[发明专利]基于薄板样条函数插值的核电站堆芯温度场软测量方法

说明书

技术领域

本发明属于热工测量技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明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(Thin Plate Spline)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，本发明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(Thin Plate Splines，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Q_ij、堆芯的轴向功率Q_k和每个节块的功率Q_ijk；

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Q_ij＝c_ij·w_ij·ρ_ij·ΔT_ij，计算出冷却剂在各通道的流量w_ij；式中,ΔT_ij是各通道冷却剂进、出口温度差，Q_ij是堆芯径向功率，c_ij是各通道冷却剂的比热容，ρ_ij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Q_ijk和步骤三所得到的各个通道的冷却剂流量值w_ij，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Q_ijk＝c_ijk·w_ij·ρ_ijk·ΔT_ijk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，c_ijk为每个节块冷却剂的比热容，w_ij为每个冷却剂通道的流量，ρ_ijk为每个节块冷却剂的密度，ΔT_ijk为每个节块冷却剂的进出口温差。