卡拉奇2號機組安全殼整體性試驗充壓過程研究

馮建闖

(中國中原對外工程有限公司，北京 100044)

“核電廠安全殼系統”是防止核泄漏及外部荷載沖擊的最后一道實體屏障。安全殼的主要功能是包容和屏蔽所可能產生的放射性物質，維護公眾的安全[1]。安全殼整體性試驗是核電廠調試及在役期間的大型專項試驗，采取向安全殼內充入壓縮空氣，模擬核反應堆在失水事故(LOCA) 狀態下的安全殼內狀態。巴基斯坦卡拉奇 2號機組是中國具有自主知識產權三代壓水堆核電技術的海外首堆工程。安全殼密封性試驗由于其特殊性無法與核島其他工作同時開展，是占用核電廠調試關鍵路徑的主線工作，而對主線工作影響最大的即為安全殼升壓速率。為滿足試驗升壓速率的要求，且保證氣源穩定可靠，在機組調試和大修期間大多采用租賃臨時空壓機組進行安全殼打壓。由于卡拉奇2號機組海外項目的特殊情況，本文提出采用核電廠“壓縮空氣生產系統”為安全殼充壓的方案，并對方案的可行性進行分析，驗證其是否滿足安全殼打壓試驗要求，為后續機組安全殼整體性試驗期間的供氣方案提供新的思路。

1 充壓過程和升壓速率現狀分析

安全殼密封性試驗主要分為三個階段，充壓過程中的升壓階段，保壓平臺的試驗階段和泄壓過程中的降壓階段。安全殼整體性試驗是在各個壓力平臺實施，升壓階段和降壓階段原則上不影響安全殼整體性試驗結果。國內核電機組安全殼試驗基本采用國家能源局頒布的《核電廠安全殼密封性試驗》(NB/T 20018—2010 )標準以及《壓水堆核電廠安全殼結構整體性試驗》(NB/T 20017—2010 )的標準執行[2-3]。標準對試驗期間充壓和降壓速率并未給出明確的限制要求，其中《壓水堆核電廠安全殼結構整體性試驗》第5.3節中規定：壓力的加減速率每小時不應大于最高試驗壓力的20%。根據以往的工程經驗，在安全殼整體性試驗中，為避免內部構件吸氣現象，加壓速率通常控制在 12 kPa/h以內。

當前同類核電機組安全殼整體試驗期間升降壓速率仍以工程經驗為標準執行。為了提高試驗效率和經濟性，充壓設備的選擇通常應滿足最大升壓速率的要求。以下對典型核電機組調試期間安全殼打壓關鍵參數進行簡要對比分析[4-6]，如表1所示。

表1 不同堆型參數對比分析Table 1 Comparative analysis of different reactor parameters

通過對典型機組的安全殼試驗充壓過程數據對比分析，不同堆型的安全殼自由容積不同，設計壓力存在差異，但升壓速率通常能達到設計允許的最大值，因而安全殼整體性試驗耗時通常在200～220 h。為了保證最大的升壓速率，多數核電機組都采用了移動式輔助空壓機組的形式進行安全殼打壓。對于安全殼自由容積較小的堆型，核電廠壓縮空氣系統的空壓機組有足夠的也可用于安全殼打壓，如恰希瑪核電廠和方家山核電廠等核電項目。卡拉奇2號機組反應堆廠房采用雙重安全殼設計，內層安全殼自由容積為89 000 m3，安全殼設計壓力為0.42 MPa。考慮安全殼內部構件吸氣現象，升壓速率最大值為15 kPa/h。機組安全殼自由容積相比現有機組設計的明顯增大，采用電廠壓縮空氣系統進行安全殼打壓的方案對試驗進度影響仍需分析論證。

2 充壓過程分析

卡拉奇2號機組安全殼整體性試驗包括將安全殼內的空氣壓力升至設計壓力，即0.42 MPa，測量安全殼總泄漏率的A類試驗。在此期間安全殼內空氣壓力提高到設計壓力的 1.15倍，即 0.483 MPa，進行內層安全殼強度試驗。安全殼整體性試驗的主要充過程為，通過充壓設備將安全殼內壓縮空氣的壓力由常壓(標準大氣壓)充至最高壓力(0.483 MPa)，充壓設備的供氣量直接影響安全殼升壓速率即升壓時間。安全殼整體性試驗的升降壓理論曲線如圖1所示。

