西电核电工程中测控技术的应用与发展综述报告.doc

核电工程中测控技术的应用与发展 04109012 曲浩然 04109007 李浡然核电的发展始于二十世纪五六十年代二战时期为军事目的而发展的核技术转向民用发展核电，显示了美好的前景。一些发展核电的先行国，如美、英、法、原苏联、加拿大、瑞典等国，各自独立地进行了民用核能的开发。自世界上第一座核电站于1954年6月在前苏联建成，就一刻也没有离开过测控技术。从最早的第一代核电站到现在的第三代核电站，以及现在提出的第四代核电站，测控技术都在其中占据着及其重要的地位。核电站的设计建造的过程中最重要的便是安全稳定，而为了实现这一要求就完全离不开测控技术。首先是第一代核电站，其主要目的是为通过试验示范形式来验证核电在工程实施上的可行性。苏联，美国等国最先建造的都是这类核电站，其除了发电外，同时也肩负着许多研究任务。然后就是第二代核电站，世界上绝大多数核电站都是第二代的，其是在第一代核电技术的基础上建成的，它实现了商业化、标准化等，包括压水堆、沸水堆和重水堆等，单机组的功率水平在第一代核电技术基础上大幅提高，达到千兆瓦级。第三代核电站的安全性和经济性都将明显优于第二代核电站。由于安全是核电发展的前提，世界各国除了对正在运行的第二代机组进行延寿与补充性建一些二代加的机组外，接下来新一批的核电建设重点是采用更安全、更经济的先进第三代核电机组。我国国家引进的美国非能动AP1000核电站以及广东核电集团公司引进的法国EPR核电站都属于第三代核电站。第三代核电站的安全性和经济性都将明显优于第二代核电站。由于安全是核电发展的前提，世界各国除了对正在运行的第二代机组进行延寿与补充性建一些二代加的机组外，接下来新一批的核电建设重点是采用更安全、更经济的先进第三代核电机组。我国国家引进的美国非能动AP1000核电站以及广东核电集团公司引进的法国EPR核电站都属于第三代核电站。与此同时第四代核能系统概念也被提出（有于核电技术或先进反应堆），美国能源部的核能、科学与技术办公室于1999年6月美国核学会夏季年会，同年11月的该学会冬季年会上，发展第四代核能系统的设想得到进一步明确； 2000年1月，美国能源部发起并约请阿根廷、巴西、加拿大、法国、日本、韩国、南非和英国等9个国家的政府代表开会，讨论开发新一代核能技术的国际合作问题，取得了广泛共识，并发表了“九国联合声明”。第四代核能系统将满足安全、经济、可持续发展、极少的废物生成、燃料增殖的风险低、防止核扩散等基本要求。目前，世界各国都在不同程度上开展第四代核电能系统的基础技术和学课的研发工作。 第四代核电能系统包括三种快中子反应堆系统和三种热中子反应堆系统：核电站在运行的过程中需要保证其绝对安全避免安全事故的发生，所以要求对核反应堆许多的量进行精密检测。然而核电站的环境中有大量电磁干扰存在，这就对传感器及仪器提出了更高的要求。所以核电工程中的测控技术应用不同于其他环境，首先就要解决好可靠性的问题。核电站主要要测量位移、液位、温度和中子通量等参数。核电站除了关键设备核反应堆外，还有许多与之配合的重要设备。以压水堆核电站为例，它们是主泵，稳压器，蒸汽发生器，安全壳，汽轮发电机和危急冷却系统等。它们在核电站中有各自的特殊功能，而它们都离不开测控技术。主泵的功用是把冷却剂送进堆内，然后流过蒸汽发生器，以保证裂变反应产生的热量及时传递出来。在这里就需要对温度以及流量进行测量。 稳压器又称压力平衡器，是用来控制反应堆系统压力变化的设备。在正常运行时，起保持压力的作用；在发生事故时，提供超压保护。稳压器里设有加热器和喷淋系统，当反应堆里压力过高时，喷洒冷水降压；当堆内压力太低时，加热器自动通电加热使水蒸发以增加压力。在这里也离不开测控技术，温度以及压力的测量、加热器和喷淋系统的闭环控制，全都是测控技术的范畴。蒸汽发生器的作用是把通过反应堆的冷却剂的热量传给二次回路水，并使之变成蒸汽，再通入汽轮发电机的汽缸作功。这里就有对气压的测量和对温度的测量，保证其不超过警戒值。安全壳用来控制和限制放射性物质从反应堆扩散出去，以保护公众免遭放射性物质的伤害。万一发生罕见的反应堆回路水外逸的失水事故时，安全壳是防止裂变产物释放到周围的最后一道屏障。安全壳一般是内衬钢板的预应力混凝土厚壁容器。核电站用的汽轮发电机在构造上与常规火电站用的大同小异，所不同的是由于蒸汽压力和温度都较低，所以同等功率机组的汽轮机体积比常规火电站的大。危急冷却系统为了应付核电站一回路主管道破裂的极端失水事故的发生，近代核电站都设有危急冷却系统。它是由安全注射系统和安全壳喷淋系统组成。一旦接到极端失水事故的信号后，安全注射系统向反应堆内注射高压含硼水，喷淋系统向安全壳喷水和化学药剂。便可缓解事故后果，限制事故蔓延。注射系统：当核电站一回路系统的管道或设备发生破损事故后，安全注射系统用来向堆芯紧急注入高硼冷却水，防止堆芯因失水而造成烧毁。安全注射系统设有两套安全注射管系。一套为安全注射箱管系，在安全注射箱内储有一定容积的高硼水，并用氮气充压，使注射箱内维持恒定的压力。当一回路系统一旦发生大破裂事故，其压力低于安全注射箱的压力时，安全注射箱内的硼水就通过止水阀自动注入一回路系统。