一种基于差压变化的棒位测量装置 【技术领域】
本发明属于反应堆的棒位测控技术领域，涉及一种反应堆的棒位测量装置，尤其涉及一种基于差压变化原理工作的棒位测量装置。
背景技术
控制棒及其驱动机构是保证反应堆安全运行的重要组成部分。正常工况下，通过调节控制棒棒位，可以实现反应堆的正常启动、停闭，以及维持反应堆在某一给定功率水平运行和进行功率调节；在事故工况下，通过快速将控制棒插入反应堆堆芯，实现紧急停堆。棒位测量装置是该组成部分中的最重要的装置之一，其可靠性和安全性直接关系到整个反应堆的正常运行与安全。
目前已有的反应堆控制棒棒位测量装置主要包括角度式、超声式、电涡流式和感应式等几种。
角度式的控制棒棒位测量系统是将控制棒在堆芯中的移动距离转换为角度信号，然后利用自整角机对此角度信号给以测量。这种测量方法存在的问题是：1、系统的响应速度较慢；2、系统加工精度要求高，互换性差；3、系统校验和标定困难。
超声式控制棒棒位测量系统是在控制棒孔道内底部安装超声波发生器和传感器，使用超声波传感器接收超声波发生器发出的超声波信号在控制棒底部产生的反射信号，通过计算反射信号与发射信号的时差得到控制棒位置。如中国专利90100692.0-“反应堆控制棒超声波棒位测量系统”即属于这种类型的棒位测量装置。这种测量方法存在的问题是：1、在沸水型反应堆以及堆内产生气泡的反应堆事故状态下不能工作；2、使用这种方法测得的控制棒位置是与压力壳的相对位置，对系统安装要求高。
电涡流式的控制棒棒位测量系统是在控制棒驱动机构的主动轴上安装一支精密丝杠并用其带动一个位置测量板移动，由电涡流传感器测出位置测量板与固定的位置参考板之间的距离而得到控制棒的位置信息。这种测量方法存在的问题是：1、属于间接测量方法，不能直接测量控制棒所在位置；2、测量装置体积较大。
感应式的控制棒测量系统是将由导磁材料或者导磁与非导磁材料间隔排列组成的测量芯棒连接在控制棒一端并于控制棒同步运动；测量芯棒在一根空心孔道内部运动，测量线圈套装在空心孔道外部，当测量芯棒在线圈内部运动时，改变电感线圈的磁感应强度而使测量线圈输出信号幅度发生变化的测量方式，如中国专利95116462.9-“地址码反应堆控制棒棒位测量系统”。这种方法存在的问题是线圈制作要求高，整体测量装置引线较多。由于采用了大量线圈结构的传感器，使得需要在反应堆压力壳顶部占用大量空间布置棒位测量装置的引线，不但增大了反应堆设计和结构布置的难度，也增加了线圈失效概率，不利于反应堆的安全性设计。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种改善上述棒位测量装置存在问题，特别是解决最常用的感应式棒位测量装置问题的新型棒位测量装置。
本发明的特征在于，含有差压测量采样管、现场测量单元、测量芯棒以及信息处理单元，其中：
差压测量采样管上部侧壁上连通一根出口引流管，形成一个冷却剂流出口，所述差压测量采样管的下端面上同轴、同半径地连接着一根控制棒导向管，该控制棒导向管的下端面为冷却剂流入口，所述冷却剂来自反应堆的冷却系统，冷却剂流入口的压力高于冷却剂流出口的压力；
现场测量单元，含有两根引压管、差压变送器、压力变送器、温度传感器、温度变送器、流量传感器和流量变送器，其中：
引压管，由上引压管和下引压管组成，所述上引压管开口在所述差压测量采样管的与所述出口引流管安装位置相对的另一侧壁上，与所述出口引流管水平对齐，另一端连接着所述压力变送器；下引压管开口在所述差压测量采样管与所述上引压管开口同一侧壁面的靠近所述控制棒导向管处，上引压管和下引压管之间连接一个所述的差压变送器；
温度传感器，位于所述差压测量采样管的上部空间内，输出端与一个所述的温度变送器的输入端相连；
流量传感器，位于所述出口引流管壁面上，该流量传感器的输出端连接着一个所述流量变送器的输入端；
