恒壓法安全殼泄漏率測量技術的開發與可行性研究

李建發, 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 核科學與技術學院,黑龍江 哈爾濱 150001; 3.哈爾濱工程大學 黑龍江省核動力裝置性能與設備重點實驗室,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層安全殼,在設計壓力下不得超過規范要求最大允許泄漏率,如我國自主研發的“華龍一號”內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[5]曾調研國外核電廠安全殼泄漏率測量技術應用,總結出國外的泄漏率測量均為絕對壓力衰減法。國內雖有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,通過測量殼內實時溫度、實時濕度和實時壓力計算殼內各時刻干空氣質量,而后將各質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,采用壓降法對殼內質量進行線性回歸分析,將導致測量值偏差較大。因此,有必要開展更加穩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了恒壓法安全殼泄漏率測量技術,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流向殼外,稱為“顯性泄漏”。然而,通過試驗系統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果產生影響,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,保持安全殼內始終為設計壓力,并充分考慮了試驗過程中顯性泄漏和可預見的隱性泄漏。恒壓法安全殼泄漏率測量技術的工作原理如圖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平衡。

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

1.2 恒壓補償計算模型

本文提出了“多溫度分區-多濕度分區-連續采集”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,由于殼內環境變化的補償,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生的95%置信水平區間半徑。

(2)

(3)

(4)

式中：n為時段數;Qi為補充流量計的實時流量;m為濕度分區的數量;i為ti時刻;j為第j溫度分區或第j濕度分區;k為溫度分區的數量;Hji為第j濕度分區在ti時刻的相對濕度;Hji-1為第j濕度分區在ti-1時刻的相對濕度;PHji為第j濕度分區在ti時刻的飽和水蒸氣分壓;PHji-1為第j濕度分區在ti-1時刻的飽和水蒸氣分壓;VHj為第j濕度分區占安全殼的自由容積的百分比;V0為安全殼的自由容積;Pi為殼內壓力;PN為標準工況環境下的壓力;Δt為ti-1至ti時刻的時間長度,TN為標準工況環境下的溫度;THji-1為第j濕度分區在ti-1時刻的絕對溫度;THji為第j濕度分區在ti時刻的絕對溫度;Tji為第j溫度分區在ti時刻的絕對溫度;Tji-1為第j溫度分區在ti-1時刻的絕對溫度;VTj為第j溫度分區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量流率計算模型為：

(5)

1.3 恒壓控制方案

本文以內層安全殼正壓環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3次測量安全殼模擬體泄漏率,驗證恒壓法測量技術的可行性和穩定性。殼內恒壓控制邏輯如圖3所示,在目標壓力附近設置上限閾值、下限閾值形成緩沖區,緩沖區外為調節區。

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

殼內壓力位于緩沖區內時,保持補氣流量;殼內壓力位于緩沖區外時,調節補氣流量。調節區劃分4個象限,將按照當前殼內壓力所處象限控制充氣流量,位于第1、2象限時,調小補氣流量,位于第3、4象限時,調大補氣流量,使殼內壓力快速回到緩沖區。

2 恒壓法測量泄漏率的可行性驗證

2.1 恒壓法測量技術驗證平臺

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。測量系統結構示意如圖4。在安全殼模擬體外,左側充氣回路用于殼內快速升壓至試驗壓力;流量補充回路可通過PLC控制閥門開度以調節充氣流量,用于實現保持殼內恒壓控制;右側為參考泄漏率引入回路,可通過調節閥、流量計組合控制引入已知的疊加泄漏率,用于驗證系統可靠性。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,通過引壓管監測殼內壓力。在安全殼模擬體內,劃分7層共28個溫度分區,布置A級的溫度傳感器監測各分區溫度;劃分4層共10個濕度分區,布置精度為±1%的濕度傳感器監測各分區濕度。

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

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 內層安全殼正壓環境下的測量結果

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

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

殼內壓力、補充回路流量、泄漏流量的變化規律示于圖7。由壓力曲線可以看出,殼內壓力(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致的壓力衰減。當殼內壓力長時間維持穩定,最終泄漏流量的測量值可確定為基礎流量、溫度補償流量、濕度補償流量之和,其中基礎泄漏流量決定著累計泄漏率曲線的總體變化趨勢。當實驗滿足一定時間,累計泄漏率逐漸趨于穩定,即為最終的泄漏率測量值。3次重復性實驗結果表明,泄漏率測量值具有較好的一致性。

圖7 3次重復試驗壓力、基礎泄漏流量、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氣體的持續泄漏,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。可見,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,環境溫度會對殼內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3組試驗數據,溫度補償的總體積占比最大約為20%。這說明溫度變化是影響泄漏率測量的關鍵因素,有必要在實際的工程應用中充分考慮。

表1 3次重復試驗泄漏率數據Table 1 Three replicates of the test leakage rate data m3/h

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

根據表1可知,3次重復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現性與穩定性。

2.2.2 外層安全殼微負壓環境下的測量結果

在模擬外層安全殼泄漏率測量的微負壓環境下,恒壓法試驗數據見圖9。壓力曲線中,殼內壓力始終圍繞-301 Pa上下波動,波動幅度為±4 Pa。這說明在微負壓環境下,恒壓法仍然具有較好的適用性,可以很穩定地控制殼內壓力。測量結果表現出與正壓環境相同的變化規律,且隨著試驗時間的加長,補充流入體積持續增加。試驗結果表明,在本試驗環境下,溫度補償體積占總補償體積的20%以上,這說明在微負壓環境下,殼內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 微負壓環境下恒壓法測量曲線Fig.9 Measurement curves of constant pressure method in micro-negative pressure environment

3 結論

1)自主開發的恒壓法測量系統可維持安全殼內壓力恒定,結合安全殼內各時刻各分區溫度、濕度、壓力的變化對安全殼內氣體體積的影響,可確定穩定的安全殼泄漏率。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境下,恒壓補償模型仍可確定穩定的泄漏率測量值,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,并按分區計算補償。另外試驗期間殼內壓力與泄漏率穩定,適用范圍更廣,不受泄漏大小的制約。研究結論可為恒壓法的工程應用奠定理論基礎。