安全殼泄漏率在機組啟動階段的超限分析及處理

劉躍鋒，劉祖?zhèn)?，?峰，王 晉，曹迎鋒，張劍輝

（中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）

安全殼泄漏率在機組啟動階段的超限分析及處理

劉躍鋒，劉祖?zhèn)?，?峰，王 晉，曹迎鋒，張劍輝

（中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176）

簡要介紹了安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)。針對多個機組在首次向功率運行的啟動過程中，都出現(xiàn)了泄漏率高、不確定度高、DCS安全報警被觸發(fā)等現(xiàn)象，但經(jīng)實際排查后卻未能發(fā)現(xiàn)泄漏途徑的情況，通過對各機組臨界期間采集數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)的算法，對上述現(xiàn)象進行了分析研究，提出了在啟動階段泄漏率的計算并不準(zhǔn)確，以及在此期間的處理建議。

安全殼泄漏率；EPP系統(tǒng)；泄漏率分析；臨界

在機組運行階段，泄漏率監(jiān)測系統(tǒng)能夠進行實時的泄漏率監(jiān)測，并在監(jiān)測值達到運行限值時發(fā)出報警，提示操作員采取必要措施。然而國內(nèi)多個機組在 “升溫升壓—臨界—功率運行”的階段，都出現(xiàn)了安全殼泄漏率超限并觸發(fā)DCS報警，但經(jīng)過實地檢測密封件隔離閥等設(shè)備皆無異常泄漏，且泄漏率在數(shù)周后又會自動恢復(fù)正常水平的情況。本文結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)及工藝流程，從泄漏率算法原理、算法適用性等方面，對這一現(xiàn)象進行了分析和研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以典型的M310雙機組為例，安全殼泄漏率監(jiān)測系統(tǒng)一般布置在電氣廠房，每個機組擁有一個獨立的控制系統(tǒng)柜及一個公用的端子柜。系統(tǒng)在安全殼內(nèi)10個不同的高度布置有10臺溫度傳感器；在2個不同的高度上分別布置有2臺濕度傳感器；在2個高度上布置有2臺壓力傳感器，以及殼外一臺測量大氣壓力的壓力傳感器。傳感器通過現(xiàn)場儀表箱－－安全殼貫穿件－－端子柜，將信號送至控制柜的IO板卡及控制器中進行數(shù)據(jù)計算和分析［1］（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 System architecture

1．2 算法原理

目前國際上比較普遍的計算方法有美、法、俄三種標(biāo)準(zhǔn)，三種計算方法都是基于理想氣體狀態(tài)方程的延伸運算，只是具體的計算公式以及對泄漏率的定義有所不同［2］。我國建立的安全殼密封性試驗規(guī)范，其基本原理為，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PNVN＝mrTN，可知氣體標(biāo)準(zhǔn)體積為：

由于r，TN，PN都是常數(shù)，所以標(biāo)準(zhǔn)體積反映的就是氣體的質(zhì)量。因而安全殼的泄漏率Q1可表示為

其中，VNS表示干空氣的標(biāo)準(zhǔn)體積，Qsar為壓空母管流量。由于實際的泄漏不可能完全是干空氣，故將安全殼內(nèi)的氣體看成是由空氣和水蒸氣兩種理想氣體組成的混合氣體，由道爾頓氣體分壓原理有：Pcon＝Ps＋Pv，其中Ps、Pv表示干空氣和飽和水蒸氣分別單獨充滿安全殼時形成的分壓。而根據(jù)平均溫度Tavg和平均相對濕度Havg可計算出當(dāng)前濕度下，水蒸氣分壓Pv：

其中由IFC關(guān)系式給定PVsat（Tavg）＝βk（Θ）×PC：

其中Θ＝Tavg／TC，k1～k9、TC、PC都為常數(shù)，故通過式 （3）和式 （4），可對PV進行實際求解，并通過一系列計算，對式 （2）中的干空氣標(biāo)準(zhǔn)體積VNS進行濕度修正。限于篇幅關(guān)系，本文不再對計算過程做詳細(xì)介紹。

