用于分析核蒸汽发生器资产管理方案的经济效果的方法.pdf

用于分析核蒸汽发生器资产管理方案的经济效果的方法
技术领域
本发明涉及分析核电厂系统的蒸汽发生器。更具体地说，本发明提供用于评估和补救核蒸汽发生器组件的方法。
背景技术
随着对用于能源生产的核电厂的信赖的提高，评估核电厂经济资产管理选项的需求也变得重要。为了帮助评估管理选项，个人公司以及整个核工业已经开发了范围广泛的数据库来描述蒸汽发生器维护的各个方面，以允许操作者为劣化机制预测与不同的资产维护方案相结合的这些劣化机制的各种组合的经济效果。然而，核工业的需求清楚地表明没有现有可用的方法，利用收集的现场数据允许对用于维护现有的核电站的蒸汽发生器的资产管理方案选项进行可信评估。
核工业已经以持续改进的预测工具运行多年，这些改进受益于较大的故障数据库数目以及较好的数学工具。这些工具已经成为核蒸汽发生器纠正措施备选方案的任何经济评估中的首要要素。
随着在蒸汽发生器运行的连续周期期间利用质量守恒方程确定的材料沉积的类型和过程的知识的增长，已经不断改进了对沉积和这种沉积的效果的预测。随着用于监视和确保蒸汽发生器准备就绪投入使用的各种研究技术的扩展，数据库的数量和可用于评估的数据复杂度都极大地提高，使得精确提供蒸汽发生器资产管理的任何尝试都成为昂贵且耗时的活动。集合关于蒸汽发生器状态的大量可用参数以及选择用于评估的最重要的或有用参数增加了有效产生蒸汽发生器资产管理选项的可信的经济分析的难度。
除了维护增长的所需的数据库，还要持续努力维护关于蒸汽发生器管道特征的描述性指示符的质量水平。
当前，存在常规方法用于评估蒸汽发生器的清洁状况。该常规方法将运行与检测数据放在一起，诸如热性能和水化学数据。根据“污染指数”来量化蒸汽发生器管道的清洁状况。“污染指数”允许监视特定蒸汽发生器的状况，将其与同一核电厂中的其他蒸汽发生器或者具有类似设计的其他核电厂中的蒸汽发生器进行比较。“污染因子”也可以作为用于选择将来的资产管理措施(如化学清洗)的标准。
这种常规方法的第一步是选择多个用于评估的变量。所使用的变量在表1中提供。然后，在核换料停运期间(例如，测量蒸汽发生器管板上的泥状沉淀物的高度)，或者在收集停运之前的周期期间为每个变量收集数据(例如，化学数据)。在常规方法的下一个步骤中，对五个变量中的每一个应用加权因子，所述五个变量是：热传递性能、水化学参数、管板上的泥状沉淀物、最后管板泥状沉积物吹洗(lasttubesheet sludge lancing)以及管垢测量。注意这些主要变量中的每一个都具有从其制定主要指示符的多个影响变量变量(variable ofinterest)。核蒸汽发生器的所有加权因子的总和是100％。但是，在每个主要分类中，指示符变量被各个加权。
表1：污染指示符的加权
 

i123...n指示符变量热传递性能污染因子传热极限(margin)增长率...水化学参数N₂H₄率Fe存量隐藏行为隐藏回报行为...管板上的泥状沉积物受影响的管道数量泥状沉积物的高度管垢的颜色...最后管板泥状沉积物吹洗去除的数量泥状沉积物的密度泥状沉积物的成分...管垢测量管垢厚度外观、颜色加权因子30％............30％...............15％............15％............10％.........100％总和
从加权的各个指示符变量的总和中获得蒸汽发生器的总体“污染指数”。根据上述定义的该“污染指数”在0到100之间，其中，0代表“清洁的”而100代表“受污染的”。
根据常规方法，为污染指数以及每个区域中要采取的措施定义三个区域[1]：
.“绿色”，指数0到50：不需要清洗措施。
.“橙色”，指数50到80：应当考虑化学程序的最优化(腐蚀性产品控制、氧气控制等)并从长远看应当计划清洗措施。
.“红色”，指数80到100：应当尽快地开始清洗措施。清洗措施在本文中被定义为利用高压水力喷射器的机械管板吹洗、束集水冲洗(bundle deluge flushing)或者整个管道束的化学清洗。