圖1 安全殼整體性試驗的升降壓曲線Fig.1 The buck-boost theoretical curve of CTT

2.1 理論計算分析

對于一定自由容積安全殼，充壓設備的供氣量直接影響安全殼的升壓速率與升壓時間，根據理想氣體方程[7]：

PV=MRT

P1V-P2V=M1RT-M2RT=(M1-M2)RT

即：

ΔP=ΔMRT/V

(1)

假定理想狀態下，安全殼內氣體為常溫干燥的壓縮空氣，溫度均勻且恒溫，同時忽略安全殼內設備對體積影響，安全殼充壓所需的壓縮空氣體積流量應為：

Q=ΔM/ρ=ΔPV/RTρ

(2)

安全殼從常壓升至最高壓力時間為：

t=Pmax/ΔP

(3)

式中:V——安全殼內殼自由容積;

R——空氣氣體常數287.0 J/(kg·K);

T——安全殼內平均溫度 293K(20 ℃);

ρ——空氣密度1.205 kg/m3(20 ℃，1個標準大氣壓);

ΔP——安全殼壓力變化量;

Pmax——安全殼最高壓力。

對于卡拉奇2號機組安全殼整體性試驗的充壓過程，若滿足最大的升壓速率15 kPa/h的充壓設備供氣量應為：

Q=ΔPV/RTρ

=13 175 m3/h

安全殼充壓過程的升壓時間應為：

t=Pmax/ΔP= 0.483 MPa/15 kPa/h = 32.2 h

經理論計算可知，滿足安全殼打壓試驗能夠以最大升壓速充壓，安全殼供氣量應大于13 175 m3/h，由此為安全殼打壓空壓機組總供氣容量的選擇提供了理論參考依據。

2.2 壓縮空氣系統供氣方案分析

卡拉奇核電廠是雙堆布置機組，壓縮空氣生產系統(WAP)主要設備包括雙機組公用的主空氣壓縮機組和單機組獨立的應急空氣壓縮機組。其中主空氣壓縮機機型式為水冷無油螺桿式空氣壓縮機，應急空氣壓縮機型式為風冷無油螺桿式空氣壓縮機。空氣壓縮機配有干燥過濾設備，保證氣體達到預期的露點和品質要求。空壓機組及配套設施的關鍵參數如表2所示。

表2 卡拉奇核電廠空氣壓縮機參數表Table 2 The air compressor parameters of Karachi nuclear power plant

卡拉奇2號機組安全殼整體性試驗提出使用BOP空壓機廠房內四臺主空氣壓縮機作為主氣源，并將核島廠房內應急空氣壓縮機作為補充氣源的供氣方案。基于WAP系統的空氣壓縮機的額定排氣量，并考慮配套設施耗氣量，供氣量計算如下：

主空壓機組總排氣量：

Qm=35 Nm3/min×4×60×(1-15%)

=7140 m3/h；

應急空壓機組總排氣量：

Qe=222 Nm3/min×2×60×(1-15%)

=2244 m3/h。

因此WAP系統供氣方案可有以下三種，總供氣量分別為：

1)方案1：采用主空壓機組，無應急空壓機組，有效總排氣量：Q1=7140 Nm3/h；

2)方案2：采用主空壓機組和單機組應急空壓機組，有效總排氣量：

Q2=7140 Nm3/h+2244 m3/h

=9384 Nm3/h；

3)方案3：采用主空壓機組和雙機組應急空壓機組，有效總排氣量：

Q3=7140 Nm3/h+2244 m3/h×2

=11 628 Nm3/h。

將WAP系統三種供氣方案的供氣流量Q1、Q2、Q3考慮系統管網15%損耗后分別代入2.1節中式(2)和式(3)，計算得出各方案對應的安全殼升壓速率和升壓時間，如表3所示。

表3 壓縮空氣系統供氣方案對比Table 3 Comparison of the air supply schemes of the compressed air system

