反应堆堆芯温度测量探测器热响应测试设备设计

邓 鹏，张占军，王 楠，李志军，郭 猛，靳永毅

（中核控制系统工程有限公司，北京 100176）

0 引言

核电站主要是通过反应堆压力容器内核燃料燃烧产生的热量，加热一回路边界的冷却剂，通过冷却剂将热量带至蒸汽发生器，通过蒸汽发生器产生高温高压蒸汽，从而利用蒸汽推动发电机发电。但是，冷却剂温度不宜过高，否则容易导致压力边界损坏，造成严重生产事故。反应堆压力容器内临界温度的测量，主要通过冷却剂出口位置热电偶温度传感器进行测量。热电偶温度计承担着反应堆压力边界正常工况和异常工况的安全功能，属于核级重要安全电气设备。

热响应性能指标是核级热电偶温度探测器的重要参数，热电偶的响应速度决定了核电站事故发生时的应急反应能力[1]。鉴于，核电站事故对社会造成的重大社会及经济影响，有必要设计专门的设备对温度测量器件进行检测。为保证本公司设计及制造的中子和温度探测器及液位探测器满足使用要求，根据相关标准要求，设计了该型设备。

工业4.0自提出以后，掀起一场新的工业革命风暴。工业4.0的基础是物联网，5G技术的发展为工业4.0提供坚实的后盾。中国也提出了《中国制造2025》，工业领域的智能化发展对测试及制造设备设计提出了更高的要求。为顺应时代发展的潮流，本测试设备加入了智能化部分，实现自动化测试及数据处理。

1 设计依据

NB/T20069-2012《核电厂安全重要仪表通道性能监督试验》对温度传感器的测试规定了浸入式试验方法，并且对实验的条件做了大概的要求。该标准附录D中关于温度传感器的热响应测试的关键影响因素，如介质、流速、温度和压力等所产生的影响也作了说明。

NB/T 20375-2016《核级重要热电偶温度计》标准中规定热电偶热响应测试有两种典型方案：一是将热电偶从75℃±2.5℃高温烘箱中快速取出，插入20℃、流速1m/s的水中；二是热电偶从室温条件下，快速插入75℃±2.5℃、流速1m/s的水中，观察达到温阶63.2%时的时间，应≤20s。

在设计核反应堆温度测量探测器热响应测试设备时，综合考虑了上述两个标准的要求，采用了NB/T 20375-2016中所述的热响应测试方案二。该种方案能够更好地模拟堆芯的实际工况，而且便于实际操作与运用。

2 设备设计

2.1 功能设计

智能制造的战略提出以后，促进了人工智能在工业领域的发展，无人车间、无人工厂的应用越来越广泛。因此，为顺应技术发展潮流，在该产品设计时优先考虑采用智能控制为基础，实现云端控制为目标，进行了方案设计。

功能设计为后续的结构及电气部分设计提供了指导，通过不同功能模块的分析，能够更好地选择结构设计方案，以及电气及控制模块的设计与选型。

为了实现智能化控制及测试，产品功能应包含以下几个部分：

1）启动加热循环功能，当启动电加热管升温时，启动循环功能。

2）温控循环功能，当两测量点温差＞2℃时，启动循环功能。

3）自动加热功能，当水温低于设定温度时，启动电加热管。

4）光电触发计时功能，当受试部件放入或移开测试设备时，光电传感器自动生成触发信号，开始或结束计时。

5） 自动抓取功能，能够试验自动抓取、自动放置、自动移开受试部件。

6）流量监测功能，实时监测循环系统流量是否满足设计要求。

7）数据处理功能，能够根据环境温度、水槽水温自动计算温阶数据、响应时间数据，能够实时记录流量数据，数据自动保存及上传。

8）物联网功能，通过物联网可实时上传数据，输入控制指令等允许通过云端对该设备进行实施监控。

2.2 结构设计

热响应测试设备主题结构部分主要包含水槽、循环泵、温度传感器、加热元件、控制器、抓取机构、台架、流量计等部分，控制器采用全自动控制器，温度传感器采用K型热电偶温度传感器。

为了达到较好的使用效果，水槽框架采用300系不锈钢板材加工，水槽流道尺寸设计为10cm×10cm，有效水流截面10cm×8cm，水槽长度设计为2m。水槽保温层采用耐高温的玻璃丝绵，保温层设计厚度为20mm。

为达到最优的开发进度，传感器、流量计、电磁阀、光电传感器等部件，优先选用较为成熟的产品，其中电磁阀要求不仅能接收来自控制器的控制信号，而且能够反馈开合角度信号，以便对流量的大小进行控制。

2.3 智能控制系统

在设计控制方案时，结合了水槽流体的特性，在轴向方向上中点两侧各500mm处安放了两个水温探头，以确定两者温差＞2℃时启动温差循环。温差循环主要在升温过程中开启或在等待时开启，检测过程中循环泵始终开启。测试位置在水槽轴向中心点附近，为精确测量及计算温阶，在该位置设置一个计量用的温度探头，实时测试采集测试部位的温度数据。循环管路上设计了电磁阀，电磁阀应具有反馈信号功能，与流量计配合控制循环流量的大小。

温度探头采用的是K型热电偶，热电偶输出的毫伏级电动势信号，经过变送器转换成4mA～20mA DC信号传送至主控制器。

光电传感器是利用红外线发射及接受原理，将反射回来的红外线通过感光元件将光信号转换成电路信号，经放大器放大后传送至主控制器。

气动机构的控制主要是通过控制气动阀来实现的，通过气动阀的开关来控制气缸的前进及回退，从而实现机构的运动。

在水温较低的情况下，控制器启动电加热以及循环泵，将水加热到设定温度后，控制器主动切断电加热电源。

主控器与云端、移动端、PC端可以实现数据的交互，以便远程控制和浏览实验数据及实验过程。主控器与云端数据交互主要通过互联网协议来传输数据，与移动端和PC端可以通过WIFI、蓝牙等短距无线通信协议传输数据，也可以通过互联网协议进行数据交互。