另一套为安全注射泵管系，当一回路系统因发生破损事故而压力下降至一定值时，安全注射泵就自动启动，将换料水箱内的硼水注射至一回路系统，换料水箱内的硼水被汲完后，安全注射泵可改汲从一回路系统泄露至安全壳底部的地坑水，使硼水仍能连续不断地注入一回路系统冷却堆芯。 在电站失去外电源情况下，安全注射泵的电源可由应急柴油发电机组自动供电。安全壳喷淋系统：在核电站发生失水事故或二回路主蒸汽管道破裂事故时，安全壳内充满了带放射性高压蒸汽，安全壳喷淋系统将用来降低安全壳内压力和温度，使放射性蒸汽凝结下来。在安全壳的上部设有相当数量的喷淋头，当安全壳内由于发生主管道破损事故而蒸汽压力升高时，安全壳喷淋系统的泵就自动启动，将换料水箱内的硼水和NaOH贮箱内供除碘用的NaOH溶液一起汲入，以一定的比例混合，再由喷淋头喷入安全壳内。当换料水箱的水被用尽后，喷淋泵可改汲安全壳内的地坑水。此时，地坑水先由设备冷却水冷却后再重新喷淋至安全壳内。在上面介绍几个对核电站至关重要的安全保障系统中也全部离不开测控技术。首先是对危机情况的检测，然后是对信息的处理，最后是控制相应模块做出反应。这些系统中包含了很多测控技术在其中，脱离了测控技术，核电站完全无法实现正常的工作，发生事故时，也无法减轻事故影响。多层的安全系统采用独立的测控模块控制，进一步提高了系统的可靠性，降低了事故发生的概率。也能及时有效的对已发生的事故作出反应。虽然现在在核电站中广泛应用的先进测控技术具有很高的可靠性，但是还是难以确保万无一失。近年来也发生过大的核事故，比如日本的福岛核电站事故。根据第三代核电站和第四代核电站的技术要求我们可以看出来，在安全性和经济性上都作出了更高的要求。由此我们可以看出，新一代核电站对测控技术的要求更高了。首先是可靠性，要求有更高的可靠性。在电磁环境下可以连续的长时间正常工作。其次是精度，要求可以检测到更细微的变换，这样才可以对事故防患于未然，提前做出判断，阻止灾难的发生。第三是寿命，第二代核电站现在大都进行了大修以延长其工作年限，而新的核电站在设计的过程就要求了较长的工作时间。这就要求核电站中的各个部分都要有较长的使用寿命，保证数十年的正常工作，而不是经常性的更换。所以核电工程中测控技术发展的趋势就是更可靠，更准确，更长寿。保证了这三个方面，就可以提高核电站运行过程中的安全。为周边生活的人们提供一个安心的生活环境。在核电工程中测控技术广泛应用在各个方面，核电无法脱离测控技术而存在，测控技术在核电工程中的应用也是测控技术重要的领域。新一代核电站对测控技术提出了更高的要求，测控技术的发展也能进一步推动核电的发展。由于核电技术很多涉及到国家机密，很难搜集到具体的技术资料，下面对市场上可以见到的核电工程中应用的几种传感器的资料：1. 热电偶传感器此传感器技术参数：输出型式：4-20mA ，0-5V电源DC：24V对应温湿度量程温度：0-120，-20-80 0-180可选；湿度：0-100 %RH 有效测量范围5%RH-98%RH湿度精度： 3%RH 80-150内间隔5%RH温度精度铂电阻PT100 0-800.5 0-200 1 负载能力 电流输出型：恒流负载4-20 mA ： 0-500共地三线 长期稳定性：五年（在50%RH），漂移1.2%RH 温度测量：年飘移量0.01。注：热电偶和热电阻是核反应堆中用得最多的温度传感器，用这种传感器测试核反应堆动态特性的关键是掌握其时间常数的变化规律。测量温度传感器时间常数比较传统的做法是从插入试验的阶跃响应曲线中测出, 待报批的国家专业标准 工业热电偶技术条件规定, 阶跃响应试验应在水流或气流装置中进行, 这种测试称预先测试法。由于环境条件不一致,预先测试法测出的时间常数与实用环境中的时间常数有一定的偏差, 并且时间常数在使用过程中要发生变化。为了测量传感器的实际时间常数, 1 9 7 7 年田纳西大学的T.W.Kerli等研究用噪声分析技术对时间常数进行就地测试。这种方法使用小尺寸热电偶测量液体或快速流动气流的动态温度成为可能，这对于核反应堆动态测量具有重要意义。就地测试法即随堆测试, 它应用了FFT技术、功率谱分析、窗函数, 滤波技术等信号处理技术和时间序列模型(ARMA) 等等。这些技术应用在动态温度测量领域,推动着核反应堆动态研究的发展。2. 压力传感器以广东省浩捷电子仪器有限公司的商品为例，其主要技术参数为：量 程: (50Pa200Pa1KPa10KPa 100KPa) 耐 压: 量程值的三倍综合精度: 0.5%FS、1.0%FS 输出信号: 420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制) 供电电压: 24DCV(936DCV) 介质温度: -2085 环境温度: 常温(-2085) 负载电阻: 电流输出型：最大800；电压输出型：大于50K 绝缘电阻: 大于2000M (100VDC 密封等级: IP65 长期稳定性能: 0.1%FS/年 振动影响: 在机械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS 电气接口(信号接口): 引出导线 机械连接(螺纹接口): M1013.扭矩传感器以南京冉控科技有限公司的核电站扭矩传感器为例，其主要技术参数为：1. 量程范