反應堆堆芯溫度測量探測器熱響應測試設備設計

鄧 鵬，張占軍，王 楠，李志軍，郭 猛，靳永毅

（中核控制系統工程有限公司，北京 100176）

0 引言

核電站主要是通過反應堆壓力容器內核燃料燃燒產生的熱量，加熱一回路邊界的冷卻劑，通過冷卻劑將熱量帶至蒸汽發生器，通過蒸汽發生器產生高溫高壓蒸汽，從而利用蒸汽推動發電機發電。但是，冷卻劑溫度不宜過高，否則容易導致壓力邊界損壞，造成嚴重生產事故。反應堆壓力容器內臨界溫度的測量，主要通過冷卻劑出口位置熱電偶溫度傳感器進行測量。熱電偶溫度計承擔著反應堆壓力邊界正常工況和異常工況的安全功能，屬于核級重要安全電氣設備。

熱響應性能指標是核級熱電偶溫度探測器的重要參數，熱電偶的響應速度決定了核電站事故發生時的應急反應能力[1]。鑒于，核電站事故對社會造成的重大社會及經濟影響，有必要設計專門的設備對溫度測量器件進行檢測。為保證本公司設計及制造的中子和溫度探測器及液位探測器滿足使用要求，根據相關標準要求，設計了該型設備。

工業4.0自提出以后，掀起一場新的工業革命風暴。工業4.0的基礎是物聯網，5G技術的發展為工業4.0提供堅實的后盾。中國也提出了《中國制造2025》，工業領域的智能化發展對測試及制造設備設計提出了更高的要求。為順應時代發展的潮流，本測試設備加入了智能化部分，實現自動化測試及數據處理。

1 設計依據

NB/T20069-2012《核電廠安全重要儀表通道性能監督試驗》對溫度傳感器的測試規定了浸入式試驗方法，并且對實驗的條件做了大概的要求。該標準附錄D中關于溫度傳感器的熱響應測試的關鍵影響因素，如介質、流速、溫度和壓力等所產生的影響也作了說明。

NB/T 20375-2016《核級重要熱電偶溫度計》標準中規定熱電偶熱響應測試有兩種典型方案：一是將熱電偶從75℃±2.5℃高溫烘箱中快速取出，插入20℃、流速1m/s的水中；二是熱電偶從室溫條件下，快速插入75℃±2.5℃、流速1m/s的水中，觀察達到溫階63.2%時的時間，應≤20s。

在設計核反應堆溫度測量探測器熱響應測試設備時，綜合考慮了上述兩個標準的要求，采用了NB/T 20375-2016中所述的熱響應測試方案二。該種方案能夠更好地模擬堆芯的實際工況，而且便于實際操作與運用。

2 設備設計

2.1 功能設計

智能制造的戰略提出以后，促進了人工智能在工業領域的發展，無人車間、無人工廠的應用越來越廣泛。因此，為順應技術發展潮流，在該產品設計時優先考慮采用智能控制為基礎，實現云端控制為目標，進行了方案設計。

功能設計為后續的結構及電氣部分設計提供了指導，通過不同功能模塊的分析，能夠更好地選擇結構設計方案，以及電氣及控制模塊的設計與選型。

為了實現智能化控制及測試，產品功能應包含以下幾個部分：

1）啟動加熱循環功能，當啟動電加熱管升溫時，啟動循環功能。

2）溫控循環功能，當兩測量點溫差＞2℃時，啟動循環功能。

3）自動加熱功能，當水溫低于設定溫度時，啟動電加熱管。

4）光電觸發計時功能，當受試部件放入或移開測試設備時，光電傳感器自動生成觸發信號，開始或結束計時。

5） 自動抓取功能，能夠試驗自動抓取、自動放置、自動移開受試部件。

6）流量監測功能，實時監測循環系統流量是否滿足設計要求。

7）數據處理功能，能夠根據環境溫度、水槽水溫自動計算溫階數據、響應時間數據，能夠實時記錄流量數據，數據自動保存及上傳。

8）物聯網功能，通過物聯網可實時上傳數據，輸入控制指令等允許通過云端對該設備進行實施監控。

2.2 結構設計

熱響應測試設備主題結構部分主要包含水槽、循環泵、溫度傳感器、加熱元件、控制器、抓取機構、臺架、流量計等部分，控制器采用全自動控制器，溫度傳感器采用K型熱電偶溫度傳感器。

