1.6 Теплотехнический контроль на аэс

С точки зрения управления, основными элементами энергоблока являются энергопреобразующие агрегаты (реактор, парогенераторы, ГЦНы, турбина, генератор), связанные между собой сетью различных потоков: теплоносителей 1-го и 2-го контуров, масел, электроэнергии и т.д. Каждый поток характеризуется определенными параметрами (как правило, это - температура, давление, расход, уровень), которые определяются состоянием исполнительных механизмов (насосов, арматуры, электродвигателей). Изменяя положение исполнительного механизма можно влиять на параметры потока и поддерживать их на заданном уровне. Например, открывая регулирующую арматуру, мы увеличиваем проходное сечение трубопровода, что приводит к увеличению расхода среды через него. Увеличение расхода может приводить к возрастанию уровня жидкости в некотором баке, увеличению давления в трубопроводе, увеличению температуры охлаждаемой жидкости и т.д. Назначение большинства систем управления АЭС состоит именно в том, чтобы «правильно» воздействовать на исполнительные механизмы и тем самым влиять на параметры потоков. Рассмотрим распространенные типы датчиков, которые используются при теплотехнических измерениях, и коротко изложим методы измерения теплотехнических параметров среды (температуры, расхода, давления и уровня жидкости).

Измерение температуры. В зависимости от принципа действия, приборы для измерения температуры принято разделять на следующие группы: термометры расширения, манометрические термометры, термоэлектрические термометры (термопары), термометры сопротивления и пирометры излучения. Первые четыре группы приборов основаны на контактных методах измерения, когда чувствительный элемент датчика находится в непосредственном контакте с измеряемой средой. Пирометры основаны на неконтактных методах измерения, когда пирометр отнесен от измеряемого объекта на некоторое расстояние и не оказывает никакого влияния на температурное поле объекта измерения.

Термометры расширения используют эффект теплового расширения жидкости при изменении температуры среды – ртуть, спирт или органические жидкости. Чем больше температура измеряемой среды t, тем больше расширение жидкости γ. Зная зависимость γ=f(t) можно по известному расширению γ, вычислить неизвестную температуру t. Диапазон измерения этого типа датчиков составляет от –90 до +600 ⁰С. В настоящее время термометры расширения на АЭС практически не используются.

Манометрические термометры основаны на зависимости давления жидкости (ртуть, спирт и т.д.), газа (азот) или парожидкостной смеси, находящихся в замкнутом объеме, от температуры – Р=f(t). Конструктивно манометрический термометр состоит из термобалона, находящегося в измеряемой среде, гибкой капиллярной трубки и манометра. При изменении температуры изменяется давление внутри замкнутого объема термосистемы, что приводит к перемещению свободного конца манометрической трубчатой пружины и показывающей стрелки самопишущего прибора. Чем больше отклоняется стрелка, тем больше температура контролируемой среды. Выпускаются манометрические термометры показывающие, самопишущие, с выходным пневмосигналом, а также с унифицированным токовым сигналом. Диапазон измерения жидкостных манометрических термометров составляет от –50 до +500 ⁰С, газовых от –200 до +700 ⁰С. К достоинствам следует отнести простоту конструкции и эксплуатации, взрыво- и пожаробезопасность. К недостаткам – невысокую точность (1-2 %), инерционность (особенно у жидкостных термометров) и необходимость контроля герметичности термосистемы. При измерении температуры на АЭС используются манометрические термометры ТГП-100ЭК-М1 и ТКП-100ЭК-М1.

Измерение температуры с помощью термопар основано на эффекте Зеебека, согласно которому в цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В, места соединения которых находятся при разных температурах t и t₀, возникает электрический ток (рис. 1.15). Чем больше разность температур t и t₀, тем больше величина наведенной эдс E_АВ=K·(t-t₀), где К–коэффициент Зеебека.

