核电厂钢制安全壳泄漏率测试系统的开发与验证

冯利法，黄海涛

核电厂钢制安全壳泄漏率测试系统的开发与验证

冯利法，黄海涛

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

针对核电厂钢制安全壳泄漏率测试的要求，设计与开发了一套基于LabVIEW软件平台及Compact-RIO嵌入设备的泄漏率测试系统。系统采用了全数字化通讯、RS-485总线技术、采集与分析分离等技术，简化了系统了设计，提高了拓展性及可靠性，并在AP1000钢制安全壳整体泄漏率试验中应用与验证，现场验证表明：系统稳定可靠、计算结果准确可信，可满足钢制安全壳泄漏率测量的要求。系统已在国内AP1000机组役前及在役钢制安全壳整体泄漏率试验中得到了成功应用。

AP1000；钢制安全壳；泄漏率；测试系统

核电厂安全壳作为核电厂的第三道安全屏障，在役前和在役停堆换料期间都要进行泄漏率试验，以评估在严重事故条件下安全壳能否保持其密封性，防止放射性物质释放到周围环境中去。因此，安全壳泄漏率试验结果历来受到国际原子能机构和各国的核安全部门的关注，我国国家核安全局也将安全壳泄漏率试验纳入重点监督项目[1]。

国际上常用的安全壳整体泄漏率试验标准主要有3种：美国标准《安全壳泄漏率试验要求》（ANSI/ANS-56.8-2002）、法国标准《安全壳泄漏率试验及强度试验》（RCC-G 88版第3部分）、俄罗斯标准《核电厂安全包容系统建造和运行规范》（ПНАЭГ-10-021-90）。AP1000机组明确要求使用美国标准进行安全壳泄漏率试验，而我国现有的运行机组大都采用法国标准进行泄漏率试验，试验系统也是依据M310电站的特点与试验的要求进行设计与开发的，并不能直接应用于AP1000机组[2-6]。因此，针对AP1000钢制安全壳及机组内部结构布置的特点开发一套泄漏率测试系统用于整体泄漏率试验系统具有重要的意义。

1　总体技术路线

核电厂钢制安全壳泄漏率测试系统的总体设计思想是自上而下进行设计，先根据法规的要求规划系统要实现的总功能，然后根据国内外安全壳泄漏率测试系统的实际使用经验与反馈，结合AP1000核电厂安全壳自身的特点，对总功能进行补充和完善，再将总功能分解为多个硬件或软件模块实现。系统总体设计框图如图1所示。

图1　系统总体设计框图

系统主要由温度/湿度/压力测量系统、数据采集系统（下位机）和人机交互系统（上位机）组成，温度/湿度/压力测量系统利用传感器对温度、湿度和压力信号进行测量和A/D模数转换，下位机与温度/湿度/压力测量系统通过RS-485总线进行通讯，采集测量信号并在下位机进行存储，同时使用TCP/IP协议与上位机建立连接，将采集的数据发送到上位机。上位机实时显示、分析、存储下位机传输的数据，计算安全壳泄漏率，并对数据异常、通讯异常、下位机及传感器异常进行报警。系统的核心优势是信号采集数字化与总线技术，数据采集与分析分离的高可靠性及容错机制，以及基于总线技术的系统强拓展性。这些优势也是针对国内外安全壳泄漏率测试的经验反馈进行的系统设计改进。

2　测量系统的设计与开发

2.1　系统总体功能设计

根据核电厂安全壳泄漏率测试的相关标准[7-9]，钢制安全壳泄漏率测试系统的基本功能如下：

（1）测试系统配置。对测试系统的采集参数进行配置、采集通道配置、传感器地址及权重配置等。

（2）测量数据采集和存储。按照设定的时间间隔和数据格式对温度、湿度、压力测量数据进行采集，并存储在数据库中。数据在上位机和下位机同时保存，提高安全性。

（3）数据监测与实时显示。根据设定的显示方式（趋势图、柱状图、散点图等），将测量数据及计算数据在人机界面上进行显示。

（4）泄漏率计算与分析。根据下位机采集与发送的各温度、湿度和压力数据，利用算法对温度、湿度和压力的数据重构，并计算实时的泄漏率及相关参数。

（5）异常情况报警。如果测量过程中出现的异常，如数据丢失、数据异常、传感器离线、下位机通讯异常等情况，在人机界面进行声光报警，并显示异常现象。

2.2　钢制安全壳泄漏率测量原理

AP1000核电厂钢制安全壳是带上下椭圆形封头的圆柱形钢制容器，直径39.6 m，高度65.6 m[10]，如此大的空间要进行泄漏率的测量，只能进行间接测量。间接测量需要对安全壳进行加压，在加压状态下对压力、温度、湿度等参数进行连续测量和采集，依据理想气体状态方程，考虑安全壳内温度变化和水蒸气分压变化，采用绝对压力法实时计算获得安全壳整体泄漏率。

安全壳泄漏率指单位时间（24 h）安全壳内干空气质量的相对变化，用wt%/24 h表示。对于每一个时间点（t），相应的安全壳内干空气质量（W）利用理想气体状态方程进行计算[7]：