為了達到較好的使用效果，水槽框架采用300系不銹鋼板材加工，水槽流道尺寸設計為10cm×10cm，有效水流截面10cm×8cm，水槽長度設計為2m。水槽保溫層采用耐高溫的玻璃絲綿，保溫層設計厚度為20mm。

為達到最優的開發進度，傳感器、流量計、電磁閥、光電傳感器等部件，優先選用較為成熟的產品，其中電磁閥要求不僅能接收來自控制器的控制信號，而且能夠反饋開合角度信號，以便對流量的大小進行控制。

2.3 智能控制系統

在設計控制方案時，結合了水槽流體的特性，在軸向方向上中點兩側各500mm處安放了兩個水溫探頭，以確定兩者溫差＞2℃時啟動溫差循環。溫差循環主要在升溫過程中開啟或在等待時開啟，檢測過程中循環泵始終開啟。測試位置在水槽軸向中心點附近，為精確測量及計算溫階，在該位置設置一個計量用的溫度探頭，實時測試采集測試部位的溫度數據。循環管路上設計了電磁閥，電磁閥應具有反饋信號功能，與流量計配合控制循環流量的大小。

溫度探頭采用的是K型熱電偶，熱電偶輸出的毫伏級電動勢信號，經過變送器轉換成4mA～20mA DC信號傳送至主控制器。

光電傳感器是利用紅外線發射及接受原理，將反射回來的紅外線通過感光元件將光信號轉換成電路信號，經放大器放大后傳送至主控制器。

氣動機構的控制主要是通過控制氣動閥來實現的，通過氣動閥的開關來控制氣缸的前進及回退，從而實現機構的運動。

在水溫較低的情況下，控制器啟動電加熱以及循環泵，將水加熱到設定溫度后，控制器主動切斷電加熱電源。

主控器與云端、移動端、PC端可以實現數據的交互，以便遠程控制和瀏覽實驗數據及實驗過程。主控器與云端數據交互主要通過互聯網協議來傳輸數據，與移動端和PC端可以通過WIFI、藍牙等短距無線通信協議傳輸數據，也可以通過互聯網協議進行數據交互。

主控器集合了控制器、顯示器、存儲器、處理器等器件，能夠實現一鍵啟動、自動運行、自動處理數據、自動生成報告與存儲、自動結束試驗等功能，便于離線運行。

3 理論計算

3.1 流量計算

探測器組件外徑尺寸為7.0mm，為節約成本又保證產品的適用性，設計水槽有效截面尺寸為10cm×8cm。根據如下公式可計算得出，體積流量為0.008m3/s，小時流量為28.8m3/h。

3.2 保溫層厚度計算

水槽內外表面均采用1.5mm厚300系不銹鋼板材，兩板中間采用玻璃棉絕熱。為便于使用，水槽的外表面溫度應＜40℃，防止操作人員意外燙傷。因水槽板材比較薄，認為板材內外兩側溫度一致，所以溫降主要通過保溫層來實現。水槽內側溫度t0=75℃，水槽外側環境溫度t1=20℃。保溫層內部主要通過熱傳導將熱量排出，玻璃棉導熱系數為：0.043W/（㎡·K），保溫層外部主要通過對流換熱的方式將熱量散失到大氣中[2]。

對流換熱主要遵從的牛頓冷卻方程：

熱傳導主要遵從傅里葉定律：

計算得，保溫層厚度應＞5mm；將保溫層設計為20mm，能滿足使用及加工要求。

4 有限元分析

為驗證產品設計的有效性，對設備的關鍵部分水槽的保溫和流體狀態進行了必要的有限元分析。

4.1 保溫效果分析

在水槽的軸向方向上，因水溫呈下降分布態勢，在充分發展端水流較為平穩，可認為是均勻傳熱條件，因此認為水槽內強制對流符合均勻壁溫傳熱條件，水在75℃條件下導熱系數λ水為66.8×10-2W/（㎡·k）～67.4×10-2W/（㎡·k）。則在高度方向上，水與不銹鋼水槽的對流換熱系數為20W/（㎡·k）。

