恒壓法安全殼泄漏率測量技術(shù)的開發(fā)與可行性研究

李建發(fā), 陳廣恒, 張瑞, 劉豐, 初煒鈺, 孟兆明

(1.中國核電工程有限公司, 北京 100840; 2.哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001; 3.哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江省核動力裝置性能與設(shè)備重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150001)

核電廠安全殼是核安全的最后一道物理屏障,無論外層安全殼還是內(nèi)層安全殼,在設(shè)計壓力下不得超過規(guī)范要求最大允許泄漏率,如我國自主研發(fā)的“華龍一號”內(nèi)層安全殼泄漏率最大允許值為在0.42 MPa時不超過0.164% wt/d,外層安全殼泄漏率最大允許值為在-300 Pa時不超過25% wt/d[1-4]。安全殼整體密封性試驗是在設(shè)計壓力工況下檢驗安全殼泄漏水平的唯一手段。

安全殼泄漏率測量技術(shù)的可行性驗證需要與原型相似的試驗平臺,研究難度較大。周文權(quán)[5]曾調(diào)研國外核電廠安全殼泄漏率測量技術(shù)應(yīng)用,總結(jié)出國外的泄漏率測量均為絕對壓力衰減法。國內(nèi)雖有M310、VVER、EPR、“華龍一號”等多種核電堆型,但安全殼泄漏率測量技術(shù)卻非常單一[6-11]。褚英杰[12]曾分析對比了美標、法標的絕對壓力衰減法的原理,通過測量殼內(nèi)實時溫度、實時濕度和實時壓力計算殼內(nèi)各時刻干空氣質(zhì)量,而后將各質(zhì)量點通過最小二乘法線性回歸,所得斜率作為安全殼泄漏質(zhì)量流量。侍今奇[7]提及與恒壓法相似的恒流法,但僅限于概念介紹。

目前,國內(nèi)外研究均采用壓力衰減法開展泄漏率的測量,該方法在測量泄漏率的過程中,若壓力變化具有顯著的非線性特征,采用壓降法對殼內(nèi)質(zhì)量進行線性回歸分析,將導(dǎo)致測量值偏差較大。因此,有必要開展更加穩(wěn)定泄漏率測量方法的研究與可行性論證。本文通過理論分析開發(fā)了恒壓法安全殼泄漏率測量技術(shù),并通過大型安全殼模擬體進行了測量方案的可行性驗證。

1 恒壓法測量原理與計算模型

1.1 恒壓測量原理

圖1展示了核電廠安全殼泄漏的主要來源。圖中所述泄漏均是工程中真實存在且由殼內(nèi)流向殼外,稱為“顯性泄漏”。然而,通過試驗系統(tǒng)測量得到的安全殼泄漏率,還包含了由于溫度、濕度等因素變化帶來的干擾量,這些雖不是實際存在的泄漏,但是會對泄漏率的測量結(jié)果產(chǎn)生影響,稱為“隱性泄漏”。

圖1 核電廠安全殼泄漏率的來源Fig.1 Source of leakage rate of containment in nuclear power plant

本文提出的恒壓法安全殼泄漏率測量技術(shù),保持安全殼內(nèi)始終為設(shè)計壓力,并充分考慮了試驗過程中顯性泄漏和可預(yù)見的隱性泄漏。恒壓法安全殼泄漏率測量技術(shù)的工作原理如圖2所示。

圖2 恒壓法安全殼泄漏率測量原理示意Fig.2 Schematic diagram of containment leakage rate measurement principle by constant pressure method

在恒壓法測量試驗期間,保持殼內(nèi)壓力始終圍繞目標壓力以微小幅度波動,流入與流出達到動態(tài)平衡。

為補償由殼內(nèi)溫度、濕度變化帶來的隱性泄漏,在安全殼內(nèi)布置m個溫度傳感器和k個濕度傳感器,測量殼內(nèi)溫度、濕度分布,用于補償溫度、濕度變化引起殼內(nèi)氣體體積變化對泄漏率的影響。最終可得到殼內(nèi)混合空氣的體積變化率,再結(jié)合殼內(nèi)空氣與水蒸氣組分計算質(zhì)量變化率。

1.2 恒壓補償計算模型

本文提出了“多溫度分區(qū)-多濕度分區(qū)-連續(xù)采集”的恒壓補償計算模型,表達式為：

LS,N∑∑=LC,N∑∑+LB,N∑∑+ΔL

(1)

式中：LC,N∑∑為基礎(chǔ)泄漏體積流率,由補氣回路流量計直接測讀;LB,N∑∑為補償泄漏體積流率,由于殼內(nèi)環(huán)境變化的補償,包含溫度補償和濕度補償;ΔL為體積流率測量不確定度,由多次取樣計算均值產(chǎn)生的95%置信水平區(qū)間半徑。

(2)

(3)

(4)