该常规方法为每一个“基于经验”的加权因子，选择从组合多个使用的数据库中获取的值作为合成的指示符。
为了建立“污染指数”中的置信度，研究人员需要获取经验数据来为在各种结果之间进行辨别提供基础。没有这种数据，指数就不是用于确定花费经济资源来补救所识别出的问题的有意义的基础。
为了精确地实现该评估处理，必须计算多个核电厂各个时间点的“污染指数”。对于每个核电厂，研究人员需要将运行经验(根据运行和维护成本、腐蚀的发生或功率损失等进行测量)与指数进行相关。假定存在相关性，那么指数将是有意义的。
这种类型的用于评估蒸汽发生器资产的方法以及被用于保护这些资产的方法存在着许多缺点。首先，常规方法不清楚关于使用什么作为基础来改变加权因子或者污染指数措施水平。例如，不知道什么类型的污染指数将触发清洗技术的使用以及这些清洗技术将如何重新规格化其他指数。
同样不清楚的是用于最后管板吹洗指示符的变量，诸如可测量变量(参见表1)，如何被集合到一起以获取该处理的值。当前方法没有考虑引入另一个测量的特征变量，诸如在泥状沉积物吹洗期间清洗的管板的比例，并且如果这样，将如何为总体最后管板吹洗指示符变量组合这些变量。
常规方法没有公开或者暗示以“等同变量”替换任何变量的能力。例如，可能需要在评估计算中使用最终给水氧气流，而不是联氨率(hydrazine ratio)。此外，常规方法没有讨论为任何评估目的利用沉积物净存量。
常规方法没有考虑压力极限降低或功率损失变量，严重影响评估分析。传统方法还过于死板。没有解决引入新的测量或消除没有可靠历史的变量的问题。不存在用于重新规格化维持所需的措施触发水平的有效性所要求的测量加权因子的规定。
因而，存在提供考虑压力极限降低或功率损失变量的方法的需要，以允许适当分析核蒸汽发生器的状况以及纠正措施的备选方案。
还存在提供将允许重新规格化测量加权因子以维持核蒸汽发生器所需的纠正措施触发水平的有效性的方法的需求。
还存在提供将允许引入用于评估的其他测量的特征变量，而不是只具有评估参数的静态集合的方法的需求。
发明内容
因而，本发明的目的在于提供考虑压力极限降低或功率损失变量，以允许适当分析核蒸汽发生器的状况以及纠正措施的备选方案的方法。
本发明的还一个目的在于提供不依靠任意加权因子来维持纠正措施触发水平的有效性的方法。
本发明的另一个目的在于提供将允许引入用于评估的其他测量的或导出的特征变量，而不只是具有评估参数的静态集合的方法。
本发明的目的如所解释和所描述的那样实现。本发明通过下列步骤确定核蒸汽发生器的纠正措施：模型化核蒸汽发生器的加热表面上的沉积物的热传递行为，选择蒸汽发生器的维护备选方案集合，使用模型参数来预测各种维护备选方案下的将来的发电水平，计算维护备选方案集合的净现值、内部回报率以及回收期中的一个或多个，并且根据净现值、内部回报率以及回收期中的一个或多个开始相比于具有较高的经济成本的维护备选方案的具有最低的经济成本的维护备选方案。包括基于B的污染因子的描述所述沉积物的热传递的模型参数可以通过分析核电厂热力学参数和辅侧沉积物存量质量(inventorymass)分析地导出。可以通过从核蒸汽发生器的加热表面去除一个或多个沉积物样本，确定沉积物的热阻性、沉积物的厚度、沉积物的孔隙率以及加热表面上沉积物层中蒸汽通道的曲率中的一个或多个，增加与导出参数相关联的置信度水平。
本发明提供确定核蒸汽发生器纠正措施的方法，所述方法包括：通过分析地导出特定沉积物特征和描述性模型参数，模型化蒸汽发生器管道和沉积物的热传递特征，其中，所述模型化使用接受评估的运行的核电厂的历史热力学数据；识别预防的和纠正的维护备选方案的其中之一的集合，来实现蒸汽发生器沉积物的目标；通过模型化预防的和纠正的维护备选方案的其中一个的集合中的每一个的发电影响进行确定，以为预防的和纠正的维护备选方案集合的每一个确定经济成本；以及开始相比于具有较高的经济成本的维护评估备选方案的具有最低的经济成本的维护备选方案。
所述方法可以被实现，使得经济成本基于净现值、内部回报率以及回收期中的其中一个。
此外，所述方法可以被实现，使得通过确定加热表面上的沉积物的厚度、孔隙率以及蒸汽通道的曲率中至少一个，确定特定沉积物特征。
