核電站安全殼密封性試驗系統(tǒng)搭建

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

核電機組安全殼是鋼筋混凝土結構，由圓柱體圍墻和半球形穹頂組成。用于包容壓水反應堆堆芯以及堆芯冷卻系統(tǒng)，是壓水堆核電機組的第三道安全屏障，能夠抵御因反應堆主回路系統(tǒng)管道或蒸汽管道破裂引起的壓力和溫度負載，防止放射性物質向外界環(huán)境擴散。

因安全殼對輻射和核安全的重要性，其必須滿足以下功能：

1)在機組正常運行工況下，提供實體隔離，限制放射性物質釋出；

2)在核事故發(fā)生后，控制殼內放射性釋放量，提供生物屏蔽；

3)為反應堆系統(tǒng)提供對龍卷風、洪水等外部災害的防護。

安全殼整體密封性的好壞，直接決定壓水堆核電機組安全屏障是否完整。安全殼泄漏主要由混凝土氣孔/裂縫、機械/電氣貫穿件泄漏引起，M310改進型機組安全殼密封性試驗是驗證安全殼在反應堆失水事故(LOCA)壓力(表壓0.42 MPa)下的泄漏率是否達標。定期進行安全殼密封性試驗，是保障核安全的重要手段[1]。

目前國內核電機組安全殼密封性試驗，需要多方協(xié)同，缺乏完整的系統(tǒng)實現方案。現有技術手段單一、數據采集可靠性不足、不同堆型的擴展性較差是目前存在的主要問題。本文針對當前國內技術現狀，以田灣核電站5、6號機組為藍本，考慮工程運用特點，提出了一種基于傳統(tǒng)泄漏率算法模型的系統(tǒng)搭建方案，通過硬件冗余、軟件算法優(yōu)化、接口擴展、異常數據處理等手段，增強了安全殼密封性試驗系統(tǒng)的運行可靠性及通用性，并通過工程實踐驗證。

1 安全殼泄漏率計算

M310改進型機組安全殼泄漏率采用絕對法測量，以《壓水堆核電站核島土建設計和建造規(guī)則(RCC-G-900-86)》第三章，安全殼的密封性和強度試驗及《Containment System Leakage Testing Requirements(ANSI/ANS-56.8-2002)》為標準，測定在設計表壓力0.42 MPa下安全殼內干空氣質量的變化，泄漏率指單位時間干空氣質量的相對變化，用%24 h表示[2,3]。試驗在安全殼升降壓過程中(從大氣壓升至表壓0.42 MPa再降至大氣壓)進行，如圖1所示。

圖1 安全殼試驗升降壓流程Fig.1 Pressure rise and fall process of containment test

安全殼內干空氣質量依據理想氣體方程(1)計算：

(1)

式中：M——安全殼內干氣體總質量；

P——安全殼內氣體總絕對壓力；

Pv——殼內平均水蒸氣分壓力；

V——安全殼自由容積49 400 m3；

T——安全殼內氣體加權溫度；

R——干空氣氣體常數287.11 kg·J/K。

因安全殼內包括多個間隔，各房間內溫度、濕度不均勻，為求解泄漏率，需在各房間分別設置傳感器，并將測量值進行加權平均，計算出殼內平均溫度和平均水蒸氣分壓。在密封性試驗期間，用不同時刻讀數值分別計算空氣質量，然后用最小二乘法擬合安全殼內“空氣質量—時間”曲線，曲線斜率即表示安全殼整體泄漏率。

1.1 平均壓力計算

第i個采樣周期平均壓力：

(2)

式中：Pij——第j個壓力傳感器第i組數據；

Vj——分配給第j個壓力傳感器的容積；

m——壓力傳感器個數。

1.2 平均溫度計算

(3)

式中：Tij——第j個溫度傳感器第i組數據；

Vj——分配給第j個溫度傳感器的容積；

m——溫度傳感器個數。

1.3 平均水蒸氣分壓計算

利用Antoine(安托萬)方程，轉化相對濕度和水蒸氣分壓。

(4)