式中：n為時段數(shù);Qi為補充流量計的實時流量;m為濕度分區(qū)的數(shù)量;i為ti時刻;j為第j溫度分區(qū)或第j濕度分區(qū);k為溫度分區(qū)的數(shù)量;Hji為第j濕度分區(qū)在ti時刻的相對濕度;Hji-1為第j濕度分區(qū)在ti-1時刻的相對濕度;PHji為第j濕度分區(qū)在ti時刻的飽和水蒸氣分壓;PHji-1為第j濕度分區(qū)在ti-1時刻的飽和水蒸氣分壓;VHj為第j濕度分區(qū)占安全殼的自由容積的百分比;V0為安全殼的自由容積;Pi為殼內(nèi)壓力;PN為標準工況環(huán)境下的壓力;Δt為ti-1至ti時刻的時間長度,TN為標準工況環(huán)境下的溫度;THji-1為第j濕度分區(qū)在ti-1時刻的絕對溫度;THji為第j濕度分區(qū)在ti時刻的絕對溫度;Tji為第j溫度分區(qū)在ti時刻的絕對溫度;Tji-1為第j溫度分區(qū)在ti-1時刻的絕對溫度;VTj為第j溫度分區(qū)占安全殼的自由容積的百分比;LS,N∑i為各時段的安全殼泄漏體積流率。

恒壓法安全殼泄漏質(zhì)量流率計算模型為：

(5)

1.3 恒壓控制方案

本文以內(nèi)層安全殼正壓環(huán)境下的泄漏率測量為例,在不改變安全殼邊界的工況條件下,重復(fù)3次測量安全殼模擬體泄漏率,驗證恒壓法測量技術(shù)的可行性和穩(wěn)定性。殼內(nèi)恒壓控制邏輯如圖3所示,在目標壓力附近設(shè)置上限閾值、下限閾值形成緩沖區(qū),緩沖區(qū)外為調(diào)節(jié)區(qū)。

圖3 恒壓法殼內(nèi)壓力控制邏輯Fig.3 Control logic of shell pressure by constant pressure method

殼內(nèi)壓力位于緩沖區(qū)內(nèi)時,保持補氣流量;殼內(nèi)壓力位于緩沖區(qū)外時,調(diào)節(jié)補氣流量。調(diào)節(jié)區(qū)劃分4個象限,將按照當(dāng)前殼內(nèi)壓力所處象限控制充氣流量,位于第1、2象限時,調(diào)小補氣流量,位于第3、4象限時,調(diào)大補氣流量,使殼內(nèi)壓力快速回到緩沖區(qū)。

2 恒壓法測量泄漏率的可行性驗證

2.1 恒壓法測量技術(shù)驗證平臺

恒壓法的可行性驗證基于鋼制安全殼泄漏率模擬試驗平臺,總高19.8 m,直徑8.5 m,容積約1 010 m3。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4。在安全殼模擬體外,左側(cè)充氣回路用于殼內(nèi)快速升壓至試驗壓力;流量補充回路可通過PLC控制閥門開度以調(diào)節(jié)充氣流量,用于實現(xiàn)保持殼內(nèi)恒壓控制;右側(cè)為參考泄漏率引入回路,可通過調(diào)節(jié)閥、流量計組合控制引入已知的疊加泄漏率,用于驗證系統(tǒng)可靠性。在上述流量補充回路和參考泄漏率引入回路上均裝有量程為0～3 m3/h、精度為±0.5%的高精密流量計,用于監(jiān)測流入或流出的空氣流量。在殼外布置量程為0～690 kPa、精度為±0.01%的高精密絕壓計,通過引壓管監(jiān)測殼內(nèi)壓力。在安全殼模擬體內(nèi),劃分7層共28個溫度分區(qū),布置A級的溫度傳感器監(jiān)測各分區(qū)溫度;劃分4層共10個濕度分區(qū),布置精度為±1%的濕度傳感器監(jiān)測各分區(qū)濕度。

圖4 恒壓法安全殼泄漏率測量系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of containment leakage rate measurement system by constant pressure method

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 內(nèi)層安全殼正壓環(huán)境下的測量結(jié)果

恒壓法可實現(xiàn)在殼內(nèi)溫度、濕度持續(xù)變化的環(huán)境下補償流量的實時計算。在3次重復(fù)性試驗過程中,溫度補償流量和溫度變化之間的相關(guān)性如圖5。濕度補償流量和溫度補償流量的相關(guān)性如圖6。由圖5可以看出,溫度補償流量大小與殼內(nèi)氣體溫度的變化率呈正相關(guān),溫度曲線的切線斜率越大,溫度補償流量波動越劇烈。并且殼內(nèi)氣體升溫會引起補償流量增大,溫降則導(dǎo)致補償量減小。由圖6可以看出,濕度補償流量曲線與溫度補償流量曲線趨勢一致。安全殼內(nèi)濕度變化導(dǎo)致的水蒸氣分壓變化受到安全殼內(nèi)濕度、溫度的影響,但水蒸氣分壓在殼內(nèi)總壓中的占比極低,因此濕度補償流量極低,不足溫度補償流量的10%。