2 臨界前后階段的報警

一般情況下，監(jiān)測系統(tǒng)在安全殼完全封閉后啟動，反應(yīng)堆亦在數(shù)日后經(jīng)過升溫升壓達到臨界狀態(tài)。由于系統(tǒng)更新泄漏率計算值為每日零點，報警往往出發(fā)時間也為午夜。按照國內(nèi)各機組的 《運行規(guī)范》中所述，安全殼泄漏率監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)在機組啟動前開啟監(jiān)控，此后當(dāng)任意時刻出現(xiàn) “泄漏率高”的報警時，操作員需根據(jù)泄漏率超出限值的程度，按不同的步序在不同的時間內(nèi)將機組由功率運行向冷停堆等模式后撤。然而此時查詢監(jiān)測系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)往往無明顯異常值，這一現(xiàn)象對操作員會產(chǎn)生困擾和擔(dān)憂，也較難向監(jiān)測站、安全局等部門做出泄漏率高的合理解釋。

3 報警分析

不同的機組，若在特定時期內(nèi)使用同一算法都會產(chǎn)生報警，那么很可能報警本身并不是實際狀況的反饋，因此本文從臨界期間的殼內(nèi)環(huán)境以及算法原理等方面，對泄漏率高值成因進行分析。

3．1 溫度場濕度場的差異性

在電廠啟動的整個流程中，機組經(jīng)歷RCP系統(tǒng)升溫—穩(wěn)壓器建立氣腔—RRA隔離—升溫至熱停堆—臨界及熱備用—二回路主蒸汽暖管—汽輪機沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)等一系列階段后達到穩(wěn)態(tài)運行的狀態(tài)。而在此期間，安全殼內(nèi)的環(huán)境會保持持續(xù)性的變化直至穩(wěn)態(tài)運行。

圖2為國內(nèi)某機組首次啟動過程中殼內(nèi)溫濕度變化的趨勢圖?？梢钥闯?，在臨界前期，伴隨著一回路的升溫，殼內(nèi)平均溫度有著明顯的提升，從安全殼封閉期間的21．1℃升至臨界期間的33．7℃，由此可見殼內(nèi)設(shè)備的運轉(zhuǎn)對環(huán)境有著絕對的影響。由于安全殼容積將近50 000m3，其溫度和濕度的測量不能以個別測點值或多個測點的無差異均值為準(zhǔn)，故十余個殼內(nèi)溫濕度測量儀表的測點選取，是結(jié)合環(huán)境監(jiān)測的最優(yōu)測點法及最優(yōu)分布法，以及對安全殼三維空間布置、各個設(shè)備環(huán)境影響因子、總體權(quán)重等因素綜合分析后而得出的選擇結(jié)果。在安全殼泄漏率的計算中，定義安全殼平均溫度和平均濕度為：

圖2 某機組首次投運階段殼內(nèi)溫濕度變化趨勢Fig．2 Trends of temperature and humidity in the containment during the initial activation of the unit

其中，Vi為每個傳感器賦予它所能反映的安全殼內(nèi)空間的體積值，VL＝50 637m3為安全殼的自由容積。在穩(wěn)態(tài)運行期間，不同參數(shù)的氣體充分對流，熱量充分交換。根據(jù)空氣梯度性的分布原則，氣體溫度在局部范圍內(nèi)的任意方向上都呈線性狀態(tài)，故將安全殼內(nèi)的空間分割為網(wǎng)絡(luò)矩陣，運用A－Star算法尋求每個矩陣單元到達測量儀表的最優(yōu)路徑，并通過對多個最優(yōu)路徑的比較確定單個矩陣單元的儀表隸屬，從而得到每個測量點的體積權(quán)重Vi［3］。但上述關(guān)于測點的考量基準(zhǔn)都是建立在機組穩(wěn)態(tài)運行的基礎(chǔ)之上的，而在機組啟動期間，RRA系統(tǒng)、冷卻劑系統(tǒng)等諸多機組設(shè)備是處于與穩(wěn)態(tài)運行階段相異的運行狀況的，故各系統(tǒng)及設(shè)備階段性的投運和停止，對其周圍環(huán)境溫度會造成的階段性的影響。況且安全殼處于封閉初期，氣體交換不充分，縱向環(huán)境梯度分布不顯著，與穩(wěn)態(tài)期間的大氣環(huán)境有著明顯不同 （見圖3）。在這種環(huán)境下，針對充分流通交換、梯度分布顯著的穩(wěn)態(tài)階段空氣環(huán)境所訂制的各測量點權(quán)重分配配比，并不能很好地適用于。同時，由于溫度的上升，殼內(nèi)空氣的飽和水汽壓上升，雖然相對濕度有所下降，但由于溫度的大幅提升，增大了液體的分子平均動能，加強了安全殼內(nèi)地面積水、地坑等自由液面的蒸發(fā)作用，等同于向殼內(nèi)大氣中加注了飽和水蒸氣，所以實質(zhì)上殼內(nèi)的絕對濕度是增加的。額外注入的水蒸氣改變了安全殼作為一個封閉空間、氣體總質(zhì)量不變的物理性質(zhì)，因而對安全殼的氣體質(zhì)量變化，暨安全殼的泄漏率計算有著直接的影響。

