Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Диагностика аномальных режимов в быстрых натриевых реакторах 21
1.1. Общая характеристика задачи 21
1.2. Краткое описание реактора БОР-60 24
1.3 Диагностика кипения натрия 25
1.3.1 Эксперименты по вскипанию натрия на реакторе БОР-60 25
1.3.1.1 Экспериментальное оборудование 25
1.3.1.2 Система измерений 26
1.3.1.3 Результаты экспериментов 28
1.3.2. Применение импульсной системы для обнаружения кипения натрия в быстром реакторе 32
1.3.3 Оценка надежности обнаружения кипения натрия с помощью корреляции акустических и нейтронных шумов 37
1.4 Повышение чувствительности температурного контроля ТВС в быстром натриевом реакторе 43
1.4.1 Условия эксперимента и методика обработки данных 44
1.4.2 Некоторые результаты эксперимента 46
1.4.3 Компенсированная система температурного контроля 50
1.4.4 Моделирование температурного шума в тепловыделяющей сборке быстрого реактора 52
1.4.5 Динамические характеристики датчика температуры 56
1.4.6 Применение термопар натрий - сталь в реакторном эксперименте 59
1.5 Выводы 62
ГЛАВА 2. Контроль расхода жидкометаллических теплоносителей корреляционным методом 64
2.1. Общая характеристика проблемы 64
2.2. Первый этап испытаний корреляционного метода с использованием магнитных датчиков 66
2.3 Опыт корреляционных измерений расхода натрия 75
на установке БН-600 75
2.4 Изучение вихревой структуры потока и корреляционные измерения расхода с помощью бесконтактных магнитных датчиков 82
2.5 Модельная градуировка магнитных корреляционных расходомеров... 89
2.6 Применение бесконтактных корреляционных датчиков для измерения расхода тяжелых теплоносителей 91
2.6.1 Постановка задачи 91
2.6.2 Конструкция датчиков 92
2.6.3 Аппаратурное обеспечение измерений 94
2.6.4 Некоторые результаты испытаний, стендовой градуировки и применения бесконтактных датчиков 94
2.6.5 Определение метрологических характеристик корреляционного метода и средств измерения 97
2.6.6 Перенос данных модельной градуировки на натурный стенд 102
2.7 Термокорреляционные измерения 107
2.7.1 Общие положения 107
2.7.2 Изучение термоэлектрических шумов на границе между жидким металлом и стенкой и корреляционные измерения расхода 110
2.8 Выводы 119
ГЛАВА 3. Частотные методы измерения расхода жидких металлов 121
3.1 Общая характеристика задачи 121
3.2 Вихревые расходомеры жидкого металла с закруткой потока 123
3.2.1 Исследование периодических колебаний в закрученном потоке жидкого металла под воздействием магнитного поля 123
3.2.2 Распространение результатов на другие жидкометаллические теплоносители 132
3.2.3 Конструкция МГД - ВР 134
3.3 Вихревые расходомеры с телом обтекания 136
3.3.1 Постановка задачи 136
3.3.2 Параметры рабочего участка 137
3.3.3 Влияние магнитного поля на частоту вихреобразования 138
3.3.4 Способы регистрации сигнала 141
3.3.5 Частотные характеристики 143
3.3.6 Оценка метрологических характеристик 145
3.3.7 Некоторые вопросы практического применения 146
3.3.7.1 Оценка амплитудных характеристик 146
3.3.7.2 Оценка гидравлических характеристик 147
3.4 Сопоставление вихревых расходомеров различного типа 148
3.4.1 Частотные характеристики 148
3.4.2 Амплитудные характеристики 150
3.4.3 Корреляционные характеристики 151
3.4.4 Взаимное влияние контура и рабочего участка вихревого расходомера ; 152
3.5 Спектральные характеристики сигналов магнитных датчиков 152
3.6 Выводы 158
ГЛАВА 4. Методы и средства измерения расхода водяного теплоносителя 162
4.1 Общие положения 162
4.2 Система измерения расхода в раздаточном коллекторе РБМК на базе ультразвуковых частотных расходомеров 162
4.2.1 Постановка задачи 162
4.2.2 Первичный преобразователь системы измерения расхода РБМК 166
4.2.3 Электронная аппаратура 168
4.2.4. Программное обеспечение 170
4.2.5 Некоторые результаты испытаний экспериментального образца системы 171
4.3 Термокорреляционная система измерения расхода через тепловыделяющие сборки 174
4.3.1. Постановка задачи 174
4.3.2 Общие положения 175
4.3.3 Измерительный участок 176
4.3.4 Вторичная аппаратура ] 78
4.3.5 Программное обеспечение 179
4.3.6 Лабораторные испытания измерительного комплекса 180
4.3.7 Доработка методики стендовой градуировки 182
4.3.8 Результаты стендовых градуировок 183
4.3.9 Измерения расхода с помощью ТКР при реакторных испытаниях 186