通過表3中不同充壓方案對比可看出：方案一只采用主空壓機組主氣源為安全殼打壓的理論升壓速率僅為6.9 kPa/h，遠小于最高升壓速率，升壓時間將延長37.8 h。安全殼混凝土結構承受壓力的時間延長較多，尤其承受高于設計壓力的時間延長，對安全殼結構有一定的不利影響。因而只采用主空氣壓縮機組的供氣方案在一定程度上不滿足2號機組安全殼充壓要求，不建議采用。將核島應急空壓機組作為備用氣源同時用于2號機組安全殼打壓，可以一定程度提高升壓速率，降低升壓時間，尤其方案三升壓時間將縮短至43.1 h，試驗延長時間僅約為9 h，對試驗進度及安全殼混凝土結構影響較小。

3 供氣方案實施

基于上文分析，卡拉奇2號機組安全殼整體性試驗采用主空氣壓縮機作為主氣源，應急空氣壓縮機作為補充氣源的供氣方案。機組壓縮空氣系統設計中，主空氣壓縮機組可為安全殼打壓的氣源，有正式管線接入充壓管線中；而補充氣源的應急空壓機組無正式管線直接為安全殼充壓，需增設臨時管道將應急空壓機組接入充壓管線上的臨時充壓口。

壓縮空氣系統供氣方案與租用臨時空氣壓縮機組供氣方案的最大區別在于臨時空氣壓縮機組與現場壓縮空氣系統相互獨立，而壓縮空氣系統供氣方案除了滿足安全殼打壓要求的情況下，還需保證機組用氣的需求，如安全廠房、電氣廠房、以及部分BOP廠房重要設備用氣。因此，安全殼充壓過程中最為關鍵的在于控制流量調節閥控制開度。閥門開度過低，影響安全殼升壓速率；閥門開度過大，管網壓力將降低，難以滿足機組系統用氣需求。為此，將壓縮空氣系統管網壓力信號引入就地顯示，通過觀察儀器顯示的壓力來調節閥開度，滿足機組系統運行的最低壓力以上，同時能為安全殼提供最大的供氣流量。安全殼充壓管線設計與充壓過程控制的實施方案，如圖2所示。

圖2 充壓管線改造與充壓過程控制Fig.2 The charging pipeline design and charging process control

4 試驗驗證

卡拉奇2號機組安全殼整體性試驗充壓過程采用2.2節中方案3的供氣方式，試驗期間4臺主空氣壓縮機組和4臺應急空氣壓縮機全部用于安全殼打壓。為了確保壓縮空氣系統運行穩定，7臺空壓機運行一臺備用。試驗過程中，安全殼升壓速率可通過密封性測試系統實時顯示，安全殼泄漏率的測量原理同樣基于理想氣態方程，有溫度、壓力、流量、露點等傳感器，將測得的信號經模數轉換由數據采集器送至工控機做計算處理。系統儀器精度很高，可通過軟件結算計算過可以反映出安全殼升降壓速率的真實值，如圖3所示。測試系統在采樣顯示安全殼升壓速率約為9.5～10.0 kPa，與理論計算值偏差不大。相比于參考電廠福清核電5號機組采用的臨時空氣壓縮機組的供氣方式，卡拉奇2號機組安全殼整體性試驗時間用時220 h，延遲約12 h，在可以接受范圍內。如圖3所示。

圖3 卡拉奇2號機組安全殼升壓速率Fig.3 The air pressure rising rate of the K2 containment

5 結論

1)安全殼整體性試驗是核電廠調試的關鍵工作，通常采用臨時空氣壓縮機組作為試驗期間供氣氣源，供氣氣源的選擇原則上對于安全殼整體性試驗結果無影響。

2)充壓過程中的升壓速率可通過理想氣體方程理論計算得出，理論計算結果可以評估不同供氣量大小所對應升壓速率大小或滿足最高升壓速率下充壓設備的最小供氣量。為卡拉奇2號機組采用壓縮空氣系統供氣方式下安全殼試驗期間的升壓速率和試驗時間的預期結果提供理論分析依據。

3)通過對卡拉奇2號機組充壓管線的設計改造實現壓縮空氣系統最大供氣能力下的安全殼打壓方案，并對充壓過程進行有效的控制保證系統穩定的情況下滿足最大安全殼充壓的要求。卡拉奇2號機組試驗期間的測量的升壓速率與預期結果相吻合，驗證了壓縮空氣系統供氣方式可行。