测量芯棒，下端同轴连接着一个控制棒驱动轴，该控制棒驱动轴在一个控制棒驱动机构的驱动下引导所述测量芯棒在所述差压测量采样管内部孔道中做往复运动，该测量芯棒不与所述控制棒驱动轴连接的一个上端面在所述上引压管和下引压管在所述差压测量采样管侧壁上开口的中心线位置之间来回做往复运动；
信息处理单元，设有差压测量结果信号输入端，与所述差压变送器的输出端相连；压力测量结果信号输入端，与所述压力变送器的输出端相连；温度测量结果信号输入端，与所述温度变送器的输出端相连，流量测量结果信号输入端，与所述流量变送器的输出端相连；所述信息处理单元在把所述流量值、温度值、压力值和差压值转化为数字量后，接下来计算在所述上引压管和下引压管在所述差压测量采样管侧壁上开口的中心线位置之间有所述测量芯棒存在的流道长度La，所述La即表示所述测量芯棒从下引压管在所述差压测量采样管侧壁上开口的中心线位置起向上运动地距离，从而得到测量芯棒的棒位：
La=π2(ΔP-ρgLAB)Dr5Da5-frρLABDa58Q28Q2(faρLaDr5-frρLABDa5)]]>
其中：
LAB为所述上引压管中心线与下引压管在所述差压测量采样管侧壁上开口的中心线位置之间的距离；
Q为测量得到的冷却剂体积流量；
fr为所述两根引压管在所述差压测量采样管侧壁上开口的中心线位置之间，所述差压测量采样管内没有所述测量芯棒时流道的流动摩擦阻力系数；
fa为所述两根引压管在所述差压测量采样管侧壁上开口的中心线位置之间，所述差压测量采样管内存在所述测量芯棒时流道的流动摩擦阻力系数；
fr=64Rer,]]>fa=64Rea,]]>其中：
Rer为对应于所述fr时的流动雷诺数；
Rea为对应于所述fa时的流动雷诺数；
Rer=ρurDrμ,]]>Rea=ρuaDaμ,]]>其中：
ρ为所述差压测量采样管内冷却剂的密度；
μ为所述差压测量采样管内冷却剂的粘度；
ur、ua分别对应于所述fr、fa时的冷却剂的流速；
Dr、Da分别对应于所述fr、fa时冷却剂流过流道的等效水力学直径；
所述密度ρ根据所述得到的温度值和压力值查找水和水蒸汽热力性质国际工业标准IAPWS-IF97得到；
所述粘度μ根据所述得到的温度值和压力值查找水和水蒸汽热力性质国际工业标准IAPWS-IF97得到；
ΔP为所述两根引压管之间的压差，为测量值；
g为重力加速度。
所述控制棒导向管下端与压水反应堆压力壳顶部连通。
本发明的效果在于，所述一种基于差压变化的棒位测量装置基于测量变化差压信号的原理工作，与原有各种棒位测量技术相比，特别是感应式棒位测量技术相比，具有以下优点及突出性效果：由于本发明的棒位测量装置中利用了对于变化的差压信号测量的结构和方法实现对于反应堆控制棒位置的测量，所使用的各种参数测量变送器属于常规工业变送器，性能可靠，技术成熟，经济性好，较制造难度大，工艺复杂，引线繁多的感应式测量线圈组来说制造更容易，工作中的失效概率也大为降低。由于不采用线圈式结构，不但大大减小了系统体积，也极大地降低了潜在的棒位测量系统与反应堆其他系统装置之间的相互电磁干扰问题，进一步提高了棒位测量系统的安全性和可靠性。
【附图说明】
图1是基于差压变化的棒位测量装置的结构示意图。
图2是基于差压变化的棒位测量装置的一个实施例示意图。
对附图中各标号说明如下：
图1中标号说明
图中标号 标号说明 图中标号 标号说明 A 控制棒驱动轴 G 压力变送器 B 测量芯棒 H 温度传感器
图中标号 标号说明 图中标号 标号说明 C 差压测量采样管 J 温度变送器 D 出口引流管 K 现场测量单元 E1 引压管 M 流量传感器 E2 引压管 N 流量变送器 F 差压变送器 P 信息处理单元
图2中标号说明
图中标号 标号说明 图中标号 标号说明 A 控制棒驱动轴 K 现场测量单元 B 测量芯棒 M 流量传感器 C 差压测量采样管 N 流量变送器 D 出口引流管 P 信息处理单元 E1 引压管 Q A/D转换电路 E2 引压管 R 工业计算机 F 差压变送器 S 压力壳顶盖 G 压力变送器 T 控制棒驱动机构 H 温度传感器 U 控制棒导向管 J 温度变送器
