流动状态的监测器 本发明的背景
本发明的范围
本发明通常是关于流动状态地监测系统和方法。特别是，本发明关于在核动力装置中循环的冷却剂和其它介质的流动状态的监测系统和方法。相关技术的描述
在压水堆(PWR)核电站中，基本上为含硼水的冷却介质连续地流过一个位于核反应堆和一个或多个蒸发器之间的封闭回路。
在发电时，带压的冷却剂吸收反应堆中产生的热核反应所释放出来的热量。加热的冷却剂然后流过被恰当地称之为循环回路“热段”的主管道。热段将热的冷却剂送到蒸发器。
在蒸发器中，冷却剂流过热交换器。热交换器冷却冷却剂并用从冷却剂中交换过来的热量来产生蒸汽。蒸汽最终用来驱动透平发电。
在循环的冷却剂被热交换器冷却后，循环泵将冷却剂从蒸发器中经“吸入段”并通过“冷段”和进口端使其回到反应堆中。冷却剂然后在反应堆中被再次加热并重复该循环。
冷却剂循环流过一个或多个回路对电站的运行是重要的。它不仅将热能传给蒸发器，在蒸发器中该能量被用于产生驱动透平的蒸汽，而且循环的冷却剂还防止反应堆中的堆芯过热。
包括蒸发器在内的核电站的系统需要定期的维修。特别是，必须检查流体循环系统以防止潜在的弱化，必须安装人孔隔板并将其从蒸发器中移开以便在干燥的环境中检查和维修。
为了安装和移动喷嘴隔板，冷却剂必须从蒸发器中排放掉。这就要求降低主回路以及热段或主管道中的液位。在被称之为停堆维修的操作期间，冷却剂不断地被来自反应堆堆芯的衰变热加热，并由另一个热交换器以及称之为“停堆冷却系统”的辅助循环系统来冷却。
为了降低停堆后的反应堆系统中的冷却剂水位以便反应堆换料及能够对降下来的水位之上的部分系统进行维修操作，该水位必须受到控制并维持一个最低的液位和流量以不断地提供充分的堆芯冷却。该最低液位大约在反应堆冷却剂系统主回路管道(热段)的中间并且一般被称之为“中平面回路”。
在中平面回路操作期间，冷却剂流过系统冷却堆芯。通常有一根或者多根排放管线与一个或者多个主回路管道或管段的下部区域相连，将加热的水从堆芯引出来被停堆冷却系统中另外的热交换器冷却，然后将被冷却的水循环到反应堆进口再次进入堆芯。
在中平面操作期间，如果水位降低得太低或者如果排放的流量过大，在排放管线中可能会形成Coriolis效应的漩涡。这样的漩涡是不希望有的，因为它限制了冷却剂流从系统中的排放流量并最终会导致排放泵的气蚀。两种效果都会引发对堆芯连续冷却的担心。
目前，避免漩涡形成的方法是靠保持水位尽可能的高和/或减少流量，这就出现了需要降低水位以便维修操作和需要保持高水位和足够高的流量以便堆芯安全冷却之间的矛盾。使用中平面回路监测系统是对水位监测和所形成的漩涡状态的进行推断。
在核反应堆中，人们已经对停堆冷却系统的可靠性给予了很多关注，特别是在反应堆冷却剂系统中平面回路水位的运行期间。在典型的压水堆(PWR)核蒸汽供应系统中平面回路的运行时，例如安装和移开蒸发器入孔隔板，可能是一个非常困难的操作过程，事实上该水位容许的误差为正负1英寸(+/-1”)。Robert P.Harvey在美国专利No.5,861,560中公开了一种漩涡监测系统来检测空气漩涡和气蚀现象，因此改善了停堆冷却系统的可靠性。然而Harvey的漩涡监测系统在能力和用途方面受到限制，因为它只是依靠传统的超声波流量计中断信号来触发表示漩涡状态的报警信号。Harvey的漩涡监测系统不能或者不适用于监测流过核反应堆的其他各种介质流动状态，例如液位、事故工况下产生的所夹带的固体颗粒、介质中所夹带的能凝结的或者不能凝结的气泡等等。Harvey的漩涡监测系统只用一个传感器并且只寻找在排放管线中漩涡的状态。本发明概述
本发明提供了一种核反应堆中的流动状态的监测系统和方法，它依靠声波来监测各种流动状态，包括介质中所夹带的能凝结的或者不能凝结的气泡的存在、自由表面的存在和液位、回转流动或者漩涡形态的存在、夹带的固体颗粒的存在以及其它各种流动状态。该系统使用已知的流动状态的声波特性数据库，和将检测到的正在受到监测的声音信号和已知的各种流动状态的特性进行比较的处理器。该处理器使用各种辨别手段，例如改变和衰减所发射的信号，来帮助翻译、比较和标识流动状态。