圖5 3次重復(fù)試驗溫度變化及溫度補償流量關(guān)系Fig.5 Relationship between temperature change and temperature compensation flow rate in three repeated tests

殼內(nèi)壓力、補充回路流量、泄漏流量的變化規(guī)律示于圖7。由壓力曲線可以看出,殼內(nèi)壓力(絕對壓力)始終圍繞533.63 kPa上下波動,壓力波動幅度為±0.07 kPa。這說明恒壓法可以很好地補償殼體泄漏和溫濕度變化導(dǎo)致的壓力衰減。當(dāng)殼內(nèi)壓力長時間維持穩(wěn)定,最終泄漏流量的測量值可確定為基礎(chǔ)流量、溫度補償流量、濕度補償流量之和,其中基礎(chǔ)泄漏流量決定著累計泄漏率曲線的總體變化趨勢。當(dāng)實驗滿足一定時間,累計泄漏率逐漸趨于穩(wěn)定,即為最終的泄漏率測量值。3次重復(fù)性實驗結(jié)果表明,泄漏率測量值具有較好的一致性。

圖7 3次重復(fù)試驗壓力、基礎(chǔ)泄漏流量、累計泄漏率曲線Fig.7 Pressure, base leakage flow rate, cumulative leakage rate in three repeated tests

隨著安全殼模擬體內(nèi)氣體的持續(xù)泄漏,補充回路的流入體積呈近似線性上升的趨勢,說明恒壓法的流量控制可基本維持恒定的補充流量。在泄漏率測量過程中,補充回路的流入體積、溫度補償體積、濕度補償體積在總補償體積中的占比示于圖8和表1?？梢?由于水蒸氣分壓在總壓中的占比極低,隨著試驗時間的加長,濕度補償體積接近1%,其對安全殼泄漏率的影響極小;由于試驗對象為鋼制的安全殼模擬體,其外壁熱阻較小,因此,環(huán)境溫度會對殼內(nèi)平均溫度造成較大影響,進而影響恒壓補償模型的溫度補償量。根據(jù)3組試驗數(shù)據(jù),溫度補償?shù)目傮w積占比最大約為20%。這說明溫度變化是影響泄漏率測量的關(guān)鍵因素,有必要在實際的工程應(yīng)用中充分考慮。

表1 3次重復(fù)試驗泄漏率數(shù)據(jù)Table 1 Three replicates of the test leakage rate data m3/h

圖8 3次重復(fù)試驗補充流入體積、溫度補償體積、濕度補償體積關(guān)系曲線Fig.8 Supplementary inflow volume, temperature compensated volume, humidity compensated volume in three repeated tests

根據(jù)表1可知,3次重復(fù)試驗中泄漏率測量值的最大相對偏差為-3.07%,遠低于標準中要求的閾值邊界(20%)[13]。這說明本文采用恒壓法測量安全殼泄漏率具有良好的復(fù)現(xiàn)性與穩(wěn)定性。

2.2.2 外層安全殼微負壓環(huán)境下的測量結(jié)果

在模擬外層安全殼泄漏率測量的微負壓環(huán)境下,恒壓法試驗數(shù)據(jù)見圖9。壓力曲線中,殼內(nèi)壓力始終圍繞-301 Pa上下波動,波動幅度為±4 Pa。這說明在微負壓環(huán)境下,恒壓法仍然具有較好的適用性,可以很穩(wěn)定地控制殼內(nèi)壓力。測量結(jié)果表現(xiàn)出與正壓環(huán)境相同的變化規(guī)律,且隨著試驗時間的加長,補充流入體積持續(xù)增加。試驗結(jié)果表明,在本試驗環(huán)境下,溫度補償體積占總補償體積的20%以上,這說明在微負壓環(huán)境下,殼內(nèi)溫度變化對恒壓法的流量補充和泄漏率測量值仍存在明顯影響。

圖9 微負壓環(huán)境下恒壓法測量曲線Fig.9 Measurement curves of constant pressure method in micro-negative pressure environment

3 結(jié)論

1)自主開發(fā)的恒壓法測量系統(tǒng)可維持安全殼內(nèi)壓力恒定,結(jié)合安全殼內(nèi)各時刻各分區(qū)溫度、濕度、壓力的變化對安全殼內(nèi)氣體體積的影響,可確定穩(wěn)定的安全殼泄漏率。其中溫度和濕度補償體積分別占總補充體積的20%和1%。

2)在外層安全殼的微負壓環(huán)境下,恒壓補償模型仍可確定穩(wěn)定的泄漏率測量值,溫度補償體積占總補充體積百分比高于20%。

3)相比壓力衰減法,恒壓法考慮了溫度、濕度變化不均對體積泄漏率的影響,并按分區(qū)計算補償。另外試驗期間殼內(nèi)壓力與泄漏率穩(wěn)定,適用范圍更廣,不受泄漏大小的制約。研究結(jié)論可為恒壓法的工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。