【具体实施方式】
本发明通过恰当原理选择和结构设计，采用常见的工业变送器作为信号采集设备，且采集单元数量大大下降，具有制造工艺成熟，安装方便，结构简单，便于维护以及高可靠性的特点。本发明提供了一种基于差压变化原理的棒位测量装置包括：
一根差压测量采样管，其入口端以及出口端侧壁上连接的出口引流管，分别与反应堆系统中冷却剂流体部分连通。且入口端所连通部分的流体压力高于出口引流管端口所连通部分的流体压力；
由分别连接到差压测量采样管两端口附近位置的两根用于差压测量的引压管，以及连接所述两根引压管进行差压测量的差压变送器，连接所述引压管对差压测量采样管内部压力进行测量的压力变送器，贯穿所述差压测量采样管壁面安装的温度传感器和相连的温度变送器，以及测量所述差压测量采样管中冷却剂流动体积流量的流量传感器和相连接的流量变送器共同组成的现场测量单元；
一根与控制棒驱动轴直接连接，且在所述差压测量采样管内部孔道中做往复运动的测量芯棒，其往复运动由所连接的控制棒驱动轴带动，且其不与控制棒驱动轴连接一侧端面运动范围在所述位于差压测量采样管两端口附近位置的两根用于差压测量的引压管中心线位置之间；
采集所述差压变送器、压力变送器、温度变送器和流量变送器测量输出的信号，并经过一定分析处理，转换为控制棒所在位置信息，并最终输出控制棒位置信息的信息处理单元。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于差压变化的棒位测量装置。包括一根安装在控制棒驱动轴导向管轴向延长线方向上的差压测量采样管C，其入口端以及出口端连接的出口引流管D，分别与反应堆系统中冷却剂流体部分连通，且入口端所连通部分的流体压力高于出口引流管端口所连通部分的流体压力。分别连接到差压测量采样管C入口端附近位置的引压管E1和连接到差压测量采样管C出口端附近位置的引压管E2，以及连接所述两根引压管E1和E2进行差压测量的差压变送器F，连接所述引压管E2对差压测量采样管C内部压力进行测量的压力变送器G，贯穿差压测量采样管C壁面安装用于测量差压测量采样管C内部流体温度的温度传感器H和对应相连的温度变送器J，以及测量差压测量采样管C中冷却剂体积流量的流量传感器M和相连接的流量变送器N共同组成的现场测量单元K。一根与控制棒驱动轴A直接连接，且在所述差压测量采样管C内部孔道中做往复运动的测量芯棒B，其往复运动由所连接的控制棒驱动轴A带动，且其不与控制棒驱动轴A连接的一侧端面运动范围在所述两根用于差压测量的引压管E1和E2在所述差压测量采样管C侧壁上开口的中心线位置之间。采集所述差压变送器F、压力变送器G、温度变送器J和流量变送器N测量输出的信号，并经过一定分析处理，转换为控制棒所在位置信息，并最终输出控制棒位置信息的信息处理单元P。
图2显示了基于差压变化的棒位测量装置的一个具体实施例的结构，在该实施例中，所述棒位测量装置安装在压水型反应堆压力壳顶盖S上方。控制棒导向管U直接安装在压力壳顶盖S上，安装在控制棒导向管U中间部分的控制棒驱动机构T带动控制棒驱动轴A上下往复运动，实现控制棒上升和下降动作，进而控制反应堆输出功率。棒位测量装置中的差压测量采样管C下端与控制棒导向管U上端直接连接，该连接应满足反应堆一回路压力边界密封要求。差压测量采样管C的内部孔道与控制棒导向管U内部孔道连通，经过反应堆堆芯加热后，进入反应堆压力壳上部空间中的压力较高的冷却剂，经过控制棒导向管U下部开口、控制棒驱动机构T内部间隙和控制棒导向管U内部孔道，进入差压测量采样管C内部孔道，并由差压测量采样管C上端口附近的出口引流管D导出至反应堆冷管段，反应堆冷管段内部为经过蒸汽发生器后压力较低的冷却剂。在所述压力壳上部空间中的压力较高的冷却剂与经过蒸汽发生器后压力较低的冷却剂的压力差作用下，冷却剂流体在以上所述的流道中产生定向流动。
