安全殼泄漏率在機組啟動階段的超限分析及處理

劉躍鋒，劉祖倫，楊 峰，王 晉，曹迎鋒，張劍輝

（中核控制系統工程有限公司，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，劉祖倫，楊 峰，王 晉，曹迎鋒，張劍輝

（中核控制系統工程有限公司，北京 100176）

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

安全殼泄漏率；EPP系統；泄漏率分析；臨界

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

1 系統結構及原理

1．1 系統結構

以典型的M310雙機組為例，安全殼泄漏率監測系統一般布置在電氣廠房，每個機組擁有一個獨立的控制系統柜及一個公用的端子柜。系統在安全殼內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據計算和分析［1］（見圖1）。

圖1 系統結構圖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、俄三種標準，三種計算方法都是基于理想氣體狀態方程的延伸運算，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范，其基本原理為，根據理想氣體狀態方程PNVN＝mrTN，可知氣體標準體積為：

由于r，TN，PN都是常數，所以標準體積反映的就是氣體的質量。因而安全殼的泄漏率Q1可表示為

其中，VNS表示干空氣的標準體積，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。而根據平均溫度Tavg和平均相對濕度Havg可計算出當前濕度下，水蒸氣分壓Pv：

其中由IFC關系式給定PVsat（Tavg）＝βk（Θ）×PC：

其中Θ＝Tavg／TC，k1～k9、TC、PC都為常數，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）中的干空氣標準體積VNS進行濕度修正。限于篇幅關系，本文不再對計算過程做詳細介紹。

2 臨界前后階段的報警

一般情況下，監測系統在安全殼完全封閉后啟動，反應堆亦在數日后經過升溫升壓達到臨界狀態。由于系統更新泄漏率計算值為每日零點，報警往往出發時間也為午夜。按照國內各機組的 《運行規范》中所述，安全殼泄漏率監測系統應在機組啟動前開啟監控，此后當任意時刻出現 “泄漏率高”的報警時，操作員需根據泄漏率超出限值的程度，按不同的步序在不同的時間內將機組由功率運行向冷停堆等模式后撤。然而此時查詢監測系統歷史數據往往無明顯異常值，這一現象對操作員會產生困擾和擔憂，也較難向監測站、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，若在特定時期內使用同一算法都會產生報警，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環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，機組經歷RCP系統升溫—穩壓器建立氣腔—RRA隔離—升溫至熱停堆—臨界及熱備用—二回路主蒸汽暖管—汽輪機沖轉并網等一系列階段后達到穩態運行的狀態。而在此期間，安全殼內的環境會保持持續性的變化直至穩態運行。

圖2為國內某機組首次啟動過程中殼內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℃，由此可見殼內設備的運轉對環境有著絕對的影響。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，故十余個殼內溫濕度測量儀表的測點選取，是結合環境監測的最優測點法及最優分布法，以及對安全殼三維空間布置、各個設備環境影響因子、總體權重等因素綜合分析后而得出的選擇結果。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空間的體積值，VL＝50 637m3為安全殼的自由容積。在穩態運行期間，不同參數的氣體充分對流，熱量充分交換。根據空氣梯度性的分布原則，氣體溫度在局部范圍內的任意方向上都呈線性狀態，故將安全殼內的空間分割為網絡矩陣，運用A－Star算法尋求每個矩陣單元到達測量儀表的最優路徑，并通過對多個最優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重Vi［3］。但上述關于測點的考量基準都是建立在機組穩態運行的基礎之上的，而在機組啟動期間，RRA系統、冷卻劑系統等諸多機組設備是處于與穩態運行階段相異的運行狀況的，故各系統及設備階段性的投運和停止，對其周圍環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，縱向環境梯度分布不顯著，與穩態期間的大氣環境有著明顯不同 （見圖3）。在這種環境下，針對充分流通交換、梯度分布顯著的穩態階段空氣環境所訂制的各測量點權重分配配比，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，加強了安全殼內地面積水、地坑等自由液面的蒸發作用，等同于向殼內大氣中加注了飽和水蒸氣，所以實質上殼內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、氣體總質量不變的物理性質，因而對安全殼的氣體質量變化，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，仍會進行穹頂環吊或其他類別的人員作業。環吊的移動必然會使得安裝在穹頂的測量儀表與監測計算系統離線 （目前國內EPP系統安全殼頂部測量儀表的安裝位置，普遍都是在環吊吊臂及穹頂上，通過設立在環吊檢修通道及環吊上的兩個轉接箱實現跨接，環吊在進行移動作業時需拆卸跨接電纜，參考圖1），而安全殼人員閘門的開閉，則會使殼內空氣壓力跟隨殼內外壓差而產生明顯的跌漲，破壞整體大氣結構的封閉性。因此在機組啟動階段，上述系統工藝流程、環境差異、人員操作等因素都使得測量值的代表性及置信度與設計初衷產生偏離，進而影響最終計算結果。