历史的热力学数据可以是运行状态下的核蒸汽发生器中的蒸汽压力；主系统热端和冷端(hot and cold leg)温度、使用中的热传递管道表面面积和蒸汽发生器热功率。
此外，所述方法可以被执行，使得所述方法提供通过从蒸汽发生器去除沉积物获得特定沉积物的特征。
所述方法可以被执行，使得为预防的和纠正的维护备选方案集合的每一个确定经济成本的步骤包括：为识别的维护备选方案集合计算净现值、内部回报率以及回收期中的一个或多个。
附图说明
图1是根据本发明用于管理核电厂中的蒸汽发生器的方法。
图2是核蒸汽发生器的沉积物特征随时间变化图。
图3是核蒸汽发生器表面的简单沉积物模型。
图4是使用等同的电气元件的简单的沉积物热传递模型。
图5是由本文中描述的核电厂的热传递模型产生的全局热传递系数值的例子。
图6是利用各种水平的主动性(proactivity)的资产管理选项的说明。
具体实施方式
参考图1，提供用于确定核蒸汽发生器资产管理和纠正措施的方法10。方法10通过蒸汽发生器的识别参数对蒸汽发生器管道上的辅侧沉积物的变化的时间依赖性，评估相关的蒸汽发生器的识别参数。
根据所述方法，通过利用本文中所描述的沉积物热传递模型对核电厂热力学数据的分析评估并且可选地从蒸汽发生器管道表面实际去除沉积物和对沉积物进行测试，确定沉积材料的热阻性30。沉积物的去除20是通过刮擦和/或吹洗蒸汽发生器管道的加热表面来实现的。可以实现确定沉积物的热阻性、沉积物的孔隙率、沉积物的化学成分、沉积物的厚度和/或沉积物的曲率中的一个或多个。在说明的示例性实施例中，实现对从蒸汽发生器管道获得的薄片的化学分析来确定热阻性。
从运行日志和/或核电厂电子数据收集系统50，获得核系统的作为最小值的蒸汽压力、蒸汽发生器热功率、主侧热端和冷端温度以及涡轮阀完全打开时的蒸汽压力。除了操作日志以外，对于接受评估的选项考虑，确定蒸汽发生器中的联氨浓度率并与给水中的联氨浓度进行比较60；以及停电(down power)事件期间通过评估确定来自沉积物裂缝的化学杂质的隐藏回报(hideout return)70。
结合上文测量的参数，定义并计算基于B的污染因子80以描述所有热传递模型参数的时间上的变化，以评估蒸汽发生器状况和纠正措施备选方案。基于B的污染因子本身可以是时间依赖性的并且可以在运行周期中的不同时间期间内进行计算。由于上述参数在没有重大的化学或系统配置变化时具有特定行为，所以基于B的污染因子相对于仅仅评估当前管道状态的常规系统，提供分析能力上的重大改进。
在图2提供的示例性实施例中，呈现沉积物孔隙率、曲率、K参数(位于管道OD与蒸汽通道之间的全厚度传导传热热阻的有效部分)以及相同B值的含铜量(例如对给定核电厂当2400天进行计算)随时间的变化，以解释发生的改变。如在图2中所呈现的，顶部线1表示从沉积物蒸汽通道的蒸汽逃逸的路径曲率。线2呈现加热表面上呈现的材料的孔隙率。线3呈现加热表面上沉积的材料的铜部分。线4呈现K参数。如在图2中提供的，沉积材料的K参数和曲率随着时间增加。但是，孔隙率随时间下降，表示在整个评估期间增长的密度结构。曲率被定义为沉积物中通过蒸汽烟囱的路径长度量除以沉积物的总体厚度。
可以从适于下文中公式的数量降低的测量的沉积物厚度、孔隙率、含铜量、传热热阻和/或曲率值获得上述值；或者利用下文中的方程从模型分析地导出沉积物存量质量和运行核电厂的热力学数据；或者通过两种方法的组合。各个模型参数随B参数的函数变化如下：
ϵ = ϵ 0 e [ - t B ] ]]>孔隙率
τ = 1 + τ 0 [ 1 - e [ - t B ] ] ]]>作为整个沉积物厚度的一部分的蒸汽通道曲率
K = K 0 [ 1 - e [ - t B ] ] ]]>位于管道OD和蒸汽通道之间的阻抗D的有效部分
Cu = Cu 0 e [ - t B ] ]]>沉积物含铜量
δ = M i ( 1 - ϵ ) ( SD ) ( A T ) ]]>局部或者均匀分布的沉积物厚度
M_i＝沉积物存量质量
SD＝沉积物固体密度
A_T＝受沉积物影响的管道束的外直径表面面积
