换热器的运动，也有与安全壳介质的换热器都发生在相反的方向。也就是说，水从上到下穿过换热器，并且水温度高于安全壳中的介质。
36.该模式的计算是在换热器管数的不同值，即换热面“工作”面积比例的不同值进行的。根据计算结果，构建了一系列图表，表示在热交换表面“关闭”部分的各种相对值下，换热器上的温差分的各对水流量g的依赖性
‑‑‑‑
从零到根据极限曲线确定的最大允许值(见图2)。
37.凭借计算代码，进行了最大严重事故的计算。在这些计算中，rvarps的运行是在以下破坏性(即恶化系统性能)因素的情况下建模的：1)系统管路堵塞；2)换热器部分管路堵塞。上述因素中的第一个是通过循环回路的附加局部液压阻力建模的；第二个是通过换热器管一部分“工作关闭”建模的。
38.基于这些计算，在回路的附加液压阻力系数ζ和热交换“关闭”的换热器表面积比例δs的坐标系数下，构建了一条极限曲线。极限曲线是在严重事故中达到安全壳下压力极限值时的一组坐标和坐标系值。对于严重事故的后果，极限曲线将重事和重事故的所有值的区域划分为可接受(曲线下)和不可接受值(曲线上)的子区域
‑‑‑‑
见图2。
39.该系列的不同图表对应参数的不同值，参数数据应根据测量结果获得的。这种参数包括：换热器入口处的水温、安全壳内的空气温度、安全壳壁内衬的温度和发射率、换热器管外表面的温度和发射率、加热箱中的水位。安全壳内空气相对湿度的依赖性计算结果的判断表明，该参数的影响可以忽略不计。
40.在处理一系列图表的测量结果的阶段，选择一个参数值最接近其测量值的图表。使用该图中的曲线可以根据δt和g平面上的对应测量值的点设置热交换表面积“关闭”比例的相对值，即可以测定换热器闭塞管的数量。
41.处理在前阶段获得的数据，并确定安全壳内部体积的被动热排出系统的状态。
42.回路阻力ξ和“关闭”换热面的相对值δs测试中获得的数据须与极限曲线相关联(见图2)。如果在处理测量数据的结果获得并相应这些参数的对应点低于极限曲线，则可以得出关于系统执行其功能能力的结论。
43.如果从系统的操作性角度上，测试结果不满意，可以使用热像仪对换热器管进行额外检查。为此，在热测试模式下(当热水流过换热器管路时)，使用热像仪对换热器管进行检查，以发现热量相对较低的区域。换热器管中的区域的存在是通过该管自由流动的障碍的证据。
44.可使用3d建模来处理在前面阶段获得的数据并确定安全壳内部体积的被动热排出系统的状态。
45.作为示例，给出了rvarps换热器一部分的自由对流和混合对流共轭传热模拟的描述。
46.由于换热器管的对称配置，计算域是由一个1型整管一段和两个2型被空气包围的换热器半管组成。水以给定的速度和温度供应到换热器管的入口边界。不考虑向换热器管路供水的收集器。计算域的几何结构如下图3所示。此外，下面的图4显示了计算域的横截面。
47.表1给出了计算域的主要几何特性。
48.表1。计算域的主要几何特性计算域在z轴方向的外边界在计算域的下部以3个规管移除，在计算域的上部以8个规管移除。
49.加热水以给定的速度和温度进入换热器管。水在重力场中的强制流和浮力的作用下沿z轴的相反方向(从计算域的上部到下部)沿换热器管移动。在管子的出口边界设置过大的零压力。在出口边界逆流的情况下，水以平均温度进入管子出口截面。
50.在空气和钢管之间以及钢管和水之间的相边界处，设置第4类边界条件。这表明相分界面的温度和热通量相等以水加热的换热器钢管加热空气，空气又在重力场的浮力作用下，沿z轴方向上升。由于自由对流，热量从加热的换热器管中移除。在空气计算域的入出口边界处，设置零超压和空气温度t
amb
＝30℃。
51.考虑换热器管中水流的两种方案：水进入计算域的所有3根管子。
52.加热水不进入计算域的其中一根管子。
53.第二个方案模拟了换热器管在堵塞、换热器-冷凝器安装不当以及其他可能出现的故障的情况下无法运行的情况。第二个计算方案的参数是在换热器管的最大可能失效百分比为一个rvarps换热器管总数的25％的条件下获得的。假设一台rvarps换热器-冷凝器
中有132根管子(100％)，那么换热器的最小可能管子数为99根(75％)。为方便参考，图5显示了计算域中的管编号。计算中断开的管子将是管号3。
54.计算中变化的主要参数是系统中的总水耗量，即整个换热器(132根管子)的消耗量和换热器管入口处的水温。同时，由于系统中的总水耗量保持不变，在断开管子的计算选方案计算了速度。在计算中，考虑到换热器管入口处的温度t
in
为100℃的方案。