4.4 Корреляционная система измерения расхода в первом контуре
ВВЭР с использованием флуктуации активности N16 188
4.4.1 Общие положения 188
4.4.2 Характеристики детекторов 189
4.4.3 Вторичная аппаратура и программное обеспечение 192
4.4.4 Условия эксперимента 193
4.4.5 Некоторые результаты испытаний 194
4.5 Выводы 201
ГЛАВА 5. Определение границы динамической устойчивости кипящего реактора 202
5.1. Общая характеристика проблемы 202
5.2 Краткое описание реактора 204
5.3 Система измерения основных параметров реактора 206
5.4 Экспериментальные исследования устойчивости в первой кампании 209
5.4.1 Эксперименты по осцилляции реактивности 210
5.4.2 Определение порога устойчивости 212
5.5 Экспериментальные исследования автоколебательных режимов 217
5.6 Расчетные модели неустойчивости 219
5.6.1 Линейная модель неустойчивости 219
5.6.2 Расчет автоколебаний без учета шумов 221
5.6.3 Анализ низкочастотной стабильности 223
5.7 Статистические характеристики вблизи границы устойчивости 225
5.8 Применение статистических методов для исследования устойчивости при модернизациях кипящего реактора 233
5.8.1 Исследование устойчивости реактора с модернизованным тяговым участком 233
5.8.2 Устойчивость реактора при использовании кассет с пониженным гидравлическим сопротивлением 239
5.9 Выводы 244
Заключение 246
Список литературы
- Эксперименты по вскипанию натрия на реакторе БОР-60
- Первый этап испытаний корреляционного метода с использованием магнитных датчиков
- Распространение результатов на другие жидкометаллические теплоносители
- Система измерения расхода в раздаточном коллекторе РБМК на базе ультразвуковых частотных расходомеров
Введение к работе
Применение статистических методов для исследования ядерных реакторов отделено от начальной стадии становления этой отрасли небольшим временным интервалом. Уже в конце 40-х - начале 50-х годов на реакторах «нулевой» мощности с помощью разработанных методов (корреляционный Росси-альфа, вероятностный Могильнера, частотный Кона) определяются кинетические параметры систем (эффективность запаздывающих нейтронов, время жизни мгновенных нейтронов и др.).
С вводом в строй энергетических реакторов центр тяжести применения статистических методов смещается в область контроля параметров и диагностики состояния этих установок. Они представляют собой сложные системы, в которых протекает совокупность нейтронных и теплофизических процессов, массопереноса и изменения фазового состояния вещества. В отличие от нейтронно - физических систем, построение общей стохастической модели такого объекта вряд ли возможно. Если в нейтронно - физических системах квант, характеризующий переход в новое состояние, по крайней мере, очевиден (захват нейтрона, появление его при делении и т.п.), то уже в теплофизической части такой ясности нет.
«Шумы» нейтронного потока в энергетической установке обусловлены в основном случайными флуктуациями параметров топлива и теплоносителя. Очевидно, что выбор значения «кванта» обмена энергией между топливом и теплоносителем существенно влияет на мощность этих флуктуации и, соответственно, на спектральный состав и мощность нейтронных шумов.
Неопределенность указанной величины затрудняет создание полной аналитической модели реакторных шумов. Поэтому для интерпретации получаемых данных целесообразно использовать достаточно простые «частные» модели, которые могут затем корректироваться по данным эксперимента.
Следует иметь также в виду, что для энергетической установки изучение температурных шумов, гидродинамических флуктуации представляет самостоятельный интерес с точки зрения контроля различных элементов установки.
Можно подразделить анализ шумов ЯЭУ на следующие основные направления:
измерение параметров установки (например, абсолютной мощности реактора на низких уровнях, реактивности вплоть до глубоких подкрнтичностей, расхода теплоносителя и т.п.);
определение динамических характеристик системы, когда эксперименты, связанные с нанесением активных возмущений, нежелательны либо невозможны;
диагностику состояния элементов ЯЭУ в целях регистрации аномалий и определения области безопасных режимов установки;
оптимизацию систем контроля и управления с учетом характеристик шумов контролируемых параметров для повышения надежности и помехоустойчивости.