t＝从反应堆启动或重大运行或维护事件发生以来的天数
B＝描述参数变化的时间常量
ε_o＝通过描述可能的最大孔隙率的类似系统的评估选择的理论系数值。通常从0.05-1[无量纲]之间选择值。在模型中使用的值的范围可以进一步通过任何可用的物理沉积物测量来限制。
τ_o＝与可能的最大曲率相关的系数。通常从1-10[无量纲]之间选择值。在模型中使用的值的范围可以进一步通过任何可用的物理沉积物测量来限制。
K_o＝描述可能的最大K值的系数。值被限制在0.0到1.0的范围内。在模型中使用的值的范围可以进一步通过任何可用的物理沉积物测量来限制。
Cu_o＝描述可能的最大含铜量值的系数。值通常被限制在0.0到0.5的范围内。在模型中使用的值的范围可以进一步通过任何可用的物理沉积物测量来限制。
从经验的沉积物测量数据和对应的上述方程计算B参数。与其他沉积物参数一样，B参数也可以从与接受评估的运行核电厂的历史热力学数据和沉积物存量质量数据结合在一起的热传递模型中导出。
参考图3，简单的沉积物模型提供作为用于蒸汽发生器管道热传递的评估计算的基础。如图3所示，简单的沉积物模型采用特定热力学数据来评估各个时间点上的总体传热热阻，并修改上述各个沉积物参数以达到最好地描述受污染的蒸汽发生器管道的历史热传递行为的参数值的组合。可以根据讨论中的沉积物的物理测量而施加的任何参数限制都可以改进所导出的沉积物参数值中的置信度水平。
为了帮助该评估计算，定义以下参数：
T_主＝SG管道中的主冷却剂的温度
T_辅＝SG辅侧饱和剂的温度
P＝与主侧对流和管道传导相关联的组合的传热热阻。假定在运行期间主侧对流中有可以忽略的变化；因而，对给定核电厂P是常量。
C＝在未受污染状态下与辅侧对流相关联的传热热阻。对给定核电厂C被假定为常量。C也被用于描述受污染状况下的沉积物OD的对流阻抗。
D＝与沉积物基质(matrix)的全厚度中的传导相关联的传热热阻，其根据沉积物特征确定地计算。
E＝与沉积物蒸汽通道壁上的蒸发的热传递相关联的传热热阻，其根据沉积物特征确定地计算。
KD＝从沉积物基质的传导性产生的管道外直径和烟囱之间的传热热阻。KD被呈现为与整个厚度以及模型状况相关联的阻抗的一部分，其中，通过阻塞蒸汽烟囱底部，烟囱没有接触加热管道的外直径。
K>δ/δ................................................(4)
其中：
δ_i＝沉积物的“内层”厚度
δ＝沉积物的整体厚度
参考图4，呈现图3的模型的“电气等同物”。在模型中，T_主等于主侧温度，而T_辅等于辅侧(饱和剂)温度；并且沉积物外直径表面面积近似等于清洗管外直径表面面积。热传递模型的电气等同物用于确定在核电厂的运行历史期间的任何点上的总传热热阻R的值。
在清洁状态下，E＝∞且D＝0，因而，总传热热阻为
R₁＝P+C...............(2)
R₁对给定核电厂是已知数量。如果没有在设计文献中识别，那么能够从原始运行数据中计算出。
在受污染的状态下，E<∞且D>0，因而，总传热热阻为
R_f＝P′+[(E+KD)＊(D+C′)]/[(E+KD)+(D+C′]......(3)
C′＝C(A_CLEAN/A_FOULED)
P′＝P(A_CLEAN/A_FOULED)
A_CLEAN＝清洁状态下使用中的管道表面面积
A_FOULED＝受污染状态下使用中的管道表面面积
R_f是根据在所需的热力学数据(如最小值、SG热功率、热端和冷端主侧温度、蒸汽压力以及可用的SG管道热传递表面面积)可用的任何时间点上的核电厂热力学数据，通过计算获知的。利用行业接受的关系确定地计算D和E。
对方程2和3的进一步考察发现对于所需的热力学数据可用以及沉积物参数已经接近的任何时间点，剩余的未知变量只有P和C。方程2和3(方程2描述清洁状态，方程3描述一个特定时间点上的受污染状态)用于求解P和C。如果数据对于多个时间点可用，那么多个受污染的数据点是可用的；因而能够产生P和C的多个评估值。该P和C的评估值集必须符合某种限制：它们在时间上必须是常量，并且所有评估值之间的可变性必须被最小化。此外，由结果模型参数评估的总传热热阻必须相当好地符合从热力学数据计算的阻抗值。计算的过程迭代地集中于最适于施加的限制的沉积物参数，并产生可以随后用于评估将来的热传递行为的参数集合。
