Способ определения систематической погрешности внутриреакторных термодатчиков

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в ядерных энергетических установках (ЯЭУ). Предлагается определять постоянную инерции внутриреакторных термодатчиков, смонтированных в защитных чехлах, и погрешность радиационного разогрева таких датчиков путем нагрева чувствительных элементов этих термодатчиков импульсами электрического тока определенной длительности. Способ предусматривает увеличение интенсивности теплообмена термодатчика с термометрируемой средой. Способ обеспечивает повышение точности измерения температуры.

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

Известен способ определения качества монтажа внутриреакторных термоэлектрических преобразователей (ТЭП) - термопар системы массового замера температуры теплоносителя на выходе из тепловыделяющих сборок (ТВС) реакторов типа ВВЭР. [см.: Системы внутриреакторного контроля АЭС с реакторами ВВЭР/ В.А.Брагин, И.В. Батенин, М.Н.Голованов. - М., Энергоатомиздат, 1987, с.128. ]. Так как ресурс ТЭП меньше, чем ресурс реактора, то приходится периодически заменять эти ТЭП, извлекая старые ТЭП и монтируя новые, путем введения их в защитные чехлы - каналы термоконтроля. При таком монтаже недосыл (недоведение) рабочего конца ТЭП до посадочного гнезда в наконечнике канала термоконтроля приводит к увеличению воздушного зазора между рабочим концом ТЭП и наконечником этого канала и, следовательно, к возрастанию систематической погрешности при измерении температуры, обусловленной как радиационным разогревом ТЭП, так и динамическими изменениями температуры теплоносителя. Эта погрешность может возрасти настолько, что ее величина превысит регламентированный предел [см. : ГОСТ 26635-85. Реакторы ядерные энергетические с водой под давлением. Общие требования к системе внутриреакторного контроля.- М. , Изд-во Стандартов,1985]. Поэтому и является актуальным вопрос об оценке качества монтажа таких ТЭП.

Погрешность радиационного разогрева характеризуется величиной перегрева чувствительного элемента термодатчика относительно измеряемой температуры (в данном случае температуры теплоносителя) - DT. Она возникнет из-за объемного нагрева чувствительного элемента термодатчика и окружающих его конструктивных элементов гамма-излучением от активной зоны реактора [см.: Тимонин А. С. Систематические погрешности измерения температуры теплоносителя в ВВЭР-440 (рациональный разогрев термопар)// Измерительная техника, 1993, N 5. с. 51 - 53]. Эта составляющая систематической погрешности может быть скомпенсирована путем вычитания из показаний термодатчиков поправок, пропорциональных мощности объемного тепловыделения в термодатчиках, вызванного поглощением радиационного излучения.

Динамическая погрешность характеризуется величиной постоянной времени инерции термодатчика. Из-за наличия термического сопротивления у датчика его отклик, например, на внешнее ступенчатое температурное воздействие, происходит с некоторым запаздыванием, причем основную часть амплитуды этого воздействия (63%) датчик регистрирует по истечении времени τ - его постоянной инерции [см.: Тимонин А.С. Систематические погрешности при измерении температуры теплоносителя в реакторах ВВЭР-440 (динамические погрешности)// Измерительная техника, 1993, N 4, с.44 -46]. Эта составляющая систематической погрешности может быть скомпенсирована путем введения в передаточную функцию термодатчика корректирующего звена с постоянной времени, равной постоянной инерции термодатчика.

Известный способ определения качества монтажа ТЭП в каналах термоконтроля реакторов ВВЭР заключается в том, что каналы термоконтроля помещают в специальную шахту, монтируют ТЭП, при установке ТЭП перед первым пуском реактора определяют тепловую инерционность ТЭП в каналах термоконтроля путем создания скачков температуры горячего спая ТЭП и регистрируют кривые его остывания или нагрева. Скачки температуры создаются путем попеременного погружения наконечника канала термоконтроля, в котором смонтирован (вставлен) конец ТЭП с горячим (рабочим) спаем, в среды с разной температурой, например в горячую и холодную воду. На основе кривых остывания или нагрева горячего спая ТЭП определяют темп остывания (постоянную инерции ТЭП в канале термоконтроля). Величина постоянной инерции является показателем качества монтажа рабочего конца ТЭП в наконечнике канала термоконтроля. Если измеренная постоянная инерции ТЭП окажется больше своего регламентированного значения, то считается, что рабочий конец ТЭП не дошел до посадочного места в наконечнике канала термоконтроля. Таким образом, качество монтажа определяется с помощью оценки динамической погрешности ТЭП, которая характеризуется постоянной инерции этого ТЭП при его монтаже.