此外，個別機組在安全殼封閉、電廠啟動流程開始后，仍會進行穹頂環(huán)吊或其他類別的人員作業(yè)。環(huán)吊的移動必然會使得安裝在穹頂?shù)臏y量儀表與監(jiān)測計算系統(tǒng)離線 （目前國內(nèi)EPP系統(tǒng)安全殼頂部測量儀表的安裝位置，普遍都是在環(huán)吊吊臂及穹頂上，通過設(shè)立在環(huán)吊檢修通道及環(huán)吊上的兩個轉(zhuǎn)接箱實現(xiàn)跨接，環(huán)吊在進行移動作業(yè)時需拆卸跨接電纜，參考圖1），而安全殼人員閘門的開閉，則會使殼內(nèi)空氣壓力跟隨殼內(nèi)外壓差而產(chǎn)生明顯的跌漲，破壞整體大氣結(jié)構(gòu)的封閉性。因此在機組啟動階段，上述系統(tǒng)工藝流程、環(huán)境差異、人員操作等因素都使得測量值的代表性及置信度與設(shè)計初衷產(chǎn)生偏離，進而影響最終計算結(jié)果。

3．2 系統(tǒng)及算法因素

圖3 某機組啟動期間殼內(nèi)各溫度測點的梯度分布變化圖Fig．3 Gradient distribution of the containment temperature during the start－up period of the Unit

在泄漏率的計算中，多次使用了一元線性回歸分析和最小二乘法。根據(jù)公式 （1）可知，殼內(nèi)空氣的標(biāo)準(zhǔn)體積變化率，實際上就是殼內(nèi)氣體總質(zhì)量變化率，因安全殼泄漏率可通過殼內(nèi)空氣的標(biāo)準(zhǔn)體積率來表示。通過每半小時計算一次濕空氣標(biāo)準(zhǔn)體積的變化ΔVH，利用一天得到的48個ΔVH坐標(biāo)點，進行線性回歸后得到當(dāng)天的濕空氣標(biāo)準(zhǔn)體積變化曲線，曲線的斜率即為當(dāng)天的日泄漏率Qld。對比圖4、圖5中的日ΔVH曲線，我們可以明顯看出機組啟動階段的ΔVH曲線與穩(wěn)態(tài)期間有著明顯的差異。

圖4 某機組穩(wěn)態(tài)下ΔVH單日擬合曲線Fig．4 Daily variation ratio fitting curve of humid air during the stabilization period

圖5 某機組啟動階段ΔVH單日擬合曲線Fig．5 Daily variation ratio fitting curve of humid air during the start－up period

在通過日泄漏率Qld計算60hPa下的標(biāo)準(zhǔn)泄漏率Ql60時，目前各大機組也普遍采用上述最小二乘法進行擬合直線求解，定義進行擬合的最小數(shù)據(jù)量為5對自變量及因變量數(shù)據(jù)點，暨當(dāng)日的安全殼內(nèi)外壓差平均值ΔP及泄漏率Qld，日?？倲?shù)據(jù)量保持為20對。這類算法的弊端在于，機組運行規(guī)范要求泄漏率監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)于電站啟動前投運，且系統(tǒng)在機組啟動的前幾日內(nèi)都不會產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)泄漏率值，當(dāng)日數(shù)據(jù)采集量累計達到要求時才會觸發(fā)對Ql60的計算［4］，而計算初次泄漏率所使用的數(shù)據(jù)，恰恰是安全殼內(nèi)環(huán)境最不穩(wěn)定的升溫升壓階段的數(shù)值。由于算法采用對過往20天的數(shù)據(jù)進行擬合計算，其在初始階段又沒有足夠的數(shù)據(jù)能夠作為對當(dāng)日所更新的壓力－泄漏率數(shù)據(jù)點進行有效性的判定，故機組在啟動階段的測量數(shù)據(jù)，將毫無篩選地進入計算數(shù)據(jù)組直至20日后被剔除。