在本发明的示例性实施例中，B值的范围从1000到12000天。
在图5中，给出模型化生成的热传递系数值和从核电厂热力学数据中生成的热传递系数值的比较，作为给定核电厂的例子。
沉积物影响蒸汽发生器在多个水平上的运行，例如，热传递效率、热水力性能和稳度。这些沉积物还会干扰非破坏性检验(NDE)的检测性能并且还是加速的管道劣化的引发物。利用常规方法测量蒸汽发生器管道束中的沉积物以及分配性能影响重要性一直非常困难。
本发明提供用于模型化蒸汽发生器内的沉积物状况，并分配相对于整个蒸汽发生器运行的重要性。本发明足够的灵活以处理在可用测量的类型和一致性方面广泛变化的数据集合。
根据本发明的方法，给定核电厂的蒸汽发生器资产管理包括评估核电厂沉积物管理程序并识别最低总成本沉积物管理战略。
执行沉积物状况及其对蒸汽发生器运行效率的相对影响的评估，以优化维护措施的应用，例如化学清洗、上层束冲洗(Upper BundleFlush)(UBF)、增强的上层束冲洗(EUBF)、泥状沉积物吹洗(SL)或者其他纠正措施。
参考图1，方法识别与蒸汽发生器管道腐蚀敏感度相关的关键设计数据(如在确定沉积物的热阻性的步骤中所提供的，所述步骤需要确定管道材料、管道扩展类型，并且需要测量系统运行参数，如运行温度和运行时间以及与功率输出相关的系统运行参数，如设计压力/温度、主侧控制温度和管道表面面积)。
然后执行金融评估100，以确定一旦反应堆由于管道沉积物累积而处于卸功率(depowered)状态或在降低的功率水平上运行时的替代功率成本。金融评估还考虑这种活动的增加率和资金成本。
接下来，通过审查运行许可证，确定反应堆/设施的剩余许可证寿命110。还可以评估来自维护停机/修整的核电厂的改变，该维护停机/修整可以影响腐蚀性敏感度(例如，对于水化学)、总功率输出和热力学极限。
根据对CPT数据、去除历史、SSI和/或沉积物利润分析的审查，确定历史和当前的沉积物存量。
隐藏回报评估被执行或审查以确定存在的裂缝状况以及裂缝的程度。针对腐蚀性杂质，对泥状沉积物分析进行审查和评估。进一步审查历史管道检查以确定发生的劣化机制的类型以及执行的管道维修的程度。如前面所讨论的，然后获得该核电厂的热力学数据。
随后能够评估核蒸汽发生器的不同纠正措施方案130。作为一个例子，方案可以包括为每隔一次停用，IBL每隔4次停用以及全DMT每隔6次停用，执行增强的上层束冲洗/泥状沉积物吹洗。
利用本文中所述的沉积物热传递模型和结果净电功率投射，结合管道劣化、核电厂停用和不同纠正措施方案的其他相关成本和利益的评估值；可以为沉积物管理计划中的每个方案制定净现值和其他经济措施。沉积物层的模型化热阻性是这些评估的关键要素并且进行周期性的重新计算以考虑核电厂运行行为中的计划的维护活动或者未预期的改变。
选择基本方案作为基准，用于判断其他选项的效益140。该基本情况在回收期、IRR和/或净现值方面与制定的每个备选方案进行比较，以识别最具有吸引力的沉积物管理措施。
最后，执行最具有吸引力的经济备选方案150，并且根据所选定的备选方案对蒸汽发生器进行补救。
在示例性实施例中，计算不同的备选方案，其中，尝试不同的管理战略。在比较给定核电厂上的沉积物管理战略的可用的备选方案时，可以选择第一选项，其中，例如只执行管道维修而没有执行用以影响积极的沉积物管理的预防的或纠正的措施(图6中的反应性的情况)。还存在高主动性选项，其中，执行额外的维护以保护蒸汽发生器资产，导致晚进入资产寿命的管理程序的累积成本的分期偿还。
参考图6，最优推荐管理解决方案(线2)提供经济开支的最佳回报。如所提供的，线1是基线的情况。线3通过执行额外维护程序来提供过度维护蒸汽发生器资产的高主动性的情况。线4提供其中没有活动执行的情况。
如图6所提供的，执行用于维护蒸汽发生器的最优化战略提供蒸汽发生器资产的最优的经济恢复。