保溫層的有限元分析軟件選用ANSYSY 14.0，為便于計算，采用Steady-state Thermal穩態傳熱分析[3]模塊分析保溫層隔熱效果。分析條件設置為環境溫度20℃，環境條件為大氣條件，水溫75℃，水與不銹鋼對流換熱系數h水=20W/（㎡·k）；計算得出，空氣與不銹鋼的對流換熱系數為h空=14.88 W/（㎡·k）；保溫層采用玻璃棉，導熱系數為λ保=0.043W/（㎡·k）。

圖1 水槽截面溫度分析圖Fig.1 Sink cross-sectional temperature analysis figure

因為保溫層兩側的不銹鋼板厚度1.5mm，溫降較小，因此保溫層分析時忽略不銹鋼板的熱阻，僅對保溫層厚度進行分析。在進行有限元分析時，保溫層外部插入了膨脹層，膜層厚度設置為1.5mm。因為不銹鋼表面的傳熱方式為膜態傳熱，設置膨脹層的主要作用是模擬水或空氣與不銹鋼板對流換熱產生的黏滯阻力，分析結果如圖1所示。保溫層內部溫度約為70.3℃，整個截面方向上傳熱規律一致，棱角處傳熱效率和溫度都較低。外表面溫度最高處約為27℃，溫升僅為7℃遠小于設計溫度40℃。因此，保溫層為20mm厚時完全滿足設計要求。

4.2 流體力學分析

流體力學分析的主要目的是掌握水在水槽長度方向上的流動狀態，為確定測試區域提供可靠依據。

為保證探測器組件在熱響應分析時，被測部位處于充分發展段，采用ansys Fluid Flow（FLUNT）功能模塊[4]進行分析，選用了κ-ε標準方程。邊界條件設置如下：理論流量8L/s，分析模式采用基于壓力模式，入口直徑20mm，入口壓強為0.1MPa；出口直徑25mm，出口壓強設置為0Pa。網格劃分采用四面體網格方法，劃分質量要求高質量；流體與水槽接觸邊界插入0.5mm膨脹層，數據迭代500次，以保證數據收斂。

分析結構如圖2所示，水流在剛開始階段，出口處流速從0m/s迅速增大，然后隨著水流逐漸趨于平緩，而流速逐漸趨于平穩。出口流速，在200次迭代以后，流速趨于穩定，表示分析結果是收斂的，數據有效。

如圖3所示，在水槽軸向方向上分3段（0m～0.5m、0.5m～1.5m、1.5m～2m），在三段上觀察水流流速分布情況。在水槽的入口處，由于水流剛進入，流速較快產生了明顯的湍流，在受到前方水流的阻力后充分混合，到達0.5m處時，水流流速基本平穩。如圖4所示，0.5m～1.5m段，水流較為平穩，流速充分發展。水槽末端1.5m～2m段，出口處因為通道變窄速度有所增加，其余相對緩和。

因此，水槽有效流道結構尺寸設計能夠滿足要求。

5 驗證情況介紹

為了更好地制造出性能優良的測試設備，針對該設備的關鍵功能制作了驗證樣機，用以驗證設備是否滿足使用要求。

驗證了無保溫和無循環熱響應測試設備與有保溫和有循環功能的熱響應測試水槽的使用效果。選2支同樣結構的K型熱電偶，間隔1min測試4組數據見表1。

從表1可知，有保溫和有循環功能的測試設備的測試結果穩定性更好，結果置信水平更高。

6 結論

NB/T20069-2012《核電廠安全重要儀表通道性能監督試驗》附錄D部分的表述，堆芯溫度測量探測器熱響應采用浸入式方法測量是較為合適的。因此，在選用測試方法時參照了NB/T 20375-2016熱響應測試方法二的要求。

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通過理論計算及有限元分析，所設計的水槽能夠滿足NB/T 20375-2016熱響應測試方法二的要求。