автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Разработка и исследование акустозондового метода контроля уровня двухфазного теплоносителя ЯЭУ

Введение

Глава 1 Критический анализ методов контроля уровня теплоносителя ядерных энергетических установок

1.1 Механические и акустические методы контроля уровня теплоносителя

1.2 Электрические и оптические методы определения уровня

1.3 Методы измерения уровня теплоносителя, основанные на использовании термодатчиков

1.4 Радиоизотопные сигнализаторы уровня

1.5 Системы контроля уровня применяемые на АЭС

1.6 Критический анализ методов измерения уровня теплоносителя

1.7 Выводы

Глава 2 Разработка акустозондового метода измерения уровня двухфазного теплоносителя

2.1 Методика измерения уровня двухфазного теплоносителя

2.1.1 Распространение ультразвука по волноводам

2.1.2 Прохождение ультразвука через контролируемую среду

2.2 Обоснование выбора конструкции электромеханических преобразователей

2.3 Конструктивно-технологические выводы.

Глава 3 Принципы построения оборудования для контроля уровня теплоносителя акустозондовым методом

3.1 Разработка и исследование моделей акустозондовых датчиков уровнемера

3.2 Эксперименты по разработке конструкции датчика и технологии его изготовления и сборки на примере четырех волноводной модели

3.3 Разработка вторичного электронного блока обработки сигналов

3.4 Разработка программного обеспечения

Глава 4. Экспериментальные исследования моделей акустозондового уровнемера теплоносителя ЯЭУ.

4.1 Результаты лабораторных исследований уровнемера

4.1.1 Конструкция модели уровнемера

4.1.2 Предварительные лабораторные исследования модели уровнемера

4.1.3 Изучение функционирования модели уровнемера на барботажном стенде

4.1.4 Разработка методики обработки и анализ полученных экспериментальных данных

4.1.5 Оценка погрешности результатов измерений

4.2 Результаты исследований акустозондового уровнемера на тепло-физическом стенде

4.2.1 Эксперименты на холодном стенде

4.2.2 Эксперименты с разгерметизацией контролируемого сосуда 106 Выводы и заключение 115 Список использованной литературы

Создание современных ядерных энергетических установок (ЯЭУ), повышение их надежности и безопасности требует совершенствования существующих и разработки новых методов и средств контроля теплоносителя в оборудовании ЯЭУ, особенно ориентированных на исследования состояния теплоносителя и его динамики во всех режимах их работы.

В связи с интенсивным развитием транспортных установок с водо-водяными реакторами, часть которых является кипящими системами, а другая может стать таковой при аварийных ситуациях, к наиболее актуальным проблемам относят задачи диагностики двухфазного теплоносителя и, в частности, контроль уровня и количества жидкой фазы. Информация, например, о паросодержании необходима для предсказания общих свойств двухфазного потока, таких как градиент давления и характеристик теплообмена. Существенна так же связь паросодержания с реактивностью активной зоны реактора, устойчивостью течения теплоносителя и критической тепловой нагрузкой. Решение данных вопросов весьма актуально для современных водо-водяных реакторных установок в моноблочном исполнении, ориентированных на работу в режиме естественной циркуляции в некоторых штатных или аварийных ситуациях.

Как показывает анализ литературных данных, традиционные методы измерения уровня двухфазного теплоносителя, а так же предложенные в последние годы [9,15,16,28], далеко не всегда позволяют проводить надежные измерения в практически важных случаях. Например, широко известный метод диагностики, основанный на просвечивании потока теплоносителя излучением от радиоактивного источника, не пригоден для использования в условиях первого контура ЯЭУ.

Разработанные акустические датчики, описание которых дано в [54, 69], обладают серьезными функциональными недостатками. Например, контролируемый объем составляет несколько кубических сантиметров. При появлении газовой фазы в виде пузырьков пара датчик показывает отсутствие жидкости, что не соответствует развитию реальной ситуации. Применение погружных пьезоэлементов приводит к недостаточности ресурса датчика.

Отсутствие разработанных методов и надежных средств диагностики двухфазного теплоносителя в условиях ЯЭУ стимулировало проведение работ по разработке новых методов измерения уровня, в частности, основанных на применении волноводно-акустической технологии и соответствующей акустической и электронной техники.

Темой данной работы является разработка и исследование акусто-зондового метода контроля уровня, с целью создания системы измерения уровня двухфазного теплоносителя для ЯЭУ.

Обычно под измерением уровня жидкости понимается индикация положения границы раздела двух сред различной плотности, относительно какой - либо горизонтальной плоскости, принятой за начало отсчета. Однако существуют разные трактовки термина "уровень" для случая кипящей жидкости, в частности, различают гидростатический, весовой, истинный, физический и т.д. [26,33,35], что говорит о некоторой неопределенности в данном вопросе. Можно констатировать, что на сегодняшний день не решена проблема контроля уровня среды при кипении. Это связано, в частности, с тем, что определять уровень, как однозначную границу раздела газовой и жидкой фаз в случае наличия пенного слоя, вызванного кипением, не представляется возможным, а в случае всплытия одиночного крупного пузыря (паровой пробки) может наблюдаться несколько межфазных границ.

Целью данной работы является разработка новой ультразвуковой многоволноводной системы, предназначенной для измерения уровня двухфазного водяного теплоносителя ЯЭУ и исследование влияния различных технологических и конструктивных факторов на условия осуществления процесса контроля уровня с использованием предложенного метода. Принцип действия этой системы основан на измерении акустической проводимости двухфазной смеси в локальных объемах, распределенных по высоте контролируемого сосуда.

Разработка подобных контрольно-измерительных систем стала возможна только в последние годы, благодаря интенсивному развитию электронно-вычислительной техники. А так же благодаря созданию быстродействующих компьютеров, т.к. в процессе измерений при динамических режимах необходимо оперировать большими объемами экспериментальных данных, что требует значительных машинных ресурсов и высокого быстродействия систем обработки информации, особенно для анализа результатов в масштабе реального времени.

По сравнению с другими датчиками, ультразвуковые волноводные системы обладают целым рядом весьма важных преимуществ и достоинств (о которых подробнее будет рассказано далее) и, что самое главное, обладают достаточной надежностью и долговечностью при эксплуатации в условиях ЯЭУ (высокое давление и температура, ионизирующее излучение), ориентируясь на которые и разрабатывалась данная ультразвуковая волноводная измерительная система.

В диссертационной работе автор защищает: -методику определения уровня двухфазного водяного теплоносителя, основанную на измерении параметров акустических сигналов, пропущенных через контролируемые объемы, распределенные по высоте сосуда;

- принципы построения и конструктивные особенности ультразвуковой волноводной многоточечной системы, предназначенной для измерения уровня двухфазного водяного теплоносителя ЯЭУ;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований распространения ультразвуковых сигналов в сложных многоволно-водных системах и прохождения ультразвука через контролируемые объемы;

Диссертация содержит четыре главы, выводы и список использованной литературы. В первой главе приведен сравнительный анализ систем измерения и контроля уровня, основанных на различных физических принципах и их критическая оценка с точки зрения решения поставленной задачи. Вторая глава посвящена разработке акустозондового метода измерения уровня двухфазного теплоносителя, в частности анализу вопросов распространения ультразвука в среде и по волноводам. В качестве выводов по второй главе выступают основные технологические ограничения и конструктивные принципы построения многоволноводной акустической измерительной системы. В третьей главе изложено описание экспериментов по разработке конструкции датчика и технологии его изготовления и тестирования. Четвертая глава содержит результаты тестовых испытаний и лабораторных экспериментов с использованием разработанной системы, изложение методики обработки и анализ экспериментальных данных, и оценку погрешности измерений, основанную на статистическом анализе результатов. Здесь же приведены результаты экспериментов с разработанной системой, проведенных на реальном те-плофизическом стенде. Описывается сравнение результатов, полученных с помощью разработанной акустической системы и результатов, полученных с применением немецкой измерительной многоточечной системы, работающей на другом физическом принципе. s

Выводы и заключите

Критический анализ литературных данных по средствам кошроля уровня теплоносителей высоких параметров свидетельствует о насупщой необходимости разработки новых методов и систем контроля и наблюдения за процессами в рабочих средах технологического оборудования ЯЭУ.

Решение этой проблемы предполагает разработку новой техники и новых технологий, основанных на новых методах получения и обработки информации.

В настоящей работе предложен принципиально новый подход к решению задачи кошроля уровня высокотемпературного двухфазного теплоносителя, основанный на использовании вошошдно-акустической технологии для индикации распределения фазового состояния контролируемой среды по высоте сосуда.

Для практического применения метода разработана оригинальная конструкция многоточечного волноводнош акустического датчика, предложены и отработаны основные узлы, электронное оборудование и программное обеспечение системы. На основании проведенных исследований создан полномасштабный макет системы контроля уровня, который показал устойчивую работоспособность в различных динамических режимах, в том числе на теплофизическом стенде, чем полностью подтвердил все основные теоретические положения диссертации.

На основании проведенного цикла экспериментов можно сделать следующие выводы и практические рекомендации.

1. Впервые предложен и разработан новый метод контроля уровня высокотемпературного двухфазного теплоносителя, использующий волноводную акустическую технологию и обеспечивающий измерения фазового состояния среды и его распределение независимо от условий применения.

2. Разработана, изготовлена и изучена новая конструкция многоточечного акустического датчика Проведены всесторонние исследования разработанной конструкции в лабораторных и стендовых условиях

3. Исследованы влияния теплофизических, конструктивных и технологических факторов на условия проведения измерений динамики фазового состояния и распределения фаз в двухфазном теплоносителе.

4. Изготовлена и апробирована в лабораторных и стендовых условиях акустическая волноводная система контроля уровня двухфазного теплоносителя.

5. Предложена методика восстановления динамики распределения фаз по высоте контролируемого сосуда на основе специальных алгоритмов, что позволяет изучать развитие процессов кипения и барботажа

Разработанное средство диагностики может быть использовано в экспериментах по изучению аварийных ситуаций в теплофизическом оборудовании, экспериментах по безопасности, при отработке новых элементов энергетического оборудования в процессе технологических испытаний, его использование при научных исследованиях, например, процессов генерации пара, позволит получить новые данные о тепломассообмене в условиях, где использование других методов затруднено или невозможно.

В качестве рекомендаций по возможной модернизации системы можно отметить применение лазерной сварки, что положительно скажется на акустических характеристиках сварных швов, а так же желательно применял, более тонкие волноводы для снижения потерь при распространении звука по волноводу и улучшения технологичности монтажа. Увеличение количества контролируемых точек приведет к снижению дискретности показаний и, соответственно, к повышению точности.

С развитием компьютерной техники потенциально возможно создание других вариантов программного обеспечения, которое позволит веста запись и анализ поступающих д анных в режиме реального времени.

1. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М., Энергоатомиздат, 1985.

2. Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования М., Энергоатомиздат, 1989.

3. Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в ядерной энергетике /Под. ред. Вакара К.Б. М., Атомиздат, 1980.

4. Бабиков О.И. Контроль уровня с помощью ультразвука. М., "Энергия", 1978

5. Баранов В.М. Ультразвуковые измерения в атомной технике. Энергоатомиздат, 1990

6. Баранов В.М., Мартыненко С.П., Шарапа А.И. Работоспособность пьезоке-рамики ЦТС при воздействии реакторного излучения / Атомная энергия, 1982

7. Баранов В.М., Молодцов К.И., Акустоэмиссионные приборы ядерной энергетики М., Атомиздат, 1980.

8. Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. М., Энергия 1968

9. Дж. Боланд. Приборы контроля ядерных реакторов. М. Атомиздат, 1973.

10. Дмитриенко Л.П. Приборы контроля и регулирования уровня сыпучих материалов. М., Мир, 1980.

11. Доллежаль Н.А., Емельянов И.Я. Канальный ядерный энергетический реактор. М., Атомиздат, 1980.

12. Домаркас В.И. Кажис Р.-И. Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. Вильнюс, Минтис, 1975.

13. Дэйвис P.M. Волны напряжения в твердых телах. Пер. с англ. М., Изд-во иностр. лит., 1961.

14. Емельянов И.Я., Ефанов А.И., Константинов Л.В. Научно-технические основы управления ядерными реакторами, М., Энергоиздат, 1981.

15. Иванова Г.М. и др. Теплотехнические измерения и приборы. М., Энергоатомиздат, 1984.

16. Кичкин И.И., Полохин П.Н. Конструкции современных уровнемеров, обзор иностранных патентов. М., Мир, 1982

17. Кобелев Ю.А. Ростков А.В., Трофимов А.И., Шушков А.А. Некоторые аспекты создания пьезоэлектрических преобразователей для уровнемеров. Обнинск, ИАЭ

18. Колесников А.Е. Ультразвуковая техника и электроакустика. Атомная энергия, 1982t

19. Кольский Г. Волны напряжения в твердых телах. Пер. с англ. М., Изд-во иностр. лит., 1955

20. Коников И.С. Электрические сигнализаторы допустимых уровней воды в котле. М., Энергоатомиздат, 1984.

21. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М., Машиностроение, 1983.

22. Куталадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. М.Энергоатомиздат, 1990.

23. Кутепов A.M., Стерман JI.C., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М., "Высшая школа", 1977.

24. Лабутин С.А., Пугин М.В. Статистические модели и методы в измерительных задачах. Н.Новгород 2000 г.

25. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости Изд. 3-е. М., Наука, 1965.

26. Ломакин С.С. Ядерно-физические методы диагностики и контроля активных зон реакторов АЭС. М., Энергоатомиздат, 1986.

27. Макаров А.К., Свердлин В.М. Автоматические устройства контроля уровня. М., Энергия, 1970.

28. Мельников В.И., Усынин Г.Б. Акустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ. М., Энергоатомиздат, 1987.

29. Мельников В.И., Хохлов В.И. Аналитический обзор: "Акустические методы измерения уровня жидкости в резервуаре". Н.Новгород 1991.

30. Мельников В.И., Хохлов В.И., Дунцев А.В.Ультразвуковой волноводный датчик акустического контроля ЯЭУ. Атомная энергия, 1987

31. Мурин Г.А. Теплотехнические измерения. М., Энергия, 1979.

32. Мэзон У. Физическая акустика. Под. ред. Розенберга. М., Мир, 1966.

33. Под ред. Ф. Мезона. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Пер. с англ. М., Мир, 1986

34. Попов А.Ф. Теплотехнический контроль на АЭС. М., Энергоатомиздат, 1986.

35. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы, М., Энергия, 1978.

36. Сидоров В.И., Мищенко Г.П. Температурные измерения на АЭС. М., Энергоатомиздат, 1987.

37. Системы внутриреакторного контроля АЭС с реакторами ВВЭР. Под редакцией Г.Л. Левина. М., Энергоатомиздат, 1987.

38. Смажевская Е.Г., Фельдман Н.Б. Пьезоэлектрическая керамика. М., Советское радио, 1971

39. Снеддон И.Н., Берри Д.С. Классическая теория упругости. Пер. с англ. М., Физматгиз, 1961

40. Стретг Дж.В. (лорд Релей) Теория звука. Пер. с англ. М.-Л., ОГИЗ, 1944

41. Тралин Ю.С., Радовский И.С., Егоров Ю.В., Шпирный В.Д. Результаты испытания акустического датчика паросодержания. Вопросы теплофизики ядерных реакторов. М: Атомиздат. Вып. 6, 1977

42. Трофимов А.И. Автоматика, телемеханика и вычислительная техника в химических производствах. М., Энергоатомиздат, 1985.

43. Трофимов А.И. и др. Техника измерения искривлений технологических каналов ядерных реакторов. М., Энергоатомиздат, 1981.

44. Трофимов А.И. Приборы контроля ЯЭУ, Обнинск, ИАЭ, 1991.

45. Трофимов А.И. Пьезоэлектрические измерительные преобразователи в атомной технике. М., Энергоатомиздат, 1983.

46. Трофимов А.И. Пьезоэлектрические измерительные преобразователи, Томск, Издательство Томского ун-та, 1983.

47. Трофимов А.И. Пьезоэлектрические преобразователи статических нагрузок.1. М. Машиностроение, 1979.

48. Трофимов А.И., Ермолаев П.Н., Виноградов С.А и др. Приборы для контроля искривлений технологических каналов реакторов типа РБМК. Сборник трудов кафедры АКИД "Вопросы контроля и диагностики АЭС", Обнинск, ИАЭ, 1990.

49. Трофимов А.И., Малый Е.Н., Бороздин С.Г. Тензорезисторные датчики с повышенной чувствительностью, Известия Вузов "Приборостроение", II, 1989.

50. Трофимов А.И., Черторижский Е.А. Элементы систем автоматического контроля и управления ЯЭУ., Обнинск, ИАЭ, 1989.

51. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под редакцией И.П. Голявина

52. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля. Под. ред. Ермолаева И.Н. М., Машиностроение, 1986

53. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения,давления, расхода, количества и уровня жидкости и пара, М., Изд-во стандартов, 1989

54. Чесаков Л.И., Смирновский А.Г. Акустический датчик уровня. "Труды института НИИТеплоприбор"

55. Энергетика сегодня и завтра. Под ред. А.Ф.Дьякова, М., Энергоатомиздат, 1990.

56. Яловега Н.В. Специфика измерений теплофизических параметров высокотемпературных энергоустановок. М., Атомиздат, 1970

57. Melnicov V.I., Nigmatulin B.I. The newest two-phase control devices in LWR equipment based on ultrasonic and WAT-technology,, "Nuclear Engineering and Design", 1994, №149

58. Выявленные авторские свидетельства и патенты

59. А.с. 792130 СССР. МКИ3 G01N29/00. Устройство для измерения локального объемного паросодержания. Мельников В.И., Кутъин Л.Н., Лобанов А.И., Максимов В.И. Открытия. Изобретения. 1980, № 48.

60. А.с. 901895 СССР. МКИ3 G01N29/02. Устройство для диагностики двухфазного потока. Мельников В.И., Махин В.А., Дзятко Н.В., Открытия. Изобретения. 1982, № 4.

61. А.с. № 1116382 СССР. МКИ3 G01N29/02. Устройство для измерения среднего объемного паросодержания среды. Мельников В.И., Хохлов ВД, Маслов В.А. Открытия. Изобретения. 1984, № 36.

62. Патент № 2198640, МКИ G01N29/02, Франция, 1973. Ультразвуковой детектор пустот в газожидкостной смеси.

63. Патент № 3744301, МКИ G01N29/00, США, 1971. Ультразвуковой детектор пустот в газожидкостной смеси.

64. Патент № 139083, МКИ G01F23/28, Япония, 1985. Ультразвуковой уровнемер.

65. Патент № 4630245, МКИ G01F23/28, США, 1986. Ультразвуковой индикатор уровня.

66. Патент № 135963, МКИ G01F23/10, Польша, 1987. Поплавковый уровнемер жидкости. •

67. Патент № 139302, МКИ G01F23/38, Япония, 1986. Бесконтактный уровнемер

68. А.с. № 234303, ЧССР, МКИ G01F1/52, Способ й устройство измерения уровня жидкости, Vecerek Jahromir.

69. А.с. № 2179738, Великобритания, МКИ G01F23/28,- Устройство для измерения уровня жидкости, Trett John, Peter Frederick.

70. А.с. № 233314, СССР, Ультразвуковой датчик контроля уровня жидкости, Бабиков О.И. и др.

71. А.с. № 233313, СССР, Многослойный пьезоэлектрический пакетный преобразователь, Бабиков О.И. и др.

72. А.с. № 246170, СССР, Двухщуповый малогабаритный датчик, Бабиков О.И. и др.

73. Сустова И.А, Сутон А.М, Ююн С.В. "Нелинейная акустическая томография пузырьковых облаков". РЖ №2 199677 "Новый ультразвуковой уровнемер, использующий стоячие волны изгибных мод". РЖ №2, 1997 *

74. М.М. Барщ, И.Д. Шелапутин, "Ультразвуковой сигнализатор уровня жидкости". РЖ №5 1970

75. М.М. Барщ и др., "Ультразвуковой уровнемер". РЖ №6 1971