計算第i個采樣周期的平均水蒸氣分壓：

(5)

式中:Pvij——第j個濕度傳感器的第i組水蒸氣分壓；

Hij——第j個濕度傳感器測得的第i組相對濕度；

Tij——第j個濕度傳感器測得的第i組溫度；

Pvi——第i組水蒸氣分壓；

Vj——分配給第j個溫濕度傳感器的容積；

k——溫濕度傳感器個數。

1.4 泄漏率計算

由式(1)～式(5)，可計算出各時刻干空氣質量，并利用最小二乘法進行擬合，得出干空氣質量與測量時間的線型方程：

(6)

ti——測量時間；

A——擬合斜率，代表安全殼整體泄漏率；

B——擬合截距，代表測量初始時刻干空氣總質量。

系數A、B計算如下：

(7)

(8)

估算的安全殼整體泄漏率Fm(%/24 h)如下：

Fm=-2 400×A/B

(9)

2 試驗數據采集系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件設計

為進行安全殼整體泄漏率試驗，需采集殼內若干不同區(qū)域的溫度、濕度、壓力值。本文根據某型1 000 MW壓水堆核電機組安全殼內構筑物設計，及各房間傳感器體積分配系數，搭建了一套試驗數據采集系統(tǒng)，用以采集需要的殼內溫度、濕度、壓力參數，并計算安全殼泄漏率。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)組成Fig.2 Test system composition

表1 系統(tǒng)硬件配置

考慮數據采集的可靠性，配置主、從兩套完全冗余的試驗系統(tǒng)，分別由兩路UPS不間斷電源供電。每套系統(tǒng)由就地儀表、采集器、采集計算機、分析計算機構成。采集器循環(huán)采集就地溫濕度儀表測量值，并將測量值送采集計算機處理，采集計算機將每個時刻的溫度、濕度、壓力測量值成組寫入分析計算機，由分析計算機根據算法編程計算泄漏率。

兩套采集系統(tǒng)共用殼內溫度、濕度傳感器，傳感器電纜經電氣貫穿件連接至殼外端子機柜，溫度儀表采用四線制解法，由采集系統(tǒng)供電，濕度儀表由24 V開關電源供電。對每個測點，在接線端子上引出兩路電纜分別接入主、從采集器的多路切換卡，分時采集儀表輸出，測量數據通過LabVIEW串口字符串數組寫入采集計算機，以此實現兩套上層共用一套就地儀表。

兩套采集系統(tǒng)各配備2個獨立絕壓采集回路，傳感器布置在控制室，取壓口設置在殼內，管線經貫穿件引至控制室，Paroscientific高精度壓力變送器由RS485接口直連到采集計算機，通過專用串口通訊協(xié)議實時讀取殼內壓力值。大氣壓力傳感器的采集方式與絕壓相同。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

數據采集軟件運行于主、從采集計算機，采用LabVIEW圖形化語言編程，作為信號采集管控中樞及操作人機交互接口，具有系統(tǒng)設置、數據采集、數據處理、數據顯示與數據存儲等功能。軟件分時采集的溫度、濕度模擬信號，實時采集的絕壓、大氣壓通訊信號，將顯示在人機界面上，并存儲、傳送至分析計算機。采集軟件按照“數據采集—數據分析—數據顯示—數據存儲”的流程設計，如圖3所示。