Рис. 1.15 Измерение температуры с помощью термопары

Проводники, образующие термопару, называют термоэлектродами; место их соединения, помещенное в среду с измеряемой температурой t - рабочим (горячим) спаем, а спай с постоянной и известной температурой t₀ – свободным (холодным) спаем. Электродвижущая сила (термоэдс) термопары, спаи которой находятся при температурах t и t₀, равна: Е_АВ(t,t₀)=е_АВ(t)–e_AB(t₀). Поддерживая температуру холодного спая постоянной, т.е. t₀=const, получим Е_АВ(t,t₀)=е_АВ(t) – const. Таким образом, наведенная термоэдс Е_АВ(t,t₀) полностью является функцией измеряемой температуры: Е_АВ(t,t₀)=f(t). Зависимость E=f(t) при постоянно заданной температуре холодного спая t₀ называется номинальной статической характеристикой (НСХ) и указывается в ГОСТ. Для того, чтобы измерить температуру с помощью термопары нужно сначала измерить величину термоэдс, а потом по заданной НСХ найти неизвестную температуру. Поскольку НСХ составлены с учетом t₀=0 ⁰C, которая должна быть постоянной в течение всего цикла измерения, используют компенсационные провода, назначение которых – отнести от рабочей зоны с высокой и меняющейся температурой t свободные концы термопары (т.е. нужно поместить холодный спай в среду с известной и постоянной температурой t₀). Если температура холодного спая t₀≠0 ⁰C, то используют специальные компенсационные схемы, которые учитывают влияние этой температуры на измеренную термоэдс. Компенсационные схемы добавляют измеренной к термоэдс Е_АВ(t,t₀)=е_АВ(t)–e_AB(t₀), обусловленной разностью температур t и t₀, напряжение U_AB=e_AB(t₀) и устраняют таким образом влияние температуры холодного спая t₀ на итоговой сигнал. Остается только эдс Е_АВ(t,t₀) =е_АВ(t)–e_AB(t₀)+U_AB=е_АВ(t), порожденная температурой горячего спая t. При измерении температуры на АЭС используются термопары типов ТХК и ТХА (табл. 1.1), причем без встроенных схем компенсации. Отметим, что выходное напряжение любой термопары имеет малую величину (милливольты). Поэтому для того, чтобы правильно измерить такой маленький сигнал, уменьшить влияние помех, выполнить компенсацию холодного спая и т.д., необходимы внешние нормирующие схемы и правильный монтаж датчика на объекте измерения.

Таблица 1.1 Характеристики термопар различных типов

Примечание: Pt+Rh – платина + родий.

При измерении температуры с помощью термосопротивлений используется зависимость сопротивления металлов или полупроводников от температуры. При увеличении температуры, сопротивление металлов (платина, медь, никель) увеличивается, а полупроводников – уменьшается. Показателем зависимости сопротивления от температуры служит температурный коэффициент сопротивления (ТКС) α, который должен быть возможно большим и постоянным. ТКС принято определять в диапазоне температур 0…100 ⁰С: α_0;100=(R₁₀₀-R₀)/R₀·100. Для платины α_Pt=3,9·10^-3 град^-1, для меди α_Cu=4,26·10^-3 град^-1, для никеля высокой чистоты α_Ni=6,17·10^-3 град^-1. Зависимость сопротивления от температуры во всем диапазоне измерений характеризуется номинальной статической характеристикой (НСХ), представленной в ГОСТ в виде таблиц (графиков).

Термометры сопротивления платиновые (ТСП) имеют высокую точность измерения и используются для диапазона температур –200…+850 ⁰С. Нелинейность НСХ для ТСП в диапазоне температур 0…500 ⁰С не превышает 5 %. Для ТСП определены следующие НСХ: 50П, 100П и Pt100 (R₀ равно 50 и 100 Ом). Для диапазона температур –200…+850 ⁰С известны градуировки Pt50, Pt200, Pt500 и Pt1000. Изменение сопротивления платины в диапазоне температур 0…+650 ⁰С выражается зависимостью R_t=R₀·(1+At+Bt²), где А=3,9685·10^-3 К^-1; В=-5,847·10^-7 К^-1. Таким образом, рассчитав величину R_t, по указанной выше формуле можно найти неизвестную температуру t. Термометры сопротивления медные (ТСМ) используются в диапазоне температур –50…+180 ⁰С. Для ТСМ определены следующие НСХ: 50М и 100М (R₀ равно 50 и 100 Ом). Зависимость сопротивления от температуры у ТСМ линейная и в диапазоне температур -50 …+180 ⁰С выражается зависимостью R_t=R₀·(1+At), где А=4,26·10^-3 К^-1. При измерении температуры на АЭС используются термосопротивления типов ТСП и ТСМ. Как и в случае с термопарами, выходной сигнал термосопротивления не является унифицированным, требует внешних схем нормирования и особых методов подключения датчика к измерительной аппаратуре.