（1）（2）（3）式中：

将安全壳内的干空气质量随时间变化的曲线用最小二乘法进行拟合，得到线性回归方程：

由回归方程可求出安全壳内干空气质量24 h泄漏率：

泄漏率95%置信水平的置信上限值为：

（6）（7）（8）式中：

2.3　硬件设计与实现

系统的硬件总体由2台上位机、2台下位机、1台交换机、40组温湿度传感器、3台压力表和1个流量计组成。2台上位机可以连接到任意1台下位机，2台下位机为一备一用；40组温湿度传感器安装在安全壳内部，通过2-4条RS-485总线与下位机相连，3台压力表通过RS-232转RS-485转换器后接入RS-485总线与下位机相连，既可保证压力表信号的远距离传输，又与温湿度传感器统一了通讯协议。系统总体架构如图2所示。

针对AP1000安全壳内部容积空间大（约9×104m3），空气温度、湿度不均匀的特点，将安全壳内部空间分为40个不同区域，每个区域安装1组温湿度传感器。3台压力表布置在安全壳外部，通过引压管将安全壳内部的压力引出，2台压力表测量安全壳内绝对压力，1台测量壳外大气压力。1台流量计通过下泄管线连接到安全壳内大气，用于验证试验。

下位机处于整个系统的核心位置，基于NI Compact-RIO嵌入式平台和NI 9871板卡进行开发，通过RS-485总线与各传感器进行通讯，通讯采用半双工的通讯方式，总线的拓扑结构如图3所示，同时使用Compact-RIO内置的实时控制器和现场可编程门阵列（FPGA）进行下位机系统开发。

图2　钢制安全壳泄漏率测试系统总体架构

图3 总线拓扑结构图

下位机进行了冗余配置，每台下位机配置具有16路RS-485通信接口，通过指令通讯的方式进行数据采集和保存，同时通过以太网将数据传送到上位机。在数据采集参数配置完成的情况下，下位机可以独立进行数据采集，不需要上位机的参与，保证了在上位机失效的情况下仍然可以进行数据采集，提高了系统的可靠性。上位机进行监测与数据分析，并存储数据，生成所需报告与曲线。上位机可以设置多台，具有不同的权限设置，同时在线的上位机只有一台具有管理员权限，并具有采集和运算参数设定的功能。上位机和下位机通过交换机进行连接，并共享一台打印机。

2.4　软件设计与实现

LabVIEW作为虚拟仪器软件开发工具，在人机交互和数据采集方面具有十分明显的优势[11]。下位机是基于Compact-RIO嵌入式平台，使用LabVIEW编程可以提高开发的速度以及保证系统的可靠性。本系统采用LabVIEW平台进行软件的开发，主要包括信息配置、VISA串口信息读取、温湿度数据重构、安全壳内干空气质量计算、泄漏率计算、数据曲线显示及保存等部分，系统软件流程如图4所示。

图4　系统软件流程图

系统的主要模块介绍如下：

（1） VISA串口配置与信息读取模块

系统初始化时，首先根据各个传感器的COM端口配置VISA（虚拟仪器架构）资源名称、波特率、数据比特、超时、校验位、奇偶等参数；每个传感器都分配一个字符用以表示传感器的地址，通过该地址向传感器发送查询信息命令，传感器返回查询信息进入串口缓冲区；VISA读取函数读取串口缓冲区内的信息，然后解析提取温度、湿度和压力数据。VISA串口配置及信息读取程序如图5所示。

（2）上位机数据接收及图形显示

上位机通过TCP/IP协议与下位机进行通信，接收下位机传输的信息。数据存入上位机的数据库，存储数据格式采用tdms。所有的传感器采集的原始数据可以通过柱状图进行显示，同时可以监测数据采集是否正常。数据显示界面如图6所示。

（3）安全壳内干空气质量的计算模块

通过下位机采集的40个温湿度传感器的数据进行数据重构，重构利用每个传感器的体积系数及原始数据计算平均的平均温度和水蒸气分压，然后计算安全壳内干空气的分压，并通过式（1）获得干空气的质量。干空气质量曲线显示如图7所示。

图5　VISA串口配置及信息读取程序框图

图6　传感器柱状图监测界面

图7　干空气质量曲线显示界面

（4）泄漏率的计算

对安全壳内的空气参数进行连续测量（至少每隔15 min采集一次），计算每个测量时刻干空气的质量，待空气稳定后，再获取至少12组以上的干空气质量数据使用最小二乘回归进行线性拟合，计算回归曲线的斜率和截距，利用公式（5）进行泄漏率的计算（见图8）。

图8　泄漏率计算模块程序框图

3　系统测试与验证

3.1　系统测试

钢制安全壳泄漏率测试系统在某核电厂进行了测试与验证，将40组温湿度传感器安装在安全壳内要求的位置，分成四组，每组使用1条6芯线缆通过电气贯穿件连接到下位机的一个端口；3支压力表通过1条6芯线缆连接到下位机的一个端口；上位机通过网线远程连接到下位机。准备就绪后关闭安全壳闸门，使用5台大型空气压缩机将空气充入安全壳，将安全壳内空气压力升高到73 Psi（0.5 MPa），关闭空气压缩机，待壳内空气压力稳定后，开始