在差压测量采样管C的下端口与上端口连接的出口引流管D位置附近，分别安装有用于差压测量的引压管E1和引压管E2。差压变送器F测量引压管E1和E2之间的差压，输出差压测量结果信号。压力变送器G测量引压管E2连接位置的流体压力并输出压力测量结果信号，用于表示差压测量采样管C内部孔道中冷却剂压力。温度传感器H贯穿差压测量采样管C壁面安装，测量差压测量采样管C内部孔道中冷却剂的温度，并经过温度变送器J进行信号转换后输出温度测量结果信号，流量传感器M安装在出口引流管D壁面外侧，测量出口引流管D中的冷却剂流量，所述冷却剂流量即等于差压测量采样管C中的冷却剂流量，并经过流量变送器N进行信号转换后输出流量测量结果信号。以上所述引压管E1和E2、差压变送器F、压力变送器G、温度传感器H、温度变送器J、流量传感器M和流量变送器N共同组成现场测量单元K。其中差压变送器F采用Rosemount3051s型差压变送器，压力变送器G采用Rosemount3051CG型压力变送器，温度传感器H采用J型热电偶，温度变送器J采用Rosemount3144p型温度变送器，流量传感器M采用FG2S001型超声波流量计专用探头，流量变送器N采用FV3018超声波流量计，
一根与控制棒驱动轴A上端直接连接的测量芯棒B位于差压测量采样管C内部孔道中，并在控制棒驱动轴A运动的直接带动下实现上下往复运动，测量芯棒B下端面与控制棒驱动轴A直接连接，测量芯棒B上端面的运动范围限制在所述引压管E1和引压管E2在所述差压测量采样管C侧壁上开口的中心线之间的差压测量采样管C内部孔道中。
现场测量单元K输出的差压、压力和温度测量结果信号经过电缆输出至位于控制室内部的信息处理单元P，信息处理单元P包括A/D转换电路Q和工业计算机R。A/D转换电路Q将所述由现场测量单元传输来的，由4-20mA模拟量信号表示的各差压、压力和温度测量结果信号转换为对应的数字量信号并传送给工业计算机R。工业计算机R对上述测量得到的各参数信号进行分析处理后得到相应的控制棒位置信息并输出控制棒位置。所述A/D转换电路Q采用PIO-MIO-16XE-10型多功能信号采集/输出板的模拟量采集通道构成，工业计算机R采用SIEMENS工控机。
上述实施例中的举例仅是说明性的，而非限制性的，在实际实施中，可以根据具体的使用条件和测量要求，选择不同的差压测量采样管C安装位置；差压、压力、温度和流量变送器也可以选用其他厂家或者其他型号的产品，实现类似的测量功能；信息处理单元中P中的各设备也可以选取其他厂家或者其他型号的可以实现类似功能的产品，或者使用PLC，嵌入式控制器等其他方式实现控制棒位置信息的分析、处理与输出。
本发所述棒位测量装置的工作原理如下：
如上所述，反应堆一回路中经过堆芯加热的压力较高的冷却剂，由控制棒导向管U下部开口进入并经过控制棒驱动机构T内部间隙和控制棒导向管U内部孔道，进入差压测量采样管C内部孔道，并由差压测量采样管C上端口处的出口引流管D导出至反应堆冷管段，反应堆冷管段内部为经过蒸汽发生器后压力较低的冷却剂。在差压测量采样管C下端口与出口引流管D出口之间存在一定的差压的情况下，冷却剂在差压测量采样管C形成定向流动。
与控制棒驱动轴A顶端直接连接的测量芯棒B位于差压测量采样管C内部孔道中，并在控制棒驱动轴A运动的直接带动下实现上下往复运动，测量芯棒B下端面与控制棒驱动轴A直接连接，上端面的运动范围限制在引压管E1和引压管E2在所述差压测量采样管C侧壁上开口的中心线之间的差压测量采样管C内部孔道中。
在差压测量采样管C的下端口与上端口连接的出口引流管D位置附近，分别安装有用于差压测量的引压管E1和引压管E2。差压变送器F测量引压管E1和引压管E2之间的差压，输出差压测量结果信号。压力变送器G测量引压管E2处压力并输出压力测量结果信号，用于表示差压测量采样管C内部孔道中冷却剂流体压力。温度传感器H贯穿差压测量采样管C壁面安装，测量差压测量采样管C内部孔道中冷却剂的温度，并经过温度变送器J进行信号转换后输出温度测量结果信号，流量传感器M安装在出口引流管D壁面外侧，测量出口引流管D中的冷却剂流量，并经过流量变送器N进行信号转换后输出流量测量结果信号。