55.管入口速度来自系统中的总流量和管子的数量。从以下公式获得管入口处的速度：其中：g是系统中的总流量[kg/s]，n是换热器管的数量，ρ
in
是水的密度[kg/m3]，s是入口截面的面积[m2]。
[0056]
辐射传热仅在空气介质和换热器钢管中被考虑。对于管内的计算域，不考虑辐射。换热器管外表面和计算域外边界的发射率等于ε＝0.8。
[0057]
空气介质的初始条件是：零速度场和介质温度t
amb
.＝30℃。水温度为t
in
,速度场为零。管子的温度取为水性介质的t
in
。
[0058]
空气介质中的流动和热传递以格拉晓夫数gr为特征，对于所有考虑的气流状态，它的数量级为gr r对于所，这是湍流综合对流的特征值。在这方面，换热器管周围的自由对流流动是湍流的，为了关闭雷诺平均纳维-斯托克斯方程，选择了具有扩展近壁函数的半经验标准κ-ε湍流模型。在布辛涅斯克近似中考虑了浮力。
[0059]
为了考虑到辐射的能量转移，选择了surface-to-surface(s2s，表面对表面)模型。
[0060]
对于共轭传热、自由对流和混合对流的数值模拟，构建了一个具有630万个单元格的非结构化计算网格。
[0061]
所有计算均在非固定环境中进行。在主要计算中，时间步长等于0.5秒。纳维-斯托克斯方程和对流扩散传热的求解是使用segregated flow(分离流法)进行的。计算采用空间和时间的二阶离散化精度。当管出口和换热器管表面的平均温度达到某个恒定值时，问题被认为是收敛的。
[0062]
下面是换热器管入口处温度100℃和不同质量流量的计算结果。下面图6-8显示了其中一个计算方案的速度和温度场，其中一个计算方案具有完整数量的管子，以及当没有向其中一个管子供水时的方案，这样模拟了管子的不可操作性。
[0063]
图9显示了换热器管中的温差对系统中水流量的依赖性。下面的表2显示了换热器管表面的比热通量、平均温度和换热器管外表面的传热系数。
[0064]
表2。换热器管入口水温为100入口水时的计算结果。
[0065]
表2显示了，随着系统中流速的增加，管内外表面的比热通量也增加。图9显示，换热器管中的温差对系统总流量的依赖性。可以看出，随着系统中流量的增加，入口和出口之间的温差减小。
[0066]
对于入口处100℃的水温，从计算模型中断开一根管子会导致其余管子中的速度增加。因此，与所有运行中的换热器管子的计算方案作比较，断开管子方案中的管子出口处的水温更高且温差更低。
[0067]
对于100℃的换热器入口处的水温，两个计算方案之间的温差(在100％的换热器-冷凝器完全运行和在换热器管子75％面积的部分运行)约为5℃。
[0068]
在所述技术方案的一个实施例中，安全壳内部体积被动热排出系统还包括：а)下列测量设备，为了通过检查回路的强制循环模式确定难以进入区域的管道中的附加液压阻力：
·
便携式超声波流量计fluxus adm f601型/流速范围0.01-25m/s。体积流量测量误差1％rv。安装流量计有两种选项：校准选项。在此选项中，流量计在测试期间的预期安装位置是rvarps阀门间中的下降管的直段。由于在液压试验期间实现了两相流态，选择了该下降段。由于实际流量测量条件与流量计安装的法规要求存在差异(直段长度不够)，因此需要对系统的每个回路进行预校准。在使用第二个(控制)流量计进行测试之前进行校准，该流量计与第一个流量计串联安装，但安装位置满足其安装的必要要求。这样的地方是壳之间空间中的系统下降管路的一段。校准如下。在水压测试模式下，两个设备同时测量工作流量范围内几个点的流量。基于这种测量，构建校准曲线，之后用于处理测试结果。对于测试期间的测量，已校准仪器安装在与校准期间占据的相同地位和相同位置。流量计的安装位置在标定时必须固定，并用记号笔作标记。必须记住，系统不同回路的校准曲线可能不同，
因为安装流量计的部分的几何形状因不同回路而异。无校准选项。在此选项中，为了在测试期间进行测量，流量计安装在外壳之间的下降管一段，即与第一个方案中用于安装控制(校准)设备的相同位置。
·
容量为1000l/min(约0.02kg/s)的空气压缩机。使用压缩机的一个必要条件是供给系统的空气中不含油蒸气等杂质；
·
空气管路包括指定的压缩机、空气流量测量装置和用于平稳调节空气流量的阀门。该管路安装在aa802阀门旁通管路水平部分的接头上。
·
差压表，用于测量循环回路中的难以进入段的压差。
[0069]