Это разграничение задач является в какой-то мере условным, поскольку их решение базируется зачастую на анализе шумов одних и тех же параметров, а определение, например, некоторой динамической характеристики может быть использовано для диагностики.
Как правило, исследования характеристик шумов и их приложения для диагностики и определения параметров установок тесно переплетены.
Помимо исследований нейтронных шумов реакторов нулевой мощности, заложивших основу и явившихся исходной базой шумовых исследований на ядерных энергетических установках, на развитие этих направлений оказывают
влияние направления,-"Сформировавшиеся независимо от-теории ядерных
реакторов. Это принципы и методы, развитые в статистической динамике и технической диагностике систем.
Как уже указывалось, одна из основных трудностей интерпретации статистических экспериментов на энергетическом реакторе состоит в том, что измеряемые статистические характеристики являются результатом сложного взаимодействия источников шума различной природы. Для шумов нейтронного потока, помимо случайного характера нейтронно - физических процессов, такими источниками могут являться случайные пульсации технологических параметров (расхода, входной температуры), случайные распределения примесей в теплоносителе и изменение его фазового состояния, неупорядоченные перемещения топлива, вибрации твэлов и кассет в потоке теплоносителя.
Статистические характеристики этих источников сами по себе являются достаточно сложным объектом исследования. Так, датчики температуры и расхода наряду с флуктуациями осредненных значений указанных параметров регистрируют локальные (турбулентные) пульсации температур и скоростей. Акустические шумы могут генерироваться турбулентным потоком теплоносителя, процессами генерации, движения и схлопывания пузырьков пара или газа, в особенности при кипении и кавитации, акустической эмиссией при образовании дефектов в материалах и другими причинами. В таких условиях необходимо расширять круг физических явлений и соответствующих датчиков, привлекаемых для статистических экспериментов. Эффективным методом является перекрестная корреляция сигналов различных датчиков.
Большой вклад в разработку методов контроля и диагностики с применением статистических методов на энергетических установках различных типов внесли сотрудники Физико - энергетического института под руководством профессора А.И. Могильнера (С.А. Морозов, Д.М. Швецов и др.). Значительные успехи в этой области применительно к реакторам ВВЭР достигнуты сотрудниками РНЦ им. И.В. Курчатова (В.В. Булавин, В.И. Павелко, С.Д. Малкин и др.) и НИКИЭТ (Б.П. Стрелков и др.).
Полем деятельности автора диссертационной работы были различные реакторные установки и стенды, в том числе вводимые в строй новые установки (кипящий реактор ВК-50, быстрые натриевые реакторы БОР-60, БН-600). Применительно к действующим установкам (РБМК, ВВЭР-1000) разрабатывались усовершенствованные методики измерения расхода теплоносителя. Обоснование и опробование методов опиралось на стендовые эксперименты с различными теплоносителями (Na, Na-K, Pb-Bi, Li, вода под давлением). Составными частями исследований являются обработка и анализ случайных процессов во временной и частотной областях, разработка динамических моделей с учетом шумов, обоснование статистической надежности различных методов обнаружения аномалий, оценка статистической погрешности измерения параметров.
Диссертация состоит из пяти глав.
Первая глава посвящена проблеме диагностики теплогидравлических аномалий в быстрых натриевых реакторах. Базой для проведения экспериментальных работ были установки БОР-60 и БН-600.
На реакторе БОР-60 была реализована, по-видимому, наиболее обширная программа по обнаружению кипения натрия в БН-реакторе. Автор участвовал в разработке этой программы и отвечал за организацию статистической обработки данных. В ходе экспериментов сочетались различные способы выхода в режим кипения и различные варианты установки датчиков для регистрации акустических, нейтронных, температурных сигналов. Это позволило выявить характерные особенности процессов вскипания и сопутствующих сигналов.
С учетом этих особенностей автором предложена и проанализирована импульсная акустическая подсистема обнаружения кипения.
Для повышения достоверности идентификации кипения автором предложено использовать функции когерентности акустических и нейтронных шумов. Здесь также дан анализ статистической надежности обнаружения.
Наличие развитой системы контроля температуры на выходе из ТВС реактора БОР-60 (~20ТЭП) позволило провести детальный анализ составляющих температурного шума и предложить компенсированную систему температурного контроля с более высокой чувствительностью к возможным аномалиям теплогидравлики ТВС.
1 Численное моделирование методом Монте-Карло позволило оценить влияние профиля температуры в ТВС на величину температурного шума на выходе, а также уточнить требования к динамическим характеристикам ТЭП, регистрирующим эти шумы.