该声波监测方法至少设置一个传感器、最好多个传感器接收来自受到监测的介质流的声音信号。该传感器或者多个传感器是一种被动的声音传感器，例如连接到管道上的声敏膜或者加速度仪。另外，传感器也可以是包括有超声波发送和接收装置的超声波装置以捕捉与冷却剂流动有关的变化。在再一个实施例中，传感器也可以是包括有在管道结构的直径方向上相对放置激光源和激光接收装置的激光装置，其中与冷却剂流动有关的变化会引起激光信号的中断。
在一个实施例中，第一个传感器放置在离第二个传感器足够距离的上游，这样由第一个传感器所检测到的信号和噪音的减弱能够被第二个传感器检测到。该信号被处理并且与已知的各种流动状态的声音特性进行比较以决定所监测的流动状态。传感器的发送和接收装置可放在冷却剂流过的管道相对的两侧，或者同一侧，这取决于所监测的介质流的特殊的环境和位置。在管道相对的两侧布置发送和接收装置能够计及在空气/水分界处水和空气的不同压缩能力，而将发送和接收装置布置在管道的同一侧将能够捕捉到分界反射波的变化。下面将要描述各种传感器的布置并在附图中表示。
就本发明的广义性而言，提供了一种流动状态的监测系统来监测核电站介质的流动状态。该系统包括：设置在要监测的介质流附近的第一个传感器组件，该传感器组件产生一个输出信号；储存正在监测的各种介质流动状态已知特性的数据库；以及与第一个传感器组件和数据库相连的处理器，它接收来自传感器组件出来的信号并和已知数据库中所储存的特性相比较以确定介质流的状态。对附图的简要描述
参考附图来揭示本发明，本发明可以被更加清楚地理解。在这些图中：
图1为设有两个蒸发器、一个停堆冷却系统和排放口的核动力装置的示意图，停堆冷却系统和排放口被表示成与其中一个蒸发器相连。
图2为图1中热段和排放管的局部放大示意图，设有所附的本发明一个实施例的流动状态的监测系统。
图3为图1中热段和排放管的局部放大示意图，设有所附的本发明另一个实施例的流动状态的监测系统。
图4为图1中热段和排放管的局部放大示意图，设有所附的本发明再一个实施例的流动状态的监测系统。
图5为图1中热段和排放管的局部放大示意图，设有所附的本发明再一个实施例的流动状态的监测系统。
图6为图1中热段和排放管的局部放大示意图，设有所附的本发明再一个实施例的流动状态的监测系统。
图7为图1中热段和排放管的局部放大示意图，设有所附的本发明再一个实施例的流动状态的监测系统。本发明的详细描述
图1表示了包含本发明的核动力装置。序号10一般是指压水堆堆型的装置，其中水连续地流过分别位于反应堆12和两个蒸发器14和16中的一个之间的密闭回路。
来自反应堆12的水冷却剂通过有相同的管道的主管道或者热段18流到各个蒸发器14和16中去。
以蒸发器16为例来说明，冷却剂系统循环泵20循环已在蒸发器中冷却过的水，通过吸入段管道22，并通过冷段24和入口端26回到反应堆12中去。停堆冷却系统排放管道连接在几乎水平的主管道或者热段18的下部。在主管道18的下部有一个漩涡30。
从主管道18进入到排放管道28的流体形成一个漩涡30，漩涡在与主管道18直接通流的排放泵33中形成气蚀，在主管道上排放管连接在主管道18下部。漩涡30由于形成空泡和气泡32减小了排放管28和排放泵33中的流量。排放泵33通过管道28’向位于排放泵33下游的辅助热交换器34排放以实现停堆冷却系统的水冷却功能。
排放管段28’上的排放阀门36将水从热交换器34中引导到排放口38或者管段40中，管段40与主管道的冷段24相连，在停堆期间或者在紧急情况下因为安全原因需要辅助热交换器的容量时，使水流入反应堆12的进口端26来冷却堆芯。
图2中，在主管道18和排放管道28之间的连接处表示了一个放大的漩涡30。中平面回路运行时，主管道中冷却剂的典型液位用序号38表示。漩涡30中夹带的空气在主管道18和泵33中形成空泡和气泡32。图2中的介质流已知也夹带着固体颗粒42和夹带着气泡44，两者能提供关于核动力装置10运行状态的重要信息。固体颗粒可能包括例如砂子、金属颗粒、灰尘颗粒、晶状颗粒等等。当声音在它们之间相互反射或者从主管道壁上反射回来时，它们各自具有不同的声音特性。夹带的气泡44可能包括不能凝结的气泡例如空气、氦气、氢气以及能凝结的气泡例如水蒸汽泡，他们各自都具有不同的频率范围和声音性能。