Измерение расхода. В настоящее время распространены следующие типы расходомеров: электромагнитные, ультразвуковые и переменного перепада давления на сужающем устройстве.

Электромагнитный расходомер основан на принципе, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле, наводится эдс Е, пропорциональная скорости потока v: Е= К·В·v·d, где К – постоянная датчика, В – магнитная индукция между полюсами катушек, v – скорость потока жидкости, d – диаметр трубопровода. Роль проводника в данном случае играет электропроводящая жидкость (например, вода) (рис. 1.16).

Рис. 1.16 Электромагнитный расходомер

Расходомер состоит из катушек, расположенных с разных сторон трубопровода, и двух электродов, установленных внутри измерительного участка трубы. Напряжение, наводимое движущейся в магнитном поле жидкостью, воспринимается измерительными электродами и преобразуется электронной схемой в выходной сигнал для отображения значения расхода на дисплее или передачи к контроллеру. К достоинствам этого типа датчиков относят высокое быстродействие и независимость показаний от характера потока жидкости (ламинарный, турбулентный), погрешность измерений 0,5-1 %.

Принцип действия ультразвукового расходомера основан на зависимости разности времени прохождения сигналов ультразвуковой частоты (20 кГц и более), направленных одновременно в направлении потока и против него, от скорости потока. Скорость распространения ультразвуковых колебаний в измеряемой среде V связана со скоростью потока v_ср равенством: V=C₀+v_ср, где С₀ – скорость звука в данной среде. Время прохождения колебаний по потоку t₁ и против потока t₂ равны: t₁=L/(C₀+v_ср); t₂=L/(C₀-v_ср), где L – длина участка между источником и приемником колебаний. Приравняв скорость звука в этих уравнениях, найдем скорость потока: v_ср=L·(t₂-t₁)/2·t₁·t₂. Датчики расходомера могут быть накладные, врезные, устанавливаемые относительно оси трубопровода по диаметры или хорде, в контакте или без контакта с измеряемой средой. Расходомер имеет одну пару датчиков, устанавливаемых под углом (рис. 1.17,а) или один датчик по направлению потока, а другой – против потока (рис. 1.17,б).

Рис. 1.17 Ультразвуковой расходомер

Расходомеры, основанные на принципе перепада давлений, используют зависимость перепада давления до и после сужающего устройства, установленного в трубопроводе (рис. 1.18).

Рис. 1.18 Расходомер, основанный на измерении разности давлений

Как известно, согласно уравнению Бернулли, энергия движущейся среды включает статическую энергию (давление) и кинетическую (энергию движения). При сужении трубопровода скорость потока увеличивается, а статическое давление в суженном потоке уменьшается. Перепад давлений (высокого до сужения и низкого после сужения) является мерой расхода, который преобразуется измерительным преобразователем в унифицированный выходной сигнал. В качестве чувствительных элементов преобразователей используется мембрана, сильфон. В последние годы получили распространение тензорезистивные чувствительные элементы. Принцип действия тензорезистора заключается в том, что под действием разности давлений происходит микроизгиб пластины с тензорезисторами, включенными в мостовую схему. В результате этого эффекта изменяется сопротивление тензорезисторов. Изменение сопротивления, пропорциональное перепаду давлений, преобразуется электронной схемой в сигнал 4…20 мА или в цифровой сигнал (HART, RS-485). При измерении расхода жидкости на АЭС используется датчик Метран-22-АС-МП, который измеряет разность давлений на сужающем устройстве, переводит его в сигнал тока 4…20 мА и выводит на дисплей в виде сигнала расхода. В данном случае, проблема состоит не в получении унифицированного сигнала (как для термопар или термосопротивлений), а в методах установки датчика на объект измерения.

Измерение давления. Согласно системе СИ в качестве единицы давления принят Паскаль (Па) – давление силой 1 Н на площадь 1 м². К числу внесистемных единиц относятся кгс/см², мм.рт.ст., мм.вод.ст., атм., бар. и т.д. Поскольку на АЭС давление часто выражают в внесистемных единицах, то полезно знать правила перехода от одной единицы измерения к другой (табл. 1.2).

