基于薄板样条函数插值的核电站堆芯温度场软测量方法技术

本发明专利技术公开了基于薄板样条函数插值的核电站堆芯温度场软测量方法，首先对压水堆堆芯冷却剂出口截面的整个二维温度场分布进行插值重构；再建立堆芯温度计算模型；然后调用冷却剂热力参数，利用换热公式计算得到各冷却剂通道的流量；最后，从冷却剂入口或出口开始，将上一个节块的温度及对应的冷却剂密度和比热带入堆芯温度计算模型，利用迭代法计算下一个节块的温度值，以此类推，最终得到整个堆芯的冷却剂温度分布，实现了对堆芯冷却剂和堆芯燃料组件的三维温度分布的软测量。本发明专利技术能够利用堆芯出口的点温度测量值对计算模型进行自适应修正，减小了数据误差，很好地表征了堆芯内部的温度分布状况。

Soft sensing method for core temperature field of nuclear power station based on thin plate spline interpolation

The invention discloses a soft measurement method of reactor core temperature field of thin plate spline interpolation based on the first nuclear power plant, the reactor outlet core of PWR coolant. The two-dimensional temperature field interpolation reconstruction; then establish the core temperature calculation model of thermodynamic parameters; and then call the coolant, the heat transfer formula of each coolant channel flow; finally, from the beginning of the coolant entrance or exit, the coolant temperature and corresponding density of segment a and into the core than the tropical temperature computation model, using iterative method to calculate the next segment temperature value, and so on, finally get the coolant temperature distribution throughout the core, to achieve three-dimensional the temperature distribution of the soft measurement of the reactor core fuel assembly and reactor. The invention can utilize the point temperature measurement value of the core outlet to adaptively correct the calculation model, thereby reducing data error and well characterizing the temperature distribution in the core.