Недостаток известного способа заключается в том, что предлагаемый способ практически не применим при заменах ТЭП на уже проработавшем на мощности энергоблоке из-за большой наведенной активности блока защитных труб в области наконечников каналов термоконтроля. Между тем, оценка качества монтажа ТЭП особенно актуальна в блоках, проработавших несколько компаний, а не на новых блоках. Эта активность обусловлена тем, что каналы термоконтроля проработавших на мощности блоков часто теряют герметичность и зашлаковываются изнутри, что создает трудности при обеспечении штатной посадки ТЭП в наконечниках этих каналов. Кроме того, постоянная инерции ТЭП в канале в условиях монтажа отличается от постоянной инерции ТЭП при работе реактора на мощности из-за неравенства коэффициентов теплоотдачи от канала к окружающей среде в этих условиях.

Известен также способ определения динамической погрешности термодатчика, смонтированного в защитном чехле, который заключается в том, что чувствительный элемент термодатчика (ТЭП, термометра сопротивления и др.) нагревается джоулевым теплом, обусловленным импульсом электрического тока, который пропускается по конструктивным элементам термодатчика, например по термоэлектродам, а также теплом, обусловленным термоэлектрическими эффектами; регистрируются кривые нагрева и/или остывания чувствительного элемента термодатчика и по этим кривым расчетным путем определяется постоянная инерции термодатчика. (см.: In-sity responce time testing of thermocouples /Hashemean H. M., Petersen K.M., Mitchell D.W., Hashemean M. et al. - Inst. Soc. of Am. Transac., 1990, vol. 29, N-4, pp. 97 - 104.).

Недостаток известного способа заключается в том, что постоянная инерции существенно зависит от способа нагрева чувствительного элемента термодатчика. Значение постоянной инерции, определенное по результатам попеременного погружения чувствительного элемента термодатчика в среды, имеющие разные температуры, и значение постоянной инерции, определенное по результатам нагрева чувствительного элемента термодатчика электрическим током, могут не совпадать. Это связано с тем, что теплоперенос по конструкции термодатчика в обоих случаях имеет свою специфику, обусловленную особенностями перетечек тепла при поверхностном и объемном нагреве этого термодатчика. Таким образом, нельзя "напрямую" использовать значение постоянной инерции датчика, полученную при нагреве его электротоком, для коррекции его динамической погрешности в рабочих условиях (при работе реактора на мощности).

Наиболее близким к предлагаемому способу и принятым в качестве прототипа является способ определения систематической погрешности внутриреакторного термодатчика, измеряющего температуру теплоносителя, заключающийся в том, что, проводят цикл измерений, а именно: чувствительный элемент термодатчика подвергают тепловому возмущающему воздействию, например, путем пропускания электрического тока по элементам конструкции "термодатчик-чехол"; с учетом кривой остывания этого термодатчика оценивают его постоянную инерции; чувствительный элемент термодатчика подвергают тепловому воздействию, имеющему большую продолжительность, чем постоянная инерции термодатчика, определяют термические сопротивления между чувствительным элементом термодатчика и термометрируемой средой, а именно величину внутреннего термического сопротивления, обусловленного условиями монтажа термодатчика в окружающей его защитной оболочке, и величину внешнего термического сопротивления, обусловленного теплоотдачей к теплоносителю, а также амплитуду показаний термодатчика; определяют значение постоянной инерции термодатчика при работе реактора на мощности как величину, которая пропорциональна амплитуде показаний термодатчика, взвешенной с долей термического сопротивления, обусловленной внутренним термическим сопротивлением термодатчика, и обратно пропорциональную тепловыделению в чувствительном элементе, обусловленному тепловым воздействием; определяют погрешность радиационного разогрева термодатчика как величину прямо пропорциональную постоянной инерции и радиационному тепловыделению в чувствительном элементе термодатчика при работе реактора на мощности [см. : Тимонин А.С. Проблемы эксплуатации термопар в реакторах ВВЭР// Управление качеством. - М.: ЦНИИУЭИ Минатома РФ, 1997, вып. 1(14), с. 49 - 57].

Недостаток известного способа заключается в том, что не удается определить величины указанных выше термических сопротивлений с приемлемой точностью, так как внешнее термическое сопротивление обычно вносит сильное искажение в температурное поле и во многом определяет направление тепловых потоков и характерные особенности теплопереноса в чувствительном элементе термодатчика, а следовательно, уменьшается точность как определяемых значений систематической погрешности, так и собственно самих измеряемых значений температуры термометрируемой внешней среды.

Техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого способа является повышение точности измерения температуры.

Указанный результат достигается тем, что уменьшают термическое сопротивление между чувствительным элементом термодатчика и термометрируемой средой путем изменения внешнего термического сопротивления, например за счет регулирования интенсивности теплообмена с термометрируемой средой.

Интенсификация теплообмена на внешней поверхности чехла необходима для приближения к штатным условиям работы датчика в реакторе.

Отметим, что сам по себе метод пропускания тока по термодатчикам (ТЭП и термометрам сопротивления) известен и применяется для различных целей: для проверки электросопротивления между электродами ТЭП, а также между термоэлектродами и оболочкой ТЭП [см.: Температурные измерения в ядерных реакторах /Б. В. Лысиков, В.К.Прозоров, В.В.Васильев, Д.Н.Попов и др. - М.: Атомиздат, 1975, с. 168]; для облегчения извлечения заклинивших ТЭП [см.: Федоров О.М. Модернизация системы термоконтроля ВВЭР-440. - Атомная энергия, 1989, т. 67, вып. 5, с. 354 - 355.] и для определения показателя тепловой инерционности термодатчиков [см.: Carrol R.M., Kerlin T.W. In-sity measurement of the response time of sheated thermocouples.- Transac. of the Nicl. Soc., 1975, vol. 21, pp. 427 - 428.].

В предлагаемом способе регистрируемыми величинами являются как темп изменения температуры чувствительного элемента термодатчика, так и температура, которую имеет чувствительный элемент в момент окончания нагрева электрическим током. В этом, в частности, состоит новизна предлагаемого способа.

Существенным в предлагаемом способе является то, что задается длительность нагревающих импульсов. Например, за время импульса с длительностью, большей постоянной тепловой инерции смонтированного термодатчика, прогревается вся его конструкция и, таким образом, значение амплитуды сигнала термодатчика в момент окончания нагрева почти не зависит от специфики способа нагрева термодатчика и динамических особенностей теплопереноса по его конструкции.

Для доказательства возможности достижения указанного результата при осуществлении предлагаемого способа рассмотрим модель термодатчика произвольного исполнения, смонтированного в защитном чехле произвольной конструкции, позволяющую описать его отклик на нагрев током.

Для определения отклика такого термодатчика достаточно рассмотреть систему из двух уравнений теплового баланса для чувствительного элемента термодатчика и для защитного чехла: где величины с индексом (_i) относятся к термодатчику, а с индексом (₂) - к защитному чехлу; T_i(t) - температура, усредненная по объему V_i; q_i(t) - удельная мощность джоулева тепловыделения; ρ_i, c_i - плотность и удельная теплоемкость; V₁, V₂ - объем чувствительного элемента датчика и защитной оболочки вокруг него; F₂₃, F₁₂ - площади внешней, омываемой теплоносителем, и внутренней поверхностей защитной оболочки, охватывающей объем V₂; α₁₂ - тепловая проводимость контакта датчика и защитной оболочки; α₂₃ - коэффициент теплоотдачи от защитной оболочки к теплоносителю; T₃(t) - измеряемая температура окружающей среды (теплоносителя). При выводе (1) принято, что коэффициенты неравномерности температуры по чувствительному элементу датчика и по защитной оболочке, равные отношениям температур, усредненных по поверхностям датчика и оболочки, к усредненным по соответствующим объемам температурам, равны единице. Решая (1), получаем временную зависимость для температуры чувствительного элемента, T₁(t): В случае нагрева чувствительного элемента датчика импульсом тока произвольной длительности постоянная тепловой инерции датчика, смонтированного в защитном чехле, определяется стандартным способом по зарегистрированной кривой его остывания (как время, необходимое для регистрации 63% от полного температурного перепада). Как видно из анализа общего решения (2), постоянная инерции равна: Повторный нагрев чувствительного элемента датчика импульсом, который имеет длительность t_u, меньшую, чем τ_e, позволяет уточнить по кривой остывания значение постоянной инерции τ_e. При нагреве чувствительного элемента импульсом электрического тока, который имеет длительность t_u, большую, чем τ_e , амплитуда сигнала термодатчика, согласно (2), выражается в виде: где Q_e = q₁V₁ - мощность тепловыделения, обусловленного теплонагревом. Условие на длительность импульса (t_u>τ_e) вытекает из необходимости стабилизации температуры по чувствительному элементу термодатчика.

Выражения (3) и (4) позволяют определить внутреннее (α₁₂F₁₂)^-1 и внешнее (α₂₃F₂₃)^-1 термические сопротивления термодатчика, смонтированного в защитном чехле. Например, для внутреннего термического сопротивления получаем:

Как видно, в (5) входят известные величины: ΔT_e - амплитуда сигнала термодатчика, зарегистрированная при его нагреве импульсом длительностью t_u>τ_e; τ_e - постоянная инерции датчика, определенная по кривой остывания датчика после его нагрева импульсом длительностью t_u<τ_e; Q_e = q₁V₁ - мощность тепловыделения, выделившаяся в термодатчике, которая определяется по измеренным значениям тока и напряжения в нагревающей цепи с учетом предварительного измерения сопротивления этой цепи; C_i = ρ_iV_ic_i - теплоемкости датчика и защитной оболочки, которые известны из проектной документации на эти изделия.

Сами работы по нагреву чувствительных элементов датчиков электротоком могут осуществляться, например, во время перегрузок или планово-предупредительных ремонтов реакторов. При этом защитные чехлы с датчиками могут быть извлечены из реактора и помещены в удобное для измерений место.

Возможность определять с помощью токового нагрева импульсами определенной длительности внутреннее термическое сопротивление термодатчиков, смонтированных в защитных чехлах, подтверждена экспериментально. Экспериментальные значения для двух типичных посадок ТЭП типа ТХА-2076 (р. 4.) в наконечниках каналов термоконтроля блока защитных труб реактора ВВЭР-440 (В-213) получены во время ППР-90 на втором блоке Ровенской АЭС при электронагреве ТЭП одного из патрубков термоконтроля во время нахождения блока защитных труб в колодце гермозоны. Штатная посадка ТЭП характеризуется значением параметра T₁(t_u>>b₂^-1), которое примерно в 4 раза меньше аналогичного параметра для недосланного на глубину ≈ 0,2 м ТЭП. Погрешность измерения позволяет диагностировать такое различие [см.: Тимонин А.С., Цимбалов С.А. Определение качества посадки термопар в каналах ВВЭР// Атомная энергия,1994, т. 76, вып. 3, с. 227 - 229].

Внутреннее термическое сопротивление определяется из (5) (его величина, как показывает практика, варьируется в зависимости от условий монтажа даже для однотипных датчиков), затем из (3) определяется постоянная инерции индивидуально для каждого термодатчика применительно к условиям его работы в реакторе (в штатных условиях работы термодатчика):

Приближенное равенство в (6) выполняется тем лучше, чем больше величина отношения внутреннего термического сопротивления для конструкции "термодатчик - защитный чехол" к внешнему термическому сопротивлению, обусловленному теплоотдачей от внешней поверхности защитного чехла к окружающей среде.

Указанное отношение может быть увеличено путем, например, принудительной циркуляции окружающей чехол среды. В качестве такой среды для водоводяных ЯЭУ может быть использована вода, принудительно перемешиваемая в области чувствительных элементов термодатчиков.

То есть постоянная инерции термодатчика в штатных условиях его работы прямо пропорциональна амплитуде ΔT_e, удельной объемной теплоемкости конструкции термодатчика и обратно пропорциональна удельному объемному тепловыделению в нем, обусловленному электроразогревом.

Определив внутреннее термическое сопротивление из (5), из (2) определяем погрешность радиационного разогрева термодатчика во время работы реактора на мощности:

где Q_r = Q_r1 + Q_r2 = q_r1V₁ + q_r2V₂ - мощность тепловыделения в термодатчике, смонтированном в защитном чехле, которая обусловлена радиационным разогревом этой конструкции; q_r1, q_r2 - соответствующие удельные объемные значения мощности тепловыделения. Приближенное равенство в (7) выполняется тем лучше, чем больше величина (α₁₂F₁₂)/(α₂₃F₂₃). Это обстоятельство уже комментировалось после вывода (6).

В выражении (7) присутствует величина внешнего термического сопротивления в условиях работы реактора на мощности, которая у реальных датчиков, как правило, пренебрежимо мала (не более нескольких процентов от полного термического сопротивления), поэтому ее можно не учитывать.

Значения Q_ri являются расчетными параметрами, определяемыми априори с учетом спектра гамма-излучения в месте расположения чувствительных элементов термодатчиков, или же экспериментально путем сравнения показаний термодатчиков равной конструкции, установленных над активной зоной симметрично [см.: Тимонин А.С. Систематические погрешности измерения температуры теплоносителя в ВВЭР-440 (радиационный разогрев термопар)// Измерительная техника, 1993, N 5, с. 51 - 53].

В реальных конструкциях внутриреакторных термодатчиков с достаточной для практики точностью выполняются условия:

С учетом этих равенств можно записать связь между погрешностью радиационного разогрева и постоянной инерции термодатчика:

То есть при работе реактора на мощности погрешность радиационного разогрева прямо пропорциональна удельной объемной мощности радиационного тепловыделения в термодатчике, а также постоянной инерции этого термодатчика и обратно пропорциональна удельной объемной теплоемкости конструкции термодатчика (ρ₁c₁).
Таким образом, определяя в результате нагрева электрическим током с длительностью импульсов t_u<τ_e и t_u>τ_e значения параметров ΔT_e и τ_e, согласно (6) и (10) вычисляем погрешность радиационного разогрева и постоянную инерции датчика при работе реактора на мощности. Например, для указанного выше типа ТЭП в случае штатной посадки получаем τ_e = 600 сек; t_u = 120 сек;

Следовательно, при осуществлении предлагаемого способа, при любой конструкции термодатчика и защитного чехла, удается определить систематическую погрешность измерения, а именно: составляющую погрешности, обусловленную радиационным разогревом, и постоянную инерции термодатчика при его работе в штатных внутриреакторных условиях.

Формула изобретения

Способ определения систематической погрешности внутриреакторного термодатчика, измеряющего температуру теплоносителя, заключающийся в том, что чувствительный элемент термодатчика подвергают нагреву путем пропускания электрического тока по элементам конструкции "термодатчик-чехол", с учетом кривой остывания этого термодатчика оценивают его постоянную инерции, чувствительный элемент термодатчика подвергают нагреву путем пропускания импульса электрического тока, имеющего меньшую длительность, чем постоянная инерции термодатчика, уточняют значение постоянной инерции термодатчика, чувствительный элемент термодатчика подвергают нагреву путем пропускания импульса электрического тока, имеющего большую продолжительность, чем постоянная инерции термодатчика, определяют термические сопротивления между чувствительным элементом термодатчика и термометрируемой средой, а именно величину внутреннего термического сопротивления, обусловленного условиями монтажа термодатчика в окружающей его защитной оболочке, и величину внешнего термического сопротивления, обусловленного теплоотдачей к теплоносителю, а также амплитуду показаний термодатчика, определяют значение постоянной инерции термодатчика при работе реактора на мощности, как величину, которая пропорциональна амплитуде показаний термодатчика и обратно пропорциональную тепловыделению в чувствительном элементе, определяют погрешность радиационного разогрева термодатчика как величину прямо пропорциональную постоянной инерции и радиационному тепловыделению в чувствительном элементе термодатчика при работе реактора на мощности, отличающийся тем, что для повышения точности измерения температуры увеличивают интенсивность теплообмена термодатчика с термометрируемой средой.