Таблица 1.2 Таблица соответствия единиц давления

Известны различные виды давления, измеряемые датчиками (рис. 1.19). Давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением абсолютным (ДА). Барометрическое давление (ДБ) - это абсолютное давление земной атмосферы. Оно зависит от конкретных условий измерения: температуры воздуха и высоты над уровнем моря. Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного, называют соответственно избыточным (ДИ) или давлением разрежения, вакуумметрическим (ДВ). Очевидно, что ДА=ДБ+ДИ или ДА=ДБ–ДВ. При измерении разности давлений двух различных процессах или двух точках одного процесса, причем таких, что ни одно из давлений не является атмосферным, такую разность называют дифференциальным давлением (ДД). Приборы для измерения давления классифицируют по виду измеряемого давления и по принципу действия. По виду измеряемого давления приборы делят на: 1) манометры – приборы для измерения избыточного и абсолютного давления; 2) барометры – приборы для измерения атмосферного давления; 3) вакуумметры – приборы для измерения разрежения (вакуума); 4) мановакуумметры – приборы для измерения избыточного давления (вакуума); 5) напоромеры – приборы для измерения малого избыточного давления (до 40 кПа); 6) тягомеры – приборы для измерения малого разрежения (до -40 кПа); 7) дифференциальные манометры – приборы для измерения разности двух давлений. По принципу действия приборы для измерения давления делят на: 1) жидкостные (или гидравлические), основанные на уравновешивании измеряемого давления давлением столба жидкости; 2) пружинные (или деформационные), основанные на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации чувствительного элемента; 3) грузопоршневые, в которых измеряемое давление уравновешивается силой, создаваемой массой поршня и грузами, действующими на поршень, или создаваемым давлением жидкости; 4) электрические манометры и вакуумметры, основанные на преобразовании измеряемой величины в электрический сигнал (ток, напряжение) или в изменение сопротивления чувствительного элемента.

Рис. 1.19 Виды измеряемых давлений в точках 1,2,3 физического процесса

При измерении давления на АЭС используются датчики серии Метран-22, которые измеряют все описанные виды давлений, переводят их в сигнал тока 4…20 мА и выводят на дисплей. Как и в случае с расходомерами, основная проблема состоит не в том, чтобы получить унифицированный сигнал, а в способах монтажа датчика на объекте измерения.

Измерение уровня. В зависимости от способа преобразования уровня в электрический сигнал, уровнемеры делят на: поплавковые, гидростатические и т.д.

Принцип действия поплавкового уровнемера основан на перемещении поплавка, находящегося на поверхности жидкости, уровень которой измеряется, и преобразовании этого перемещения в электрический сигнал (рис. 1.20).

Рис. 1.20 Измерение уровня с помощью поплавкового датчика

В качестве преобразователей перемещения поплавка в электрический сигнал применяются дифференциально-трансформаторная или потенциометрическая схемы. Т.е. движок потенциометра соединяется с поплавком, при изменении уровня изменяется положение поплавка и, соответственно, напряжение на потенциометре. По величине напряжения можно оценить текущий уровень жидкости в объекте измерения.

Принцип действия гидростатического уровнемера основан на зависимости уровня жидкости Н от давления столба жидкости Р: Р=ρgH. Измерение давления жидкости в нижней части резервуара может производиться через разделительную мембрану с помощью измерительного преобразователя, шкала которого проградуирована в единицах уровня. В качестве чувствительного элемента схемы используется тензорезистор, включенный в одно из плеч моста. Давление столба жидкости через разделительную мембрану передается на тензорезистор, вызывая разбаланс моста. Выходное напряжение мостовой схемы, пропорциональное уровню, преобразуется в токовый выходной сигнал (рис. 1.21). При измерении уровня жидкости на АЭС используется датчик Метран-22, который измеряет величину давления, переводит его в сигнал тока 4…20 мА и выводит на дисплей в виде сигнала уровня. Ниже будут рассмотрены способы правильного монтажа датчиков Метран-22 на объект измерения.

Рис. 1.21 Гидростатический уровнемер