圖3 采集軟件流程圖Fig.3 Flow chart of acquisition software

數據采集軟件主要具有以下功能：

1)儀器儀表的通訊自檢功能；

2)試驗時間設置功能：按照預設的時間開始采集；

3)物理量的數據處理與轉換功能：對采集到的電信號進行數據處理；

4)溫濕度與壓力的顯示、升降壓速率計算與顯示；

5)各采集物理量的數據存儲和數據通訊功能；

6)儀器通訊狀態(tài)指示，溫度、濕度數據異常報警等系統(tǒng)診斷功能；

7)以設定的采樣周期采集數據，并實時傳送至數據分析軟件；

8)采集物理量的預設功能：設置采集通道板卡與傳感器數量。

LabVIEW開發(fā)的運行主界面集成了多重信息顯示，包括測量數據、滾動波形、狀態(tài)信息、報警信息等，界面如圖4所示。

考慮系統(tǒng)的通用性和可擴展性，主從采集器各配置6張采集板卡，每卡40通道，可任意配置溫度、濕度采集通道，配置信息保存在自定義“setup.ini”文件中，程序運行時，會自動讀取“setup.ini”文件，將各通道的定義轉換為字符串數組加載，配置程序如圖5所示。采用配置文件調用的形式，即提升硬件冗余度，又提供足夠軟接口可供擴展。

圖4 軟件前面板主界面Fig.4 Main interface of software front panel

圖5 通道配置信息調用Fig.5 Channel configuration information call

數據采集開始前，需通過軟件配置采集器的信號通道、開始時間、采集周期。因殼內各傳感器體積系數不同，信號通道的配置關乎計算結果，應根據設計輸入對應配置。因主、從兩套采集系統(tǒng)分時采集，開始時間及采集周期的配置關系到傳感器工作狀態(tài)，開始時刻應間隔足夠長(設2.5 min)，采樣周期應一致(設5 min)，避免兩套采集系統(tǒng)同時對就地傳感器供電，系統(tǒng)運行前，應準確設置系統(tǒng)時間或與GPS時鐘對時。

采集計算機通過以太網卡與采集器連接，軟件自動搜索接口VISA資源，通過設置IP地址與采集器通訊。與Paroscientific絕壓變送器及MENSOR大氣壓變送器均采用RS232串口連接，通過設置COM端口信息與變送器通訊。

采集開始后，34921A采集卡快速切換信號通道，34920采集器中的高精度萬用表分別測量59個溫度及9個濕度通道數據，并將數據通過LAN局域網傳至數據采集計算機，輸入LabVIEW字符串數組處理。在每個采集周期內，采集器連續(xù)掃描3次選中的濕度信號通道，采集到3組電壓信號，然后進行數據處理，將處理后的濕度值顯示并保存。每個濕度測點的顯示范圍為0%～100%RH，保留2位有效數字。軟件實現如圖6所示。溫度信號通道也是每個周期掃描3次，采集的信號為四線熱電阻，每個溫度測點的顯示范圍為-20～100 ℃，保留2位有效數字，單個溫度大于50 ℃，或相鄰溫度測點溫度差大于3 ℃時，畫面狀態(tài)欄將顯示報警圖標。

圖6 濕度采集編程Fig.6 Humidity acquisition programming

絕壓表和大氣壓力表采用串口通訊，程序實現需調用LabVIEW算法庫的VISA資源，自動打開并掃描計算機串口，向串口寫入協(xié)議指令，并讀取串口數據，將處理后的數據進行顯示及保存，編程如圖7所示。為避免數據沖突或無效數據，需設置合適的等待時間，時間可通過串口助手調試獲取。當采集系統(tǒng)的兩塊絕壓表其中之一發(fā)生故障導致數據采集中斷時，系統(tǒng)自動將故障測點剔除，使用正常測點數據替代，即絕壓1=絕壓2，此時畫面狀態(tài)欄將顯示報警圖標。

采集計算機采集到每個時刻的溫度、濕度、殼內絕壓、大氣壓數據，需傳至分析計算機計算泄漏率。實現方式是在采集計算機中建立EXCEL數據文件，將各時刻的采集數據按坐標寫入數據表格，編程如圖8所示。分析計算機通過LAN局域網訪問采集計算機EXCEL文件存儲地址，調取數據進行離線分析計算。