Автором проведен цикл работ по изучению характеристик, в том числе и
динамических, термопары «натрий - сталь». Некоторые результаты приведены в
настоящей главе, в частности, отражены результаты испытаний ТЭП «натрий-
сталь» в составе термозонда для БН-600 в переходных режимах расхолаживания
установки.
Во второй главе рассматриваются корреляционные методы измерения расхода жидких металлов. Интерес к ним во многом связан с практическими
потребностями при создании крупных установок с жидкометаллическим, в частности, натриевым теплоносителем. При относительно небольших (G < 100 м3/ч) расходах разработка датчиков в виде магнитных расходомеров и их градуировка не создают трудностей. Однако уже для расходов G«1000m3/4 появляются специальные требования к датчикам, и возникает проблема их градуировки.
Впервые предложен корреляционный метод с использованием магнитных датчиков, который может способствовать решению этой задачи. При этом используются флуктуационные сигналы, снимаемые с электродов магнитного расходомера.
Практическая пригодность метода для измерения расхода и контроля показаний магнитных расходомеров была продемонстрирована на действующих установках (БОР-60, БН-600). К сожалению, оценка погрешности метода могла производиться в тот период лишь методом сличения с датчиками, точностные показатели которых были невысоки (± 5 % от верхнего диапазона измерений). Но и на таком уровне погрешностной оценки расхода через парогенераторные модули при пуске БН-600 были полезны.
В дальнейшем задача повышения метрологических характеристик решалась по нескольким направлениям.
Разработана методика модельной градуировки на основе геометрического подобия измерительных участков и равенства МГД-критериев для потоков теплоносителя.
Предложен новый бесконтактный корреляционный способ, который решает не только технологические проблемы съема сигнала, но и позволяет реализовать интегральный датчик корреляционного расходомера. При этом принципиально возрастает уровень корреляции сигналов, улучшаются метрологические и динамические характеристики метода.
В настоящей главе приведен пример модельной градуировки бесконтактных датчиков применительно к тяжелому теплоносителю. Метрологические характеристики для корреляционного расходомера на диапазон G*100mAi определялись на расходомерном стенде с производительностью 20 м /ч.
Применительно к проблеме БН-реакторов, метрологическое обоснование метода для контуров с расходом G«1000m3/4 может быть проведено на аттестованном расходомерном стенде с производительностью G = 100 м3/ч.
В последнем разделе второй главы рассматривается новый термокорреляционный способ. Он использует флуктуации температуры на границе «жидкий металл - стенка измерительного участка» и не требует введения датчиков температуры в поток, не уступая при этом в точностных и динамических показателях. Метод испытан на различных сочетаниях материалов стенки и вида теплоносителей (сталь Х18Н9Т - натрий, сталь ЭП912 - натрий-калий, ниобий-литий).
Эксперименты по вскипанию натрия на реакторе БОР-60
На период эксперимента с кипением натрия реактор был оснащен кипящей сборкой и двумя волноводами (вариант 1, рис. 1.2). Кипящая ТВС расположена на границе активной зоны и состоит из 18 вольфрамовых и одного стального стержня диаметром 6 и длиной 450 мм (высота активной зоны 400 мм), которые окружены двумя обечайками с газовым теплоизолирующим зазором между ними. Расход натрия через кипящий блок 18 л/ч, что обеспечивает выход в режим кипения при мощности реактора 9 МВт: полное энерговыделение от у-излучения в вольфрамовых стержнях 5 кВт. В объеме кипящей сборки расположено 7 термопар. Кипящая сборка продолжена штангой с выходом над крышкой аппарата; по штанге выведены кабели от термопар и двух погружных датчиков (П-1, П-2), расположенных на расстоянии 300 мм от предполагаемого места схлопывания пузырей. Чувствительные элементы датчиков - кристаллы из ниобата лития диаметром 6 мм.
Волноводный датчик (В-1) в перегрузочном канале представляет собой стальной стержень длиной 5280 мм с переменным диаметром 8-16 мм с пьезопреобразователем (ЦТС-19) на верхнем конце стержня. Нижний конец волновода контактирует с натрием на расстоянии -20 мм от головок ТВС. Аналогичный волноводный датчик (В-2) расположен на периферии реактора; стержень контактирует с натрием в районе выходных патрубков. Кроме того, на крышке аппарата (малая поворотная пробка) помещен прижимной акустический датчик (А-1) из пьезокерампки ЦТС-19. Для измерения флуктуации нейтронного потока использовали штатную ионизационную камеру.