根據(jù)表1及圖6所示，某機組于10月中下旬啟動，10月31日至11月11日為一個完整的ETY排放周期，其中10月31日數(shù)據(jù)點為最后一個異常點。根據(jù)表中數(shù)據(jù)得到31日至7日的擬合直線A，其斜率為α＝0．43，根據(jù)公式Ql60＝60·α可知當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)泄漏率為26．1Nm3／h，嚴(yán)重超限。而機組繼續(xù)運行數(shù)日到11日時，擬合直線B的斜率為α＝0．14，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)泄漏率為8．4Nm3／h，介于第一第二泄漏率高報警之間。

表1 某機組啟動階段后期日數(shù)據(jù)點Table 1 Averagedifferential pressure and leakage of the containment nearing the stabilization period

圖6 某機組啟動階段后期日泄漏率擬合曲線Fig．6 Fitting curve of daily leakage rate Nearing the stabilization period

但若直接剔除10月31日的異常點后，得到關(guān)于11月1日至11日的數(shù)據(jù)擬合直線C并計算，其標(biāo)準(zhǔn)泄漏率為僅為0．12Nm3／h。也就是說，盡管啟動后期殼內(nèi)環(huán)境已穩(wěn)定，但若等待最后一個異常數(shù)據(jù)點被自動剔除出計算范疇，距離監(jiān)測系統(tǒng)投運則已過去近一個月，并且在此期間該數(shù)據(jù)點會對計算結(jié)果產(chǎn)生持續(xù)性的影響，干擾人員對真實狀況的判斷。

4 處理方案

前文中所提及的不同階段殼內(nèi)環(huán)境差異性問題及其對算法結(jié)果的干擾，是結(jié)合了多個機組的實際數(shù)據(jù)、實際工況、真實事件等資料信息，結(jié)合現(xiàn)場運維人員、設(shè)計人員等多方的討論分析而得出結(jié)論。早前曾整合資料向設(shè)計院提出變更機組運行規(guī)范中對于安全殼泄漏率投運時間的要求，雖然機組殼內(nèi)環(huán)境在啟動期間的不穩(wěn)定性和泄漏率誤發(fā)高報等現(xiàn)象和解釋得到了設(shè)計院的認(rèn)可，但由于不能提供有力的依據(jù)，去明確EPP系統(tǒng)具體可以推遲投運的天數(shù)，以及界定機組及安全殼內(nèi)大氣是否已處于穩(wěn)定的狀態(tài)，故不能修改運行規(guī)范，因而后續(xù)機組在啟動期只能維持原有的投運及啟動監(jiān)控時間。

對于在啟動階段的機組而言，由于泄漏率監(jiān)測系統(tǒng)從測量儀表的空間布置到算法的設(shè)計基準(zhǔn)，都是以穩(wěn)態(tài)為出發(fā)點的，至今并沒有很權(quán)威的辦法能夠克服或避開上述問題。一般的處理方式，都是根據(jù)經(jīng)驗法，在安全殼封閉4天后，殼內(nèi)平均溫度到達30℃或以上 （冬季為27℃）、10個溫度點梯度分布明顯、濕空氣標(biāo)準(zhǔn)體積變化率ΔVH的變化幅度在100Nm3以內(nèi)時，參考3．2節(jié)的內(nèi)容，重啟安全殼泄漏率監(jiān)測系統(tǒng)，以此盡快剔除啟動初期不穩(wěn)定值，以免其影響后續(xù)計算。而在此之前及后續(xù)的作業(yè)中，亦可以通過人為計算的方式，根據(jù)現(xiàn)場工藝工況，對日數(shù)據(jù)點進行篩選并手動計算。例如在表2中，原22日的泄漏率計算值大于5 Nm3／h的報警限值，但由于18日對TUY保溫層進行了拆除，暴露的設(shè)備影響了環(huán)境溫度，工作人員的進出影響了殼內(nèi)外氣壓差，而20日EBA系統(tǒng)停運，又造成了殼內(nèi)溫度的下降，故人為剔除上述兩日的數(shù)據(jù)點后手動計算泄漏率，其結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)，具體計算數(shù)據(jù)及計算過程不再做過多描述。