3．2 系統及算法因素

圖3 某機組啟動期間殼內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。根據公式 （1）可知，殼內空氣的標準體積變化率，實際上就是殼內氣體總質量變化率，因安全殼泄漏率可通過殼內空氣的標準體積率來表示。通過每半小時計算一次濕空氣標準體積的變化ΔVH，利用一天得到的48個ΔVH坐標點，進行線性回歸后得到當天的濕空氣標準體積變化曲線，曲線的斜率即為當天的日泄漏率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曲線與穩態期間有著明顯的差異。

圖4 某機組穩態下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下的標準泄漏率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據量為5對自變量及因變量數據點，暨當日的安全殼內外壓差平均值ΔP及泄漏率Qld，日?？倲祿勘３譃?0對。這類算法的弊端在于，機組運行規范要求泄漏率監測系統應于電站啟動前投運，且系統在機組啟動的前幾日內都不會產生標準泄漏率值，當日數據采集量累計達到要求時才會觸發對Ql60的計算［4］，而計算初次泄漏率所使用的數據，恰恰是安全殼內環境最不穩定的升溫升壓階段的數值。由于算法采用對過往20天的數據進行擬合計算，其在初始階段又沒有足夠的數據能夠作為對當日所更新的壓力－泄漏率數據點進行有效性的判定，故機組在啟動階段的測量數據，將毫無篩選地進入計算數據組直至20日后被剔除。

根據表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日數據點為最后一個異常點。根據表中數據得到31日至7日的擬合直線A，其斜率為α＝0．43，根據公式Ql60＝60·α可知當前標準泄漏率為26．1Nm3／h，嚴重超限。而機組繼續運行數日到11日時，擬合直線B的斜率為α＝0．14，對應標準泄漏率為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據點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，得到關于11月1日至11日的數據擬合直線C并計算，其標準泄漏率為僅為0．12Nm3／h。也就是說，盡管啟動后期殼內環境已穩定，但若等待最后一個異常數據點被自動剔除出計算范疇，距離監測系統投運則已過去近一個月，并且在此期間該數據點會對計算結果產生持續性的影響，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環境差異性問題及其對算法結果的干擾，是結合了多個機組的實際數據、實際工況、真實事件等資料信息，結合現場運維人員、設計人員等多方的討論分析而得出結論。早前曾整合資料向設計院提出變更機組運行規范中對于安全殼泄漏率投運時間的要求，雖然機組殼內環境在啟動期間的不穩定性和泄漏率誤發高報等現象和解釋得到了設計院的認可，但由于不能提供有力的依據，去明確EPP系統具體可以推遲投運的天數，以及界定機組及安全殼內大氣是否已處于穩定的狀態，故不能修改運行規范，因而后續機組在啟動期只能維持原有的投運及啟動監控時間。

對于在啟動階段的機組而言，由于泄漏率監測系統從測量儀表的空間布置到算法的設計基準，都是以穩態為出發點的，至今并沒有很權威的辦法能夠克服或避開上述問題。一般的處理方式，都是根據經驗法，在安全殼封閉4天后，殼內平均溫度到達30℃或以上 （冬季為27℃）、10個溫度點梯度分布明顯、濕空氣標準體積變化率ΔVH的變化幅度在100Nm3以內時，參考3．2節的內容，重啟安全殼泄漏率監測系統，以此盡快剔除啟動初期不穩定值，以免其影響后續計算。而在此之前及后續的作業中，亦可以通過人為計算的方式，根據現場工藝工況，對日數據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，暴露的設備影響了環境溫度，工作人員的進出影響了殼內外氣壓差，而20日EBA系統停運，又造成了殼內溫度的下降，故人為剔除上述兩日的數據點后手動計算泄漏率，其結果符合標準，具體計算數據及計算過程不再做過多描述。

表2 某機組啟動階段日數據點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生泄漏率超限報警時，并不必馬上按照規程進行后撤，冷靜應對并分析各系統工況，只要前期打壓試驗結果正常，機組運轉正常，可暫時擱置報警，多注意觀察殼內壓力溫度及各子系統的狀態和變化，若數日后殼內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、環境梯度分布異常時，再進行全面的排查和針對性處理。

5 結束語

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，需要在未來設計出一套單獨的計算方法，在并殼內安置一些服務于新算法的專屬測量點，或是擬定一種能夠界定殼內大氣所處狀態為啟動階段或穩定階段的判別方法，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等相關系統做好充分的排查，才是防范實際泄漏率超標的關鍵，也能夠為度過泄漏率監測 “不準確期”及機組后續穩態運行提供有力的保障和幫助。

［1］核工業第二研究設計院 ．秦山第二核電廠安全殼監測系統 （EPP）手冊 ［R］．北京：核工業第二研究設計院，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重分配方法研究 ［J］．核動力工程，2015，36（6）：101－104．

［4］ 核 工 業 第 二 研 究 設 計 院 ．Reactor containment leak tightness in－service monitoring system specification［R］．北京：核工業第二研究設計院，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－hui
（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，現主要從事核電DCS系統設計工作 （E－mail：liuyuefeng＠cncs．bj．cn）。

（責任編輯：白佳）