本发明的对流动状态的监测方法利用声音或者光学/激光探测设备来寻找和监测各种流动状态。该流动状态包括冷却剂中所夹带的能凝结的或者不能凝结的气泡44的存在、自由表面31的存在和液位、漩涡或者漩涡形态30的存在、夹带的固体颗粒42的存在以及影响核反应堆的其他各种状态。
本发明一个实施例的流动状态监测装置46如图2所示。该流动状态监测装置46包括一个储存有各种被监测的流动状态的预先确定的声音特性集的数据库。该集合的开发是通过模拟在核动力装置10中可能出现的各种流动状态并合成这些流动状态，以及记录从该流动状态中发出的声音的图形来实现的。主处理器50将来自声音探测设备的信号与数据库48中所储存的已知可能出现的流动状态的声音特性相比较和匹配。当检测到的声音信号和预先确定的特性匹配时，探测到的流动状态通过使用显示屏52、声音信号和其它适当的通讯手段被告知给核电站的运行人员。
图2中所示的监测装置46中的声音测量是通过第一和第二传感器组件53、54来获得的，他们在靠近冷却剂流的位置分别设有各自的发射装置T1、T2和接收装置R1、R2。第一传感器组件53包括设在排放管道28上游主管道18附近某一个位置处的超声波发射装置T1和接收装置R1。第二传感器组件54包括设在排放管道28上端开孔28’下游排放管道28附近某一个位置处的超声波发射装置T1和接收装置R1。由接收装置R1、R2探测到的声波信号被适当的信号过滤装置55、56过滤以去掉不想要的噪音，然后将它们输入到主处理器50中去。
虽然核动力装置10中许多或者全部被监测的流动状态有可能同时存在，这种可能性很小。更可能的是那种事先可以预计和模拟的组合流动状况，可以将这种组合流动状况对应的声音图形储存在数据库48中。由于各种流动状态的声音信号有时在音幅和音频上相似，处理器50可以使用其它的检波设备，例如改变和衰减所传递的信号，来帮助翻译信号。
由于声音与密度和压力波动有关，稳态的低雷诺数的流动例如层流不会产生声音。紊态的或者其他的周期或振动激励，例如在某个层流场中障碍物的下游出现的漩涡分离现象，在一些情况下也许肯定会出现能够被检测到的声音图形或者信号。
从不可凝结的气泡中发出声音需要激励。这种激励可以是流场中的障碍物或者冷却剂回转流动或剧烈流动产生的气泡和压力扰动而产生。就雷诺气泡的理想情况而言，被看成是声音在介质中的传播而产生的振动频率可以被表示成与气泡未受到扰动前的大小、冷却剂的密度和远处的压力、不可凝结气体的比热以及重力加速度之间有一个简单的关系。对于能凝结的气泡而言，频率不能被这样简单地表示，而水蒸汽汽泡，如果存在的话，声音信号在冷却剂中传播将出现振动响应。敏感的声音放大器有能力测量到这种能凝结的或者不能凝结的气泡的振动频率和压力幅度。
一个封闭流动的自由表面不会产生噪音，除非该表面受到紊流、回转流动、波或者气泡的扰动。这种反应堆冷却剂系统热段管道18内的封闭自由表面流动的声音特性可以通过模型或者以一比一的试验来根据经验确定。一个敏感的声音放大器足够用于此目的。在停堆冷却期间，在热段管道18中希望存在自由表面流动，同时需要知道自由表面31的位置以防止在漩涡30出口产生的气核进入到停堆冷却系统中去。虽然经验确定的冷却剂紊态流动的声音特性足以判断该水位，但是自由表面31的反射和发射的声音信号的变化提供了更加准确的液位测量信息。因此，图2实施例中的传感器组件53、54都使用了声音脉冲或者超声波发射装置T1、T2和声音放大器接收装置R1、R2作为表征介质流动状态的必须的信息源。
重要物理现象的频率主要在于声音的范围。发射装置T1、T2发射的频率根据物理现象最好选择在最容易修正的频段。在图2中所示的实施例中，每一个传感器组件53、54都设有一个发射和接收装置。期望每个传感器组件53、54包括一对发射和接收装置，利用水和空气在空气/水界面处的压缩性能的不同来更好地判断水位。另外，发射装置和接收装置以图2所示的方式来定位可以充分利用在自由表面处穿过界面的传播变化。