Поскольку соединительная штанга может оказывать существенное влияние на распространение звука от места закипания к акустическому датчику, применялся другой вариант установки кипящей сборки и датчиков, более близкий к реальной ситуации (рис. 1.3). Здесь сборка не связана со штангой; один из погружных датчиков (Д1) расположен в 35 мм над верхней кромкой активной зоны и непосредственно контролирует зону кипения. Датчики давления ПЗ и П4 установлены в перегрузочном канале на расстоянии 240 мм по радиусу от кипящей сборки. Здесь же установлен и волновод ВЗ, аналогичный по конструкции волноводному датчику В1.
Структурная схема системы измерений приведена на рис. 1.4. По результатам анализа фоновых шумов для улучшения отношения сигнал/шум акустических датчиков применяли фильтры, отсекавшие шумы ниже 20 кГц. Во всех режимах выходов в кипение усиленные сигналы с нейтронных, акустических и термопарных датчиков записывали на магнитограф МР-5521 (3 канала с частотной модуляцией, динамический диапазон 40 дБ, частотный диапазон 0-20 кГц; 4 канала прямой записи диапазоном 26 дБ, полоса 150 кГц). Низкочастотные процессы записывали также на 9-канальный магнитограф с полосой до 500 Гц. Для последующей обработки акустических сигналов на ЭВМ и аналоговом корреляторе проводили трансформированную перезапись сигналов магнитографом 7001 (fmax= 20 кГц, частотная модуляция). Предварительный анализ в процессе эксперимента проводили на анализаторе случайных процессов с полосой 20 - 500 кГц и с помощью полосового третьоктавного фильтра. Для регистрации использовали также самописец интенсивности акустического шума. Параметры визуально контролировали осциллографом и самописцем. Сигнал с акустических датчиков поступал на динамик. Колебания реактивности записывались реактиметром.
Были проведены четыре выхода в режим кипения, которые отличались скоростью подъема мощности. Термопарами зафиксирована температура насыщения при мощности реактора, равной 8,5 -9 МВт. Моменту вскипания соответствует появление кратковременных (порядка 1 мс) вспышек сигналов погружных датчиков (П-І, П-2) и скачок среднего уровня сигналов (рис. 1.5). Одновременно растет амплитуда и изменяется характер пульсаций нейтронного потока и температуры. Вскипание фиксировалось также на слух по появлению характерных щелчков в сигналах погружных датчиков. Мощность реактора в дальнейшем повышалась до 10 МВт. Наблюдался установившийся режим кипения с меньшим уровнем акустических шумов, чем в момент первоначального вскипания.
Изменение уровня акустического шума при вскипании (по прибору PSG-101)
Для спектрального анализа акустических сигналов применяли аналоговый полосовой фильтр и алгоритм быстрого Фурье - преобразования с расчетом на ЭВМ. Хотя выборки, соответствующие различным этапам выхода на режим кипения (фон без кипения, бурное вскипание, установившееся кипение), несколько различаются в спектральном составе, специфические резонансы, характерные для кипения, отсутствуют, а особенности спектров во многом определяются частотными характеристиками датчиков. Наблюдается повышение общего уровня шума погружных датчиков в полосе 20 - 120 кГц в среднем на 8 - 12 дБ (рис. 1.6). Спектральная характеристика в режиме с кипением имеет негладкий вид, поскольку в этом случае последовательный частотный анализ применялся к заведомо нестационарному процессу. Уровень шума на волноводных датчиках менялся незначительно.
Первый этап испытаний корреляционного метода с использованием магнитных датчиков
Результаты сопоставления расходов, измеренных по градуировочным характеристикам MP и рассчитанных по корреляционному сдвигу (таблица 2.1), согласуются в пределах указанных погрешностей. Хорошая воспроизводимость корреляционного пика при различных состояниях установки свидетельствует о наличии в потоке устойчивых локальных образований, которые при перемещении с потоком через два последовательно установленных расходомера вызывают поочередные микропульсации в их показаниях - появляются смещенные максимумы ВКФ. Наблюдаемая пролетная составляющая, по-видимому, не связана с температурными пульсациями, поскольку изменения температурного режима практически не влияют на вид ВКФ. Предполагалось также, что корреляционный пик образуется из-за пузырьков аргона, который может захватываться из газовой полости в верхней части теплообменника. Однако сопоставление корреляций до и после сдувки аргона не выявило каких-либо различий. Вероятным источником наблюдаемого эффекта являются гидродинамические неоднородности потока типа вихрей. Для уточнения природы пролетной компоненты были проведены эксперименты на натриевом стенде.