表2 某機組啟動階段日數(shù)據(jù)點Table 2 Average differential pressure and leakage of the containment during the startup period

總之，在機組啟動臨界期間發(fā)生泄漏率超限報警時，并不必馬上按照規(guī)程進行后撤，冷靜應(yīng)對并分析各系統(tǒng)工況，只要前期打壓試驗結(jié)果正常，機組運轉(zhuǎn)正常，可暫時擱置報警，多注意觀察殼內(nèi)壓力溫度及各子系統(tǒng)的狀態(tài)和變化，若數(shù)日后殼內(nèi)壓力提升緩慢或到達某極限不再上升，溫度值與同行電站存在明顯偏差、環(huán)境梯度分布異常時，再進行全面的排查和針對性處理。

5 結(jié)束語

對于安全殼泄漏率在機組啟動期間與實際值存在偏差的問題處理方法，需要在未來設(shè)計出一套單獨的計算方法，在并殼內(nèi)安置一些服務(wù)于新算法的專屬測量點，或是擬定一種能夠界定殼內(nèi)大氣所處狀態(tài)為啟動階段或穩(wěn)定階段的判別方法，才能徹底解決此類超限報警的困擾。但無論如何，作為安全殼密封性、機組運行安全性的重要指標(biāo)之一，安全殼泄漏率的超限報警在任何時刻都不可小視，在安全殼封閉前期，對隔離閥、密封件、SAR壓空母管流量計以及EBA、ETY等相關(guān)系統(tǒng)做好充分的排查，才是防范實際泄漏率超標(biāo)的關(guān)鍵，也能夠為度過泄漏率監(jiān)測 “不準(zhǔn)確期”及機組后續(xù)穩(wěn)態(tài)運行提供有力的保障和幫助。

［1］核工業(yè)第二研究設(shè)計院 ．秦山第二核電廠安全殼監(jiān)測系統(tǒng) （EPP）手冊 ［R］．北京：核工業(yè)第二研究設(shè)計院，2000．

［2］褚英杰，歐陽欽 ．安全殼整體泄露率計算方法的比較分析 ［J］．核動力工程，2010，31 （6）：34－37．

［3］何銳，賈武同，趙健 ．安全殼泄漏率測量儀表體積權(quán)重分配方法研究 ［J］．核動力工程，2015，36（6）：101－104．

［4］ 核 工 業(yè) 第 二 研 究 設(shè) 計 院 ．Reactor containment leak tightness in－service monitoring system specification［R］．北京：核工業(yè)第二研究設(shè)計院，2002．

Analysis and Processing Methods of the Containment Leak Rate Alarm during the Startup Period of the NPP

LIU Yue－feng，LIU Zu－lun，YANG Feng，WANG Jin，CAO YinG－feng，ZHANG Jian－h(huán)ui
（China Nuclear Control System Engineering Co．，Ltd．，CNNC，Beijing 100176，China）

The online monitoring system of containment leak rate（EPP）of nuclear power plant is introduced briefly in this paper．The monitoring system provides real－time information of the containment leak rate．During the startup period，multiple units detected high containment leak rate，high uncertainty，and leak rate alarm triggered，but eventually found no leakage spots or any leakage possibilities．This paper analyzes the data which collected during those periods，and by combined the data with real－time conditions and algorithm which being used，it proposed a conclusion that the containment leak rates during these periods are not accurate．The processing methods are also provided．

containment leak rate；EPP monitoring system；leak rate analysis；criticality

TM623 Article character：A Article ID：1674－1617 （2017）03－0399－06

TM623

A

1674－1617 （2017）03－0399－06

10．12058／zghd．2017．03．399

2017－04－02

劉躍鋒 （1978—），男，河北保定人，工程師，現(xiàn)主要從事核電DCS系統(tǒng)設(shè)計工作 （E－mail：liuyuefeng＠cncs．bj．cn）。

（責(zé)任編輯：白佳）