主控器集合了控制器、显示器、存储器、处理器等器件，能够实现一键启动、自动运行、自动处理数据、自动生成报告与存储、自动结束试验等功能，便于离线运行。

3 理论计算

3.1 流量计算

探测器组件外径尺寸为7.0mm，为节约成本又保证产品的适用性，设计水槽有效截面尺寸为10cm×8cm。根据如下公式可计算得出，体积流量为0.008m3/s，小时流量为28.8m3/h。

3.2 保温层厚度计算

水槽内外表面均采用1.5mm厚300系不锈钢板材，两板中间采用玻璃棉绝热。为便于使用，水槽的外表面温度应＜40℃，防止操作人员意外烫伤。因水槽板材比较薄，认为板材内外两侧温度一致，所以温降主要通过保温层来实现。水槽内侧温度t0=75℃，水槽外侧环境温度t1=20℃。保温层内部主要通过热传导将热量排出，玻璃棉导热系数为：0.043W/（㎡·K），保温层外部主要通过对流换热的方式将热量散失到大气中[2]。

对流换热主要遵从的牛顿冷却方程：

热传导主要遵从傅里叶定律：

计算得，保温层厚度应＞5mm；将保温层设计为20mm，能满足使用及加工要求。

4 有限元分析

为验证产品设计的有效性，对设备的关键部分水槽的保温和流体状态进行了必要的有限元分析。

4.1 保温效果分析

在水槽的轴向方向上，因水温呈下降分布态势，在充分发展端水流较为平稳，可认为是均匀传热条件，因此认为水槽内强制对流符合均匀壁温传热条件，水在75℃条件下导热系数λ水为66.8×10-2W/（㎡·k）～67.4×10-2W/（㎡·k）。则在高度方向上，水与不锈钢水槽的对流换热系数为20W/（㎡·k）。

保温层的有限元分析软件选用ANSYSY 14.0，为便于计算，采用Steady-state Thermal稳态传热分析[3]模块分析保温层隔热效果。分析条件设置为环境温度20℃，环境条件为大气条件，水温75℃，水与不锈钢对流换热系数h水=20W/（㎡·k）；计算得出，空气与不锈钢的对流换热系数为h空=14.88 W/（㎡·k）；保温层采用玻璃棉，导热系数为λ保=0.043W/（㎡·k）。

图1 水槽截面温度分析图Fig.1 Sink cross-sectional temperature analysis figure

因为保温层两侧的不锈钢板厚度1.5mm，温降较小，因此保温层分析时忽略不锈钢板的热阻，仅对保温层厚度进行分析。在进行有限元分析时，保温层外部插入了膨胀层，膜层厚度设置为1.5mm。因为不锈钢表面的传热方式为膜态传热，设置膨胀层的主要作用是模拟水或空气与不锈钢板对流换热产生的黏滞阻力，分析结果如图1所示。保温层内部温度约为70.3℃，整个截面方向上传热规律一致，棱角处传热效率和温度都较低。外表面温度最高处约为27℃，温升仅为7℃远小于设计温度40℃。因此，保温层为20mm厚时完全满足设计要求。

4.2 流体力学分析

流体力学分析的主要目的是掌握水在水槽长度方向上的流动状态，为确定测试区域提供可靠依据。

为保证探测器组件在热响应分析时，被测部位处于充分发展段，采用ansys Fluid Flow（FLUNT）功能模块[4]进行分析，选用了κ-ε标准方程。边界条件设置如下：理论流量8L/s，分析模式采用基于压力模式，入口直径20mm，入口压强为0.1MPa；出口直径25mm，出口压强设置为0Pa。网格划分采用四面体网格方法，划分质量要求高质量；流体与水槽接触边界插入0.5mm膨胀层，数据迭代500次，以保证数据收敛。

分析结构如图2所示，水流在刚开始阶段，出口处流速从0m/s迅速增大，然后随着水流逐渐趋于平缓，而流速逐渐趋于平稳。出口流速，在200次迭代以后，流速趋于稳定，表示分析结果是收敛的，数据有效。

如图3所示，在水槽轴向方向上分3段（0m～0.5m、0.5m～1.5m、1.5m～2m），在三段上观察水流流速分布情况。在水槽的入口处，由于水流刚进入，流速较快产生了明显的湍流，在受到前方水流的阻力后充分混合，到达0.5m处时，水流流速基本平稳。如图4所示，0.5m～1.5m段，水流较为平稳，流速充分发展。水槽末端1.5m～2m段，出口处因为通道变窄速度有所增加，其余相对缓和。

因此，水槽有效流道结构尺寸设计能够满足要求。

5 验证情况介绍

为了更好地制造出性能优良的测试设备，针对该设备的关键功能制作了验证样机，用以验证设备是否满足使用要求。

验证了无保温和无循环热响应测试设备与有保温和有循环功能的热响应测试水槽的使用效果。选2支同样结构的K型热电偶，间隔1min测试4组数据见表1。

从表1可知，有保温和有循环功能的测试设备的测试结果稳定性更好，结果置信水平更高。

6 结论

NB/T20069-2012《核电厂安全重要仪表通道性能监督试验》附录D部分的表述，堆芯温度测量探测器热响应采用浸入式方法测量是较为合适的。因此，在选用测试方法时参照了NB/T 20375-2016热响应测试方法二的要求。

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通过理论计算及有限元分析，所设计的水槽能够满足NB/T 20375-2016热响应测试方法二的要求。