圖7 串口通訊編程Fig.7 Serial communication programming

圖8 數據存儲編程Fig.8 Data storage programming

在本工程軟件編程中，廣泛使用LabVIEW字符串函數組。通過“字符串與數字轉換”“字符串合并” “字符串截取” “字符串匹配”等函數，在編程中實現數據傳輸、數據正確性判定、數據格式調整、參數識別、動靜態(tài)數據連接等功能，解決了參數讀寫、接口通訊中的數據處理問題。

LabVIEW中所有數據類型都可以完全轉換為字符串，不同程序段間以字符串的形式傳遞數據，可不必考慮傳輸方與接收方間數據類型匹配問題。采用該編程方案，可有效提升系統(tǒng)的可擴展性。

3 試驗數據處理

數據分析計算機定時從數據采集計算機中讀取EXCEL表格，根據坐標解析測量數據，并通過泄漏率算法調用，分析計算。分析周期與數據采集周期一致(5 min)，每次數據測量結束后進行一次分析計算。隨安全殼密封性試驗，在整個安全殼升降壓過程(從大氣壓升至表壓0.42 MPa再降至大氣壓)，每隔5 min自動取值分析計算，并實時顯示。

根據核電站設計安全準則，在發(fā)生反應堆失水事故(基準LOCA)后24 h內，安全殼泄漏率不得超過安全殼內氣體總質量的0.3%。轉化為試驗狀態(tài)下，24 h內安全殼泄漏率不得超過安全殼內氣體總質量的0.160%，即：Fm+ΔFm≤0.160%安全殼內氣體總質量/24 h。其中，Fm為試驗期間測得的泄漏率,ΔFm為試驗期間泄漏率Fm的測量不確定度。

3.1 異常數據剔除

試驗過程中，可能因測量儀器錯誤或者數據采集儀器錯誤而產生異常數據，應在計算中移除。針對各時刻質量點，計算標準差：

(10)

(11)

(12)

(13)

式中:wi——殘差;

si——標準差;

n——數據序列總數，取95%置信度，定義：

(14)

CR(5%)=1.512 704+0.165 416n-0.000 609n2+0.000 001 7n3-2.385 636n0.5+2.954 755ln(n)(n≥6)

(15)

若D≥CR(5%)，則判定第i組為異常數據，剔除異常數據后再次擬合干空氣質量函數，以正確求解泄漏率數據[4]。

3.2 參數穩(wěn)定判斷

安全殼升壓通過空壓機送風實現，降壓通過泄壓閥實現，安全殼內大氣穩(wěn)定意味著安全殼內干空氣質量狀態(tài)穩(wěn)定。因此，整體泄漏率的計算應在空氣狀態(tài)穩(wěn)定后進行，穩(wěn)定時間最少應為4 h。試驗時安全殼內大氣是否穩(wěn)定的判據，是以下兩點[4]：

1)L1h必須大于或者等于0，并且小于La，即：0≤L1h

2)L2h和L1h差的絕對值必須小于或等于0.25La，即：|L2h-L1h|≤0.25La

式中,L1h——最后一個小時計算泄漏率的估算；L2h——最后兩個小時計算泄漏率的估算；La——密封性試驗的最大允許泄漏率，La=0.160%安全殼內氣體總質量/24 h。估算方式如下：

(L1horL2h)

(16)

只有以上兩條準則同時滿足，計算泄漏率才有意義，否則計算結果不能完全體現真實泄漏率。因此，在正式結果計算前，應先做參數有效性判定。

4 結 論

通過系統(tǒng)軟硬件設計、數據處理方法優(yōu)化，據本文開發(fā)的核電站安全殼密封性試驗系統(tǒng)，通過實際工程驗證，具有功能完善、系統(tǒng)運行可靠、數據采集穩(wěn)定、泄漏率計算準確性高等特點。達到國內先進水平，且試驗平臺具有較強的可擴展性，可推廣運用到不同堆型核電機組的安全殼密封性試驗中。該試驗系統(tǒng)的成功開發(fā)，使中國核電首次具備自主進行安全殼整體密封性試驗的能力，具有良好的經濟和社會效益。