在停堆冷却期间，冷却剂流从热段18中抽出来。由于热段管道不是完全充满水，所以会形成如图2所示的空气/水界面31。在高水位时，在排放管道28的上端28’处会出现回转流动而不出现漩涡。这些回转流动周期性地从孔边上分离出来，这是一种与在低水位时形成的小幅剧烈回转流动相比有着不同频率的可以听到的现象。另一种可能的流动是在排放管28中形成填充的中心漩涡。这将会导致流动加速，增加流体的剪切作用，进而回转流动和紊流的增加。这种流动状态具有不同的和特殊的声音特征。水位降低时，在漩涡的内部将会出现气芯。该气芯将会扩展深入到排放管28中并破碎，结果使得空气夹带到流向排放泵33的流体中。通过监测气泡的振动、紊流运动的增加和/或测量上述芯部空气/水界面，可以监测到后一种流动状态。
在特殊情况下，固体颗粒42会进入到介质流中去。流动中的固体颗粒42，也具有不同的声音特征，因为回旋流动中会出现颗粒、颗粒和颗粒之间的碰撞、颗粒和金属之间的碰撞。
在图3中表示了所发明的流动状态监测装置60的另一个实施例。除了两个传感器组件61、62都放在排放管道28’的上游外，图3中所示的布置和图2中的相类似。传感器组件61、62的这种布置虽然将会探测到与图2中所示的布置相比多少有些不同的声音图形，但是将以几乎相同的方式运行。图3中所示的布置也可以用来监测离排放管开孔28’很远的直管段的流动状态。
在图4中表示了所发明的流动状态监测装置65的再一个实施例。除了一个发射装置T1提供声音扰动并由两个接收装置R1、R2探测之外，图4中所示的布置和图3中的相类似。上游的接收装置R1提供有关原始扰动的振幅和频率信息，而下游的接收装置R2确定扰动是如何随着距离而减弱的，因而使系统能更好地确定声音扰动是从何处而来的。
在图5中表示了所发明的流动状态监测装置70的再一个实施例。除了第二个传感器组件72的发射装置T2放在离第一个传感器组件71发射装置T1有一段距离的管道18的另一侧外，图5中所示的布置和图3中的相类似。这种布置虽然将会探测到与图3中所示的布置相比多少有些不同的声音图形，但是将以几乎相同的方式运行。图5中所示的布置也可以用来监测离排放管开孔28’很远的直管段的流动状态。
在图6中表示了所发明的流动状态监测装置80的再一个实施例。除了每个传感器组件81、82的发射装置T1、T2与每个传感器组件81、82的接收装置R1、R2放置在管道18的同一侧之外，图6中所示的布置和图3中的相类似。通过捕捉与自由表面31处的空气/水界面反射有关的变化，在某些条件下这种布置将提供更好的信息。
上述本发明的实施例中所用的声音传感器技术是商品级的产品。所谓的松散端监测装置是指通常安装在反应堆和蒸发器上的、有着足够的敏感度来听录反应堆冷却剂泵所发出的声音。此外，超声波跨越式流动监测装置使用紊态回转流动引起的超声波信号变化的延迟，采用分开一段距离安装的几对发送装置/接收装置来测量冷却剂的流量。
在图7中表示了本发明的流动状态监测装置85的再一个实施例。除了传感器组件86、87是激光/光学传感器组件之外，图7中所示的布置和图2中的相类似。每一个传感器组件包括激光束源L1、L2和激光束探测装置D1、D2。激光束源L1、L2和激光束探测装置D1、D2设备透过主管道18和排放管道28并使各自的激光束88、89通过管道18、28中的介质流。激光束信号的光学中断图形以与上述其它类型传感器组件的声学图形相同的方式被信号过滤器90、91过滤和处理。光学中断图形被处理器92处理，将已经检测到的图形与储存在数据库中的已知流动状态的预先确定的图形相比较和匹配。然后，将被确定的流动状态通过显示器94和其它适当的通讯设备告知核电站的操纵员。
除了监测压水堆核电站中的冷却剂排放管道中的流动状态，本发明的流动状态监测装置还可以有其它应用。例如，在事故工况下，传感器组件还可以放置在反应堆的出口主管道附近以提供关于冷却剂流动状态有用的信息。如果用于化容控制系统、压水堆的二次侧蒸汽设备和沸水堆中各种介质流系统中，该流动状态监测系统也能提供有用的信息。
应该理解的是，本发明不应该被限制在附图中所说明的和上面所描述的具体结构上，只要不偏离本发明的范围和精神可以对本发明进行各种修改和变更。想要说的是，本发明的范围只受所附权利要求的限制。