Экспериментальный участок представлял собой прямолинейный горизонтальный отрезок трубопровода диаметром 45 х 2,5 мм и длиной более 3 м, на который приваривали вертикально и горизонтально расположенные пары электродов (рис. 2.3).
Помимо источника возмущений на входе в виде тройника в некоторых опытах на участке была врезана поворотная заслонка в виде пластины - полукруга, которая при положении поперек потока являлась мощным источником вихреобразования. Постоянные магниты (диаметр полюсов 40 мм и индукция в зазоре 0,15 Т) могли устанавливаться у произвольной пары электродов. Пульсации температуры контролировали с помощью двух хромель-копелевых микротермопар (диаметр королька 0,5 мм), введенных в поток натрия. Небольшое количество аргона можно было подавать в поток через сопло. Объемный расход аргона определяли по изменению давления в газовой полости расходного бака. Исследовали влияние источников возмущения потока, газовых примесей и взаимного расположения магнитных систехМ на корреляцию. При наличии заметной расходной составляющей ВКФ, которая обусловлена пульсациями общего расхода и практически симметрична относительно оси ординат, пролетную составляющую определяли вычитанием левой и правой ветвей ВКФ. СКВО пульсаций сигналов магнитных датчиков в полосе частот 0,2 - 20 Гц в зависимости от их расположения и расхода менялся от 10 до 50мкВ. Измеренные СКВО пульсаций температуры составляют сотые доли градуса Цельсия и не могут служить причиной наблюдаемых флуктуации. Подача в поток аргона (до 2 % объемного содержания) не привела к заметным изменениям пролетной составляющей. В экспериментах с поворотной заслонкой пролетные составляющие ВКФ при положениях заслонки по потоку и поперек потока различались примерно на порядок (рис. 2.3). Отмечено также увеличение уровня пульсаций, особенно на первом датчике. Эти результаты подтверждают предположение о гидродинамических неоднородностях как основной причине пролетных корреляций.
Естественные источники гидродинамических возмущений в виде сгибов также интенсифицируют вихреобразование и увеличивают уровень вихревых пульсаций MP. Измерение пролетной составляющей позволяет наглядно наблюдать ее затухание по мере удаления пары датчиков от источника возмущений при постоянной базе (рис. 2.3) либо при увеличении базового расстояния (рис. 2.4). Различимый пик (по-видимому, его асимптотическое значение) существует и на большом удалении ( 50D), D - внутренний диаметр трубы) от источника возмущений. Следует отметить хорошее совпадение времени сдвига, соответствующего максимуму при различных расстояниях пар датчиков от источника возмущений и одинаковом базовом расстоянии. Оно согласуется с расчетным временем прохождения натрием расстояния между электродами в пределах градуировочной погрешности стендового расходомера (3%) и погрешности измерения времени при корреляции (2%). Временной сдвиг пропорционален базовому расстоянию (рис. 2.4). В качестве предварительной рекомендации можно указать, что первый датчик при корреляционных измерениях следует устанавливать на расстоянии 5 D от источника возмущений, где искажения профиля скорости невелики и в то же время вихри достаточно интенсивны для обеспечения хорошего уровня вихревых пульсаций по отношению к другим шумам.
Корреляция пролетных составляющих флуктуации при взаимно перпендикулярном направлении магнитных полей отрицательна (рис. 2.4, кривая 4). Устойчивые корреляции (положительные либо отрицательные) указывают на то, что гидродинамические неоднородности сохраняют пространственную ориентацию при перемещении на расстояния, значительно превышающие диаметр трубопровода, что позволяет выбирать базу измерений 5 D и обеспечивать достаточно высокий коэффициент корреляции при хорошем временном разрешении. Следует указать, что гидродинамические возмущения потока играют большую роль и при измерении корреляций термопар [48].
Для получения наглядных представлений о взаимодействии вихря с магнитным полем проведены некоторые расчеты [28]. Вследствие их оценочного характера рассматривали упрощенную форму вихря в виде вращающегося цилиндра с некоторым характерным размером / и осью вращения, лежащей в плоскости х, у (рис. 2.5) и перпендикулярной к радиальному направлению от центра трубы к центру вихря. Принималось также, что проводимость стенки и жидкости одинакова, контактное сопротивление отсутствует. Невозмущенный профиль скорости является равномерным.
Распространение результатов на другие жидкометаллические теплоносители
В первом случае нелинейность хорошо описывалась соотношением f=Av1, ; во втором она была несколько выше: f=Aiv 04"1,05. При увеличении индукции до значений, соответствующих N = (2 3) Nnop, относительное изменение частоты составляет около 0,4 % на единицу N.
Подводя промежуточный итог, можно отметить, что совокупность приведенных свойств периодических колебаний указывает на то, что происхождение их связано с явлением периодической неустойчивости, которое возникает при протекании закрученных потоков в устройствах с переменным сечением [85]. Примерами может служить либо выход закрученной струи в свободное пространство, либо движение ее на участке сужения и последующего расширения трубы, где и проявляется прецессия вихревого ядра. Магнитное поле, интенсивно взаимодействующее с периферийными слоями закрученной среды, имеющими наибольшую тангенциальную скорость, выполняет в данном случае роль сужения. Хотя эта аналогия и является грубой, она позволяет объяснить в первом приближении характер зависимости частоты от расхода и степени закрутки. Рассмотрим далее влияние нескольких источников магнитного поля. При установке на измерительном участке двух или нескольких источников магнитного поля в зависимости от их взаимного расположения и величин индукции наблюдаются различные явления. Совместное воздействие на закрученный поток полей, индукция которых сопоставима с порогом, проявляется и в случае, когда магнитные системы разнесены на значительное расстояние ( 5 D) и поля их независимы. Так, устанавливая индукцию первой системы в сечении z = 5 D ниже порога и постепенно повышая индукцию второй (z=10D), можно возбудить периодические колебания, не достигая индивидуального порогового значения этой системы. Оба датчика регистрируют при этом характерную частоту первого сечения. Если первоначально индукция второй системы устанавливается вблизи порога, то постепенное повышение индукции первой приводит первоначально к появлению колебаний с частотой, близкой к характерной частоте второго сечения. При дальнейшем росте поля первого источника в его зоне происходит переход на генерацию характерной частоты первого сечения; при этом в определенном диапазоне соотношений индукций периодика во втором сечении нарушается, и там наблюдаются случайные флуктуации. Наконец, для некоторых режимов, отличающихся тем, что магнитные системы с индукцией выше пороговой установлены в области с интенсивной закруткой, частоты колебаний, генерируемых и наблюдаемых в каждом из сечений, различны. Частота во втором сечении при этом ниже той, которая генерировалась бы в нем в отсутствие магнитного поля в первом сечении. Это обстоятельство связано с ослаблением закрутки потока под воздействием поля первого источника. Интересно отметить, что в двухчастотном режиме заметно уширение каждого из спектральных пиков по сравнению с одночастотным. Видно также, что частота генерируемых первым сечением колебаний также регистрируется вторым датчиком (рис. 3.9). Понятно, что магнитная система, расположенная выше по потоку, обладает преимуществом при формировании периодичности. В целом же результат взаимодействия с несколькими источниками поля представляет собой сложную пространственную картину, требующую дальнейшего детального изучения.
Одно из возможных практических приложений является очевидным. Выше фактически уже описан МГД вихревой частотный способ измерения расхода электропроводной среды [90]. Помимо близкой к пропорциональной зависимости частоты от расхода, укажем еще ряд существенных достоинств: превосходное частотное разрешение, - в диапазоне скоростей 0,5 -s- 5 м/с относительная ширина спектрального пика на половинной высоте не превышает 1 %, определение частоты в максимуме может быть проведено с погрешностью менее 0,05 %; стабильность
частоты при изменениях магнитного поля; значительная амплитуда сигналов, достигающая при соответствующем выборе электродов 1 мВ при индукции 0,1 Тл для верхнего диапазона расходов; 50 - кратное перекрытие по диапазону расходов (скоростей) - v = 0,1 - 5 м/с - в режиме N« const и 30-кратное в режиме В = const; возможность выполнения одной магнитной системой функций частотного и кондукционного расходомера, причем линейность последнего не нарушается.
Особенности исследованного явления могут найти приложение также в разработке пороговых индикаторов расхода, температуры и, возможно, каких-либо других параметров. Очевидно, что для селективной индикации необходимо наличие соответствующих компенсационных схем.
Наконец, представляет интерес сама возможность генерации достаточно мощного переменного тока, амплитуда и частота которого могут регулироваться в широких пределах изменением параметров приложенного магнитного поля и потока.
В заключение укажем, что некоторые стороны исследованных процессов требуют дополнительного изучения и интерпретации. В то же время уже на этой стадии очевидна возможность различных полезных приложений. На один из вариантов МГД-вихревого расходомера службой главного метролога Физико-Энергетического института выдано свидетельство о метрологической аттестации (Приложение 3).
Система измерения расхода в раздаточном коллекторе РБМК на базе ультразвуковых частотных расходомеров
В реакторе РБМК расход контролируется в технологических каналах с помощью шариковых расходомеров типа ШТОРМ. В настоящей работе приводятся результаты разработки системы измерения расхода в раздаточном групповом коллекторе для использования ее в аварийной защите реактора. Основные ее параметры оговорены в техническом задании [105].
СИР состоит из рабочего участка, первичных преобразователей, входных электронных блоков и вторичных измерительных приборов. Рабочий участок представляет собой отрезок трубопровода диаметром 325 х 16 мм длиной не более 700 мм.
Структурно СИР должна состоять из трех независимых каналов, каждый из которых содержит собственный первичный преобразователь, входной электронный блок, вторичный измерительный прибор и линии связи.
В качестве возможных вариантов рассматривались средства измерения, не содержащие подвижных элементов, в частности, классический ультразвуковой расходомер, основанный на различии скоростей распространения ультразвуковых колебаний по потоку и против потока. Однако возникли сомнения о возможности реализации такого проекта, поскольку потребовалось бы установить три пары «приемник - излучатель» на ограниченном по длине рабочем участке. Поэтому был выбран более компактный вариант, а именно, ультразвуковой вихревой расходомер, содержащий тело обтекания и расположенные непосредственно за ним три первичных преобразователя.
Первичный преобразователь представляет собой совокупность излучателя и приемника, установленных на диаметрально противоположных сторонах трубопровода и осуществляющих преобразование электрических сигналов в акустический и обратно. Входной электронный блок предназначен для возбуждения излучателя и предварительного усиления принимаемого сигнала.
Вторичный измерительный прибор обеспечивает выработку сигнала, пропорционального расходу и передачу его в систему АЗРТ и информационную систему. Передаваемые сигналы должны быть гальванически развязаны по каждому из каналов.
Принцип действия УЗВР основан на регистрации фазовых отклонений акустического сигнала под воздействием периодических вихрей, генерируемых источником возмущения потока с частотой, пропорциональной расходу. Поперечные составляющие скорости, возникающие под воздействием завихрителя, создают фазовый сдвиг ультразвуковой волны, который можно оценить на основе ( Ь Л соотношений Uj = А sin co0t; U = А sin сол t формулой: \ c±v) АФ = ю0- -, (4.1) где v - поперечная составляющая скорости, Dx - характерный поперечный размер, о - круговая частота, с - скорость звука.
С помощью фазового детектора формируются почти периодические флуктуации напряжения, которые могут регистрироваться счетчиком (рис. 4.1). Приближенная оценка диапазона частот для заданного диаметра D измерительного участка и типового размера тела обтекания, обеспечивающего устойчивое вихреобразование, составляет vmax/D, где vmax - верхняя граница диапазона средних скоростей потока.
Рабочая частота УЗ сигнала определяется диаметром измерительного участка. Поскольку вихревые сигналы не являются строго периодическими, для более точного определения частоты используется микропроцессорный блок автокорреляционной обработки сигнала. При этом повышаются также помехоустойчивость прибора по отношению к импульсным помехам. По измеренной частоте в соответствии с градуировочной характеристикой определяется величина объемного расхода. Предварительные испытания прибора проводились на различных стендах при диаметрах измерительных участков 30, 40, 50, 80 мм при давлениях в контуре до 100 атмосфер. Диапазон измерения средних скоростей потока -0,2+10 м/с [106].
На рис. 4.2 представлен градуировочный график ультразвукового расходомера для диаметра измерительного участка Dy 50, полученный на расходомерном стенде «Калибр», аттестованном органами Госстандарта. Погрешность определения расхода 0,1 % от измеряемой величины.
Оценка основной допускаемой погрешности для измерительных каналов по результатам градуировки модели на метрологическом расходомерном стенде осуществляется в соответствии со следующим соотношением: 0 = 1,1- +04040 , где 0о = 0,08 % - предельная допускаемая погрешность поверочной установки; 0t O,Ol% - систематическая погрешность задания временных интервалов в измерительном приборе; 0Т = 0,12 % - погрешность регрессионной зависимости, отнесенная к максимальному значению расхода; 0Т = О,1% - погрешность температурной поправки к изменению параметров измерительного участка при переходе с «холодного» метрологического стенда (20 С) на реальный рабочий режим (285 С). С учетом приведенных величии, суммарная неучтенная систематическая погрешность, отнесенная к максимальному значению расхода, составит 0 0,2 %.
