鄧 鵬，張占軍，王 楠，李志軍，郭 猛，靳永毅

（中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）

0 引言

核電站主要是通過反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)核燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，加熱一回路邊界的冷卻劑，通過冷卻劑將熱量帶至蒸汽發(fā)生器，通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，從而利用蒸汽推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。但是，冷卻劑溫度不宜過高，否則容易導(dǎo)致壓力邊界損壞，造成嚴(yán)重生產(chǎn)事故。反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)臨界溫度的測(cè)量，主要通過冷卻劑出口位置熱電偶溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。熱電偶溫度計(jì)承擔(dān)著反應(yīng)堆壓力邊界正常工況和異常工況的安全功能，屬于核級(jí)重要安全電氣設(shè)備。

熱響應(yīng)性能指標(biāo)是核級(jí)熱電偶溫度探測(cè)器的重要參數(shù)，熱電偶的響應(yīng)速度決定了核電站事故發(fā)生時(shí)的應(yīng)急反應(yīng)能力[1]。鑒于，核電站事故對(duì)社會(huì)造成的重大社會(huì)及經(jīng)濟(jì)影響，有必要設(shè)計(jì)專門的設(shè)備對(duì)溫度測(cè)量器件進(jìn)行檢測(cè)。為保證本公司設(shè)計(jì)及制造的中子和溫度探測(cè)器及液位探測(cè)器滿足使用要求，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)了該型設(shè)備。

工業(yè)4.0自提出以后，掀起一場(chǎng)新的工業(yè)革命風(fēng)暴。工業(yè)4.0的基礎(chǔ)是物聯(lián)網(wǎng)，5G技術(shù)的發(fā)展為工業(yè)4.0提供堅(jiān)實(shí)的后盾。中國(guó)也提出了《中國(guó)制造2025》，工業(yè)領(lǐng)域的智能化發(fā)展對(duì)測(cè)試及制造設(shè)備設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的潮流，本測(cè)試設(shè)備加入了智能化部分，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試及數(shù)據(jù)處理。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

NB/T20069-2012《核電廠安全重要儀表通道性能監(jiān)督試驗(yàn)》對(duì)溫度傳感器的測(cè)試規(guī)定了浸入式試驗(yàn)方法，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)的條件做了大概的要求。該標(biāo)準(zhǔn)附錄D中關(guān)于溫度傳感器的熱響應(yīng)測(cè)試的關(guān)鍵影響因素，如介質(zhì)、流速、溫度和壓力等所產(chǎn)生的影響也作了說明。

NB/T 20375-2016《核級(jí)重要熱電偶溫度計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定熱電偶熱響應(yīng)測(cè)試有兩種典型方案：一是將熱電偶從75℃±2.5℃高溫烘箱中快速取出，插入20℃、流速1m/s的水中；二是熱電偶從室溫條件下，快速插入75℃±2.5℃、流速1m/s的水中，觀察達(dá)到溫階63.2%時(shí)的時(shí)間，應(yīng)≤20s。

在設(shè)計(jì)核反應(yīng)堆溫度測(cè)量探測(cè)器熱響應(yīng)測(cè)試設(shè)備時(shí)，綜合考慮了上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用了NB/T 20375-2016中所述的熱響應(yīng)測(cè)試方案二。該種方案能夠更好地模擬堆芯的實(shí)際工況，而且便于實(shí)際操作與運(yùn)用。

2 設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

智能制造的戰(zhàn)略提出以后，促進(jìn)了人工智能在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，無人車間、無人工廠的應(yīng)用越來越廣泛。因此，為順應(yīng)技術(shù)發(fā)展潮流，在該產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮采用智能控制為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)云端控制為目標(biāo)，進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。

功能設(shè)計(jì)為后續(xù)的結(jié)構(gòu)及電氣部分設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，通過不同功能模塊的分析，能夠更好地選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以及電氣及控制模塊的設(shè)計(jì)與選型。

為了實(shí)現(xiàn)智能化控制及測(cè)試，產(chǎn)品功能應(yīng)包含以下幾個(gè)部分：

1）啟動(dòng)加熱循環(huán)功能，當(dāng)啟動(dòng)電加熱管升溫時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)功能。

2）溫控循環(huán)功能，當(dāng)兩測(cè)量點(diǎn)溫差＞2℃時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)功能。

3）自動(dòng)加熱功能，當(dāng)水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，啟動(dòng)電加熱管。

4）光電觸發(fā)計(jì)時(shí)功能，當(dāng)受試部件放入或移開測(cè)試設(shè)備時(shí)，光電傳感器自動(dòng)生成觸發(fā)信號(hào)，開始或結(jié)束計(jì)時(shí)。

5） 自動(dòng)抓取功能，能夠試驗(yàn)自動(dòng)抓取、自動(dòng)放置、自動(dòng)移開受試部件。

6）流量監(jiān)測(cè)功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)系統(tǒng)流量是否滿足設(shè)計(jì)要求。

7）數(shù)據(jù)處理功能，能夠根據(jù)環(huán)境溫度、水槽水溫自動(dòng)計(jì)算溫階數(shù)據(jù)、響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)記錄流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)自動(dòng)保存及上傳。

8）物聯(lián)網(wǎng)功能，通過物聯(lián)網(wǎng)可實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，輸入控制指令等允許通過云端對(duì)該設(shè)備進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱響應(yīng)測(cè)試設(shè)備主題結(jié)構(gòu)部分主要包含水槽、循環(huán)泵、溫度傳感器、加熱元件、控制器、抓取機(jī)構(gòu)、臺(tái)架、流量計(jì)等部分，控制器采用全自動(dòng)控制器，溫度傳感器采用K型熱電偶溫度傳感器。

為了達(dá)到較好的使用效果，水槽框架采用300系不銹鋼板材加工，水槽流道尺寸設(shè)計(jì)為10cm×10cm，有效水流截面10cm×8cm，水槽長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為2m。水槽保溫層采用耐高溫的玻璃絲綿，保溫層設(shè)計(jì)厚度為20mm。

為達(dá)到最優(yōu)的開發(fā)進(jìn)度，傳感器、流量計(jì)、電磁閥、光電傳感器等部件，優(yōu)先選用較為成熟的產(chǎn)品，其中電磁閥要求不僅能接收來自控制器的控制信號(hào)，而且能夠反饋開合角度信號(hào)，以便對(duì)流量的大小進(jìn)行控制。

2.3 智能控制系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，結(jié)合了水槽流體的特性，在軸向方向上中點(diǎn)兩側(cè)各500mm處安放了兩個(gè)水溫探頭，以確定兩者溫差＞2℃時(shí)啟動(dòng)溫差循環(huán)。溫差循環(huán)主要在升溫過程中開啟或在等待時(shí)開啟，檢測(cè)過程中循環(huán)泵始終開啟。測(cè)試位置在水槽軸向中心點(diǎn)附近，為精確測(cè)量及計(jì)算溫階，在該位置設(shè)置一個(gè)計(jì)量用的溫度探頭，實(shí)時(shí)測(cè)試采集測(cè)試部位的溫度數(shù)據(jù)。循環(huán)管路上設(shè)計(jì)了電磁閥，電磁閥應(yīng)具有反饋信號(hào)功能，與流量計(jì)配合控制循環(huán)流量的大小。

溫度探頭采用的是K型熱電偶，熱電偶輸出的毫伏級(jí)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成4mA～20mA DC信號(hào)傳送至主控制器。

光電傳感器是利用紅外線發(fā)射及接受原理，將反射回來的紅外線通過感光元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電路信號(hào)，經(jīng)放大器放大后傳送至主控制器。

氣動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制主要是通過控制氣動(dòng)閥來實(shí)現(xiàn)的，通過氣動(dòng)閥的開關(guān)來控制氣缸的前進(jìn)及回退，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

在水溫較低的情況下，控制器啟動(dòng)電加熱以及循環(huán)泵，將水加熱到設(shè)定溫度后，控制器主動(dòng)切斷電加熱電源。

主控器與云端、移動(dòng)端、PC端可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，以便遠(yuǎn)程控制和瀏覽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)過程。主控器與云端數(shù)據(jù)交互主要通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)，與移動(dòng)端和PC端可以通過WIFI、藍(lán)牙等短距無線通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

主控器集合了控制器、顯示器、存儲(chǔ)器、處理器等器件，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵啟動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)處理數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成報(bào)告與存儲(chǔ)、自動(dòng)結(jié)束試驗(yàn)等功能，便于離線運(yùn)行。

3 理論計(jì)算

3.1 流量計(jì)算

探測(cè)器組件外徑尺寸為7.0mm，為節(jié)約成本又保證產(chǎn)品的適用性，設(shè)計(jì)水槽有效截面尺寸為10cm×8cm。根據(jù)如下公式可計(jì)算得出，體積流量為0.008m3/s，小時(shí)流量為28.8m3/h。

3.2 保溫層厚度計(jì)算

水槽內(nèi)外表面均采用1.5mm厚300系不銹鋼板材，兩板中間采用玻璃棉絕熱。為便于使用，水槽的外表面溫度應(yīng)＜40℃，防止操作人員意外燙傷。因水槽板材比較薄，認(rèn)為板材內(nèi)外兩側(cè)溫度一致，所以溫降主要通過保溫層來實(shí)現(xiàn)。水槽內(nèi)側(cè)溫度t0=75℃，水槽外側(cè)環(huán)境溫度t1=20℃。保溫層內(nèi)部主要通過熱傳導(dǎo)將熱量排出，玻璃棉導(dǎo)熱系數(shù)為：0.043W/（㎡·K），保溫層外部主要通過對(duì)流換熱的方式將熱量散失到大氣中[2]。

對(duì)流換熱主要遵從的牛頓冷卻方程：

熱傳導(dǎo)主要遵從傅里葉定律：

計(jì)算得，保溫層厚度應(yīng)＞5mm；將保溫層設(shè)計(jì)為20mm，能滿足使用及加工要求。

4 有限元分析

為驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效性，對(duì)設(shè)備的關(guān)鍵部分水槽的保溫和流體狀態(tài)進(jìn)行了必要的有限元分析。

4.1 保溫效果分析

在水槽的軸向方向上，因水溫呈下降分布態(tài)勢(shì)，在充分發(fā)展端水流較為平穩(wěn)，可認(rèn)為是均勻傳熱條件，因此認(rèn)為水槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流符合均勻壁溫傳熱條件，水在75℃條件下導(dǎo)熱系數(shù)λ水為66.8×10-2W/（㎡·k）～67.4×10-2W/（㎡·k）。則在高度方向上，水與不銹鋼水槽的對(duì)流換熱系數(shù)為20W/（㎡·k）。

保溫層的有限元分析軟件選用ANSYSY 14.0，為便于計(jì)算，采用Steady-state Thermal穩(wěn)態(tài)傳熱分析[3]模塊分析保溫層隔熱效果。分析條件設(shè)置為環(huán)境溫度20℃，環(huán)境條件為大氣條件，水溫75℃，水與不銹鋼對(duì)流換熱系數(shù)h水=20W/（㎡·k）；計(jì)算得出，空氣與不銹鋼的對(duì)流換熱系數(shù)為h空=14.88 W/（㎡·k）；保溫層采用玻璃棉，導(dǎo)熱系數(shù)為λ保=0.043W/（㎡·k）。

圖1 水槽截面溫度分析圖Fig.1 Sink cross-sectional temperature analysis figure

因?yàn)楸貙觾蓚?cè)的不銹鋼板厚度1.5mm，溫降較小，因此保溫層分析時(shí)忽略不銹鋼板的熱阻，僅對(duì)保溫層厚度進(jìn)行分析。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，保溫層外部插入了膨脹層，膜層厚度設(shè)置為1.5mm。因?yàn)椴讳P鋼表面的傳熱方式為膜態(tài)傳熱，設(shè)置膨脹層的主要作用是模擬水或空氣與不銹鋼板對(duì)流換熱產(chǎn)生的黏滯阻力，分析結(jié)果如圖1所示。保溫層內(nèi)部溫度約為70.3℃，整個(gè)截面方向上傳熱規(guī)律一致，棱角處傳熱效率和溫度都較低。外表面溫度最高處約為27℃，溫升僅為7℃遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)溫度40℃。因此，保溫層為20mm厚時(shí)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 流體力學(xué)分析

流體力學(xué)分析的主要目的是掌握水在水槽長(zhǎng)度方向上的流動(dòng)狀態(tài)，為確定測(cè)試區(qū)域提供可靠依據(jù)。

為保證探測(cè)器組件在熱響應(yīng)分析時(shí)，被測(cè)部位處于充分發(fā)展段，采用ansys Fluid Flow（FLUNT）功能模塊[4]進(jìn)行分析，選用了κ-ε標(biāo)準(zhǔn)方程。邊界條件設(shè)置如下：理論流量8L/s，分析模式采用基于壓力模式，入口直徑20mm，入口壓強(qiáng)為0.1MPa；出口直徑25mm，出口壓強(qiáng)設(shè)置為0Pa。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格方法，劃分質(zhì)量要求高質(zhì)量；流體與水槽接觸邊界插入0.5mm膨脹層，數(shù)據(jù)迭代500次，以保證數(shù)據(jù)收斂。

分析結(jié)構(gòu)如圖2所示，水流在剛開始階段，出口處流速?gòu)?m/s迅速增大，然后隨著水流逐漸趨于平緩，而流速逐漸趨于平穩(wěn)。出口流速，在200次迭代以后，流速趨于穩(wěn)定，表示分析結(jié)果是收斂的，數(shù)據(jù)有效。

如圖3所示，在水槽軸向方向上分3段（0m～0.5m、0.5m～1.5m、1.5m～2m），在三段上觀察水流流速分布情況。在水槽的入口處，由于水流剛進(jìn)入，流速較快產(chǎn)生了明顯的湍流，在受到前方水流的阻力后充分混合，到達(dá)0.5m處時(shí)，水流流速基本平穩(wěn)。如圖4所示，0.5m～1.5m段，水流較為平穩(wěn)，流速充分發(fā)展。水槽末端1.5m～2m段，出口處因?yàn)橥ǖ雷冋俣扔兴黾?，其余相?duì)緩和。

因此，水槽有效流道結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)能夠滿足要求。

5 驗(yàn)證情況介紹

為了更好地制造出性能優(yōu)良的測(cè)試設(shè)備，針對(duì)該設(shè)備的關(guān)鍵功能制作了驗(yàn)證樣機(jī)，用以驗(yàn)證設(shè)備是否滿足使用要求。

驗(yàn)證了無保溫和無循環(huán)熱響應(yīng)測(cè)試設(shè)備與有保溫和有循環(huán)功能的熱響應(yīng)測(cè)試水槽的使用效果。選2支同樣結(jié)構(gòu)的K型熱電偶，間隔1min測(cè)試4組數(shù)據(jù)見表1。

從表1可知，有保溫和有循環(huán)功能的測(cè)試設(shè)備的測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性更好，結(jié)果置信水平更高。

6 結(jié)論

NB/T20069-2012《核電廠安全重要儀表通道性能監(jiān)督試驗(yàn)》附錄D部分的表述，堆芯溫度測(cè)量探測(cè)器熱響應(yīng)采用浸入式方法測(cè)量是較為合適的。因此，在選用測(cè)試方法時(shí)參照了NB/T 20375-2016熱響應(yīng)測(cè)試方法二的要求。

?

通過理論計(jì)算及有限元分析，所設(shè)計(jì)的水槽能夠滿足NB/T 20375-2016熱響應(yīng)測(cè)試方法二的要求。