根据质量守恒原理，测量得到的出口引流管D中的冷却剂流量即差压测量采样管C中的冷却剂流量，即有如下关系式(1)
Q＝Aoutuout＝Arur＝Aaua (1)
以上公式(1)中Q表示测量得到的冷却剂体积流量，A表示冷却剂流道横截面积，u表示冷却剂流速。下标为“out”的参数表示在出口引流管D处测量得到的参数，下标为“r”的参数表示在差压测量采样管C内部孔道中，位于两个引压管E1和引压管E2在所述差压测量采样管C侧壁上开口的中心线位置之间且没有测量芯棒B存在部分测量得到的参数，下标为“a”的参数表示在差压测量采样管C内部孔道中，位于两个引压管E1和引压管E2在所述差压测量采样管C侧壁上开口的中心线位置之间且有测量芯棒B存在部分测量得到的参数。
由测量得到的差压测量采样管C内部压力和温度可以通过查找水和水蒸汽热力性质国际工业标准IAPWS-IF97，得到其内部孔道中冷却剂的密度ρ和粘度μ，进而根据以下公式(2)计算出相应的流动雷诺数Re。
Rex=ρuxDxμ---(2)]]>
上述公式中D为流道等效水力学直径，下标“x”表示对应公式中各个下标可以同时取为上述下标“out”，“r”或者“a”之一。
对于非圆型流道部分，流道截面积与流道等效水力学直径之间采用如下公式表示：
Ax=πDx24---(3)]]>
上述公式中下标“x”表示对应公式中各个下标可以同时取为上述下标“out”，“r”或者“a”之一。
根据以上计算得到的对应各处流动雷诺数Re值，可以选择相应的流动摩擦阻力系数f计算式，计算对应部分流动摩擦阻力系数。如结构设计使得流动雷诺数Re小于2000时，则根据下式计算流动摩擦阻力系数f：
fx=64Rex---(4)]]>
上述公式中下标“x”表示对应公式中各个下标可以同时取为上述下标“out”，“r”或者“a”之一。
再根据摩擦压降计算公式可以得到对应部分摩擦阻力如下：
Fx=fxρLxux22Dx---(5)]]>
公式(5)中F表示摩擦阻力，L表示对应流道部分的长度，下标“x”表示对应公式中各个下标可以同时取为上述下标“out”，“r”或者“a”之一。
流道中的冷却剂流动状态可以近似为在任意时刻的准稳态流动，且一般考虑差压测量采样管C采用竖直安装方式，两引压管E1和E2在所述差压测量采样管C侧壁上开口之间的高度差即等于所述两引压管在所述差压测量采样管C侧壁上开口之间流道长度，所述两个引压管在所述差压测量采样管C侧壁上开口之间部分冷却剂的能量守恒关系如下：
ΔP＝PA-PB＝(Fr+Fa)+ρgLAB＝(Fr+Fa)+ρg(Lr+La) (6)
上式中ΔP表示两引压管之间的差压，P表示压力，g表示重力加速度，下标“A”表示引压管E1处冷却剂参数，“B”表示引压管E2处冷却剂参数，LAB表示引压管E1和引压管E2之间流道总长度。
根据上述公式(1)-(6)可以推导得到计算两个引压管E1和E2在所述差压测量采样管C侧壁上开口的中心线位置之间，有测量芯棒B存在部分的流道长度的计算公式如下：
La=π2(ΔP-ρgLAB)Dr5Da5-frρLABDa58Q28Q2(faρLaDr5-frρLABDa5)---(7)]]>
由公式计算得到的两个引压管E1和E2在所述差压测量采样管C侧壁上开口的中心线位置之间有测量芯棒B存在部分的流道长度，即表示测量芯棒以及相应的控制棒从运动初始位置开始运动后向上运动的距离，即得到了测量芯棒的位置，也就相应得到了控制棒的位置。
信息处理单元P中的工业计算机R根据上述公式(1)-(7)计算得到测量芯棒以及相应控制棒从运动初始位置开始运动后向上运动的距离后，还可以进一步进行测量芯棒以及相应控制棒位置信息的输出。
如此，就实现了基于差压变化的棒位测量装置的整个测量过程，获得了测量芯棒以及相应控制棒位置信息。