为了确定难以进入管道段中的附加液压阻力，通过回路强制循环模式的检查采用下列动作：1、系统和空气线路阀门处于开启状态；2、开启空压机；3、空气线路上的阀门打开并设置到与回路中水流量值对应的位置：15阀门打开kg/s；4、控制回路中的水流以确定到达恒定值的时刻。预计恒定值的时间为：50恒定值的时间；5、在到达恒定值以后，进行下列测量：空气管路中的空气流量、回路中的水流量、rvaprs罐中的水位、难以进入段的压降；6、空气线路上的阀门关闭；7、空气压缩机关闭；8、斯通和空气线路的阀门转入关闭状态。
[0070]
b)为了确定换热器中阻塞管占总管数的比例，rvarps的结构包括：1)部分装满水、带电加热元件、总功率可调0-75kw的加热罐。加热罐的蒸汽体积通过管道连接到热应急排放罐的空气体积。加热罐的水体积通过管道连接到rvarps上升管道阀门的旁路。
[0071]
2)排水管路，包括接收系统排水的水箱和流量计；该管路安装在系统管道下降部分的接头上。
[0072]
3)测量水温的工具，以及排水管上的阀门，用于平稳调节水流。
[0073]
4)高温计，与直接测量换热器管和安全壳表面温度的工具一起，用于确定这种表面的辐射率。
[0074]
5)直接测量换热器管和安全壳表面温度的设备。
[0075]
6)热像仪，在主要测试结果不理想的情况下用于进行补充研究。
[0076]
为了确定堵塞管子在换热器管子总数中所占的百分比，采取下列动作：1.打开将热应急排放罐与电加热器连接的阀门；2.测量加热罐内的水位。当液位接近标称值时，开启电热元件；电加热器总功率设定为：75千瓦；3.定期测量加热罐中水的温度。当温度值达到100℃时，排水管路阀门进入开启状态。排水管上的阀门设置在对应排水管内水流量的位置：0.2kg/s；4.监测换热器入出口处的温度，以确定到达恒定值的时刻。从加热开始(打开电加
热器)到到达恒定值的计算时间约为：10000的计算电加热器)；5.到恒定值之后，测量下列参数；rvarps罐内的用水量、水位和水温、换热器进出口水温度、加热器后水温、安全壳内的介质温度、加热罐内的水温和水位。还必须测量下列参数(参见第2.5节中的附注1)：换热器管的表面温度-直接(接触)测量和高温计测量(非接触)；安全壳壁的表面温度——直接(接触)测量和高温计测量(非接触)；6.电热元件关闭。
[0077]
加热管路和排水管路的阀门处于关闭状态。
[0078]
对于本领域技术人员很明显，监测安全壳内部体积被动热排出系统及其实施装置的具体实施例用于说明目的，可进行各种修改，但不超越技术方案的范围和本质。

技术特征：
1.一种安全壳内部体积被动热排出系统的监测方法，其特征在于：进行目视检查系统的外部损坏；被动换热器系统的回路分为两段：使用目视检验设备可进入和难以进入的一段；使用移动遥控摄像机对管道各别部分的内部区域进行检查；通过回路的强制循环模式的检查确定管道中难以进入区域的附加液压阻力；确定杜塞管在换热器中占管总数的比例；处理在前阶段获得的数据，并确定安全壳内部体积被动热排出系统的状态。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，判断腐蚀组分的影响。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用3d建模进行数据处理。4.安全壳内部体积被动热排出系统监测装置，至少包括一个冷却水循环回路，冷却水循环回路包括有：位于安全壳体积内并包括通过热交换管连接的上部和下部集热器的换热器；与换热器连接的升降管路；位于安全壳体积外的换热器以上并与降下管路连接的冷却水供水箱；一种与上升管路连接的置于供水箱内并与供水箱液压连接的排汽装置，其特征在于，排汽装置包括一个部分装满水带有电加热元件的加热罐、一个包括用于接收从系统中排水的排水管线、测量装置。

技术总结
本发明属于压水动力反应堆安全壳内部体积被动热排出系统的检测方式。该方法包括使用目视检查方式检测管道个别部分的内部区域；通过检查回路的强制循环模式确定管道中的难以进入区域的附加液压阻力。同时，确定堵塞管在换热器中占总管数的比例并通过接收到的数据处理，确定被动热排出系统的状态。该装置包括至少一个冷却水循环回路，还包括一个部分装满水带有电加热元件的加热罐、用于接收排出水水箱的排水管线，和测量装置。技术成果是提高核电站运行的安全性。电站运行的安全性。电站运行的安全性。


技术研发人员：弗拉基米尔
受保护的技术使用者：科学与创新核工业科学发展私人企业
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2023/9/23