【技术实现步骤摘要】
基于薄板样条函数插值的核电站堆芯温度场软测量方法
本专利技术属于热工测量
，特别涉及基于薄板样条函数插值的核电站堆芯温度场软测量方法。
技术介绍
世界第一座试验性核电站于1954年6月在前苏联奥布宁斯克建成，它的建成标志着核电时代的到来。在随后的二十年，核电发展逐渐步入高潮，许多先进的工业国家建了一批核电站。核能逐渐成为我国及全世界能源利用的一个重要组成部分。但是随着核能的发展，核电事故的接连发生却给人们带来了巨大的恐慌，核安全问题受到人们的关注。核反应堆堆芯是核电站的要害部位，当堆芯温度超过限值时会发生熔融，造成核泄漏。在任何情况下保证堆芯产生的热量能及时地输出是保证核电站安全的关键。只有堆芯内的燃料元件处于适当的冷却状态，热量被及时带出，才能确保反应堆及核电站的安全。国内外对于温度场重构方法的研究，大多数解决的是炉膛流动介质的温度场重构问题，但炉膛结构和反应堆堆芯结构存在较大差异，并且温度的测量方法不同等因素，这些方法有借鉴之处，但无法直接应用。另外，反应堆堆芯温度测点的位置和数量受到实际条件的限制，只能布置在冷却剂出口处，无法监测堆芯组件的温度，不能全局观测堆芯温度分布，存在监视盲区。薄板样条函数是一种通过空间上所有散点找到一个最小弯曲的光滑曲面的插值方法，可以通过三个空间散点得到平面。因此，如何通过薄板样条函数插值的方法，利用现有的传感器测点数据建立反应堆堆芯温度场软测量模型，实现对堆芯内部任意位置温度值的估计，对保障核电站运行的安全性具有实际意义的。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供基于薄板样条函数插值的核电站堆芯温度场软测量方法，该方法能够以布置在堆芯冷却剂出口的传感器采集到的温度为初始数据，在现有压水堆堆芯功率分布模型的基础上，结合稳态传热热量守恒方程，应用薄板样条函数(ThinPlateSpline)插值法，建立堆芯温度场重构的物理模型和数学模型，最终实现对压水堆堆芯冷却剂和堆芯燃料组件的三维温度分布的软测量结果。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提供基于薄板样条函数插值的核电站堆芯温度场软测量方法，包括以下步骤：步骤一：如图2所示，基于核电站反应堆结构及堆芯冷却剂出口处的温度传感器测点的分布特点建立坐标系(参见图2)，将传感器测点温度作为离散点，采用薄板样条函数(ThinPlateSplines，TPS)插值的方法对测点温度进行数值计算处理，对其他未布置温度传感器的冷却剂出口温度进行估计，初步重构得到堆芯冷却剂出口整个截面的温度场的分布；步骤二：通过反应堆结构及其回路系统中冷却剂的流动方式(参见图3)、热量传输特性和燃料元件的传导特性，建立堆芯温度计算模型和堆芯热传导模型，并计算得到堆芯的径向功率Qij、堆芯的轴向功率Qk和每个节块的功率Qijk；步骤三：根据各通道的冷却剂进/出口温度，取其平均值调用冷却剂热力参数(比热容、密度)，采用换热公式Qij＝cij·wij·ρij·ΔTij，计算出冷却剂在各通道的流量wij；式中,ΔTij是各通道冷却剂进、出口温度差，Qij是堆芯径向功率，cij是各通道冷却剂的比热容，ρij是各通道冷却剂的密度；如图2中，冷却剂的各通道流量即为箭头所指向的冷却剂在压水堆中流动的所有通道流量。步骤四：利用步骤二得到的每个节块的功率Qijk和步骤三所得到的各个通道的冷却剂流量值wij，从入口或出口开始，将上一个节块的温度及对应的冷却剂密度和比热带入换热公式Qijk＝cijk·wij·ρijk·ΔTijk中中计算下一个节块温度的初值，再根据温度初值修正本节块冷却剂的密度和比热容，从而得到进一步精确的节块温度，如此反复迭代逼近直至下个节块的温度满足精度要求。以此类推，最终得到整个堆芯的冷却剂温度分布；式中，cijk为每个节块冷却剂的比热容，wij为每个冷却剂通道的流量，ρijk为每个节块冷却剂的密度，ΔTijk为每个节块冷却剂的进出口温差。步骤五：将步骤四所得到的核电站堆芯冷却剂的三维温度带入步骤二中的堆芯传导模型中，计算得到堆芯燃料组件各部分的三维温度分布。进一步的，步骤一中采用薄板样条函数插值的方法对测点温度进行数值计算处理的具体方法如下：基于核电站反应堆结构及堆芯冷却剂出口处的温度传感器的分布特点建立坐标系(参见图2)。其中传感器分布坐标的原点为堆芯流量所有通道的中心通道；具体参照图2所示，堆芯里对称布置着很多燃料组件，这些组建彼此之间都有通道，所有通道的最中心极为原点，根据原点建立x轴和y轴。核电站冷却剂出口测量得到的n个温度场离散点数据为xi,yi,zi，其中i＝1，2…n，x、y为传感器分布坐标，z为对应坐标的温度。薄板样条函数插值得到的所需要重构的堆芯冷却剂出口截面的二维温度分布函数表示为：式中，wi为权值，U为TPS核函数，其表达式表示为：U(d)＝d2log(d)；式中，di＝(x-xi)2+(y-yi)2。函数表达式中的各个系数wi、a1、a2、a3由方程组z(xi,yi)＝zi(i＝1…30)，计算得出；之后可以根据任意坐标位置的x，y值按照函数表达式计算出对应的出口温度z的值。进一步的，步骤二中的堆芯温度计算模型由以下几个部分组成：A.堆芯通道模型：堆芯内冷却剂的横向流动较纵向流动小得多，可以不考虑通道间的质量、动量和能量交换，将堆芯内冷却剂的流动通道看作是单通道模型；B.堆芯节块划分(参见图4)：使模型变为有限元；径向划分时，1个节块对应1个燃料组件；轴向平均划分时，尽可能使节块形状接近立方体以保证在各方向采用相同的计算方法，划分为16个节块；C.功率分布模型：根据全堆芯各位置的中子功率预测值得到堆芯归一化的径向功率和轴向功率；每一节块的功率通过下式计算得到：式中Qijk为每个节块的功率，Q为整个堆芯的已知功率，Qij为堆芯的径向功率，Qk为堆芯的轴向功率，g为堆芯的热效率；进一步的，所述步骤二中的堆芯热传导模型(参见图5)由以下几部分组成：A.堆芯燃料元件传热模型：圆柱坐标系下轴向无限大一维热传导模型求解得到4πλrl(T1-T2)＝Q；B.燃料元件与包壳之间间隙的传热模型：(T2-T3)hgA1＝Q；C.包壳管内的传热模型和包壳外表面：圆柱坐标系下无内热源一维热传导模型求解得到D.冷却剂的对流换热模型：视为均匀壁温边界条件的大空间自然对流(T4-Tavg)hfA2＝Q。式中，T1为燃料芯块的中心温度；T2为燃料芯块的边缘温度；λr为燃料芯块的热导率；l为燃料棒的高度；T3为包壳内表面温度；hg为燃料芯块与包壳之间的等效传热系数；A1为芯块外表面传热面积；T4为包壳外表面温度；λc为包壳材料的热导率；rs为包壳的外径；ri为包壳的内径；Tavg为一回路冷却剂平均温度；hf为包壳外表面与冷却剂之间的对流换热系数；A2为包壳外表面传热面积。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术基于计算机信息处理技术进行堆芯温度场重构，全景化地展示堆芯的温度分布，为核反应堆安全运行提供可视化的温度场图像，同时为开发核反应堆燃料元件(或燃料棒)的寿命损耗管理提供科学依据，更进一步地保障了堆芯运行的安全性和经济性。因此，本专利技术在未来核电站的堆芯温度检测和安全运行方面必将具有广泛的应用前景，产生显著的社会效益。且本专利技术还本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于薄板样条函数插值的核电站堆芯温度场软测量方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：基于核电站反应堆结构及堆芯冷却剂出口处的温度传感器的分布特点建立坐标系；将测点温度作为离散点，采用薄板样条函数插值的方法对测点温度进行数值计算处理，对其他未布置温度传感器的冷却剂出口温度进行估计，初步重构得到堆芯冷却剂整个出口整个截面的温度场的分布；步骤二：通过反应堆结构及其回路系统中冷却剂的流动方式、热量传输特性和燃料元件的传导特性，建立堆芯温度计算模型和堆芯热传导模型，并计算得到堆芯的径向功率Q

【技术特征摘要】
1.基于薄板样条函数插值的核电站堆芯温度场软测量方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：基于核电站反应堆结构及堆芯冷却剂出口处的温度传感器的分布特点建立坐标系；将测点温度作为离散点，采用薄板样条函数插值的方法对测点温度进行数值计算处理，对其他未布置温度传感器的冷却剂出口温度进行估计，初步重构得到堆芯冷却剂整个出口整个截面的温度场的分布；步骤二：通过反应堆结构及其回路系统中冷却剂的流动方式、热量传输特性和燃料元件的传导特性，建立堆芯温度计算模型和堆芯热传导模型，并计算得到堆芯的径向功率Qij、堆芯的轴向功率Qk和每个节块的功率Qijk；步骤三：根据各通道的冷却剂进/出口温度，取其平均值调用冷却剂热力参数包括比热容、密度以及温度，采用换热公式Qij＝cij·wij·ρij·ΔTij，计算出冷却剂在各通道的流量wij；式中ΔTij是各通道冷却剂进、出口温度差，Qij是堆芯径向功率，cij是冷却剂的比热容，ρij是冷却剂的密度；冷却剂的各通道流量即为冷却剂在压水堆中流动的所有通道流量；步骤四：利用步骤二得到的每个节块的功率Qijk和步骤三所得到的各个通道的冷却剂流量值wij，从冷却剂入口或出口的温度开始，将上一个节块的温度及对应的冷却剂密度和比热带入换热公式Qijk＝cijk·wij·ρijk·ΔTijk中计算下一个节块温度的初值，再根据温度初值修正本节块冷却剂的密度和比热容，从而得到进一步精确的节块温度，如此反复迭代逼近直至下个节块的温度满足精度要求；以此类推，最终得到整个堆芯的冷却剂温度分布；式中，cijk为每个节块冷却剂的比热容，wij为每个冷却剂通道的流量，ρijk为每个节块冷却剂的密度，ΔTijk为每个节块冷却剂的进出口温差；步骤五：将步骤四所得到的核电站堆芯冷却剂的三维温度带入步骤二中的堆芯传导模型中，计算得到堆芯燃料组件各部分的三维温度分布。2.根据权利要求1所述的基于薄板样条函数插值的核电站堆芯温度场软测量方法，其特征在于：步骤一中采用薄板样条函数插值的方法对测点温度进行数值计算处理的具体方法如下：基于核电站反应堆结构及堆芯冷却剂出口处的温度传感器的分布特点建立坐标系，其中传感器分布坐标的原点为堆芯流量所有通道的中心通道，核电站冷却剂出口测量得到的n个温度场离散点数据为xi,yi,zi，其中i＝1，2…n，x...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱小良，羊冰清，陆彬，姜懿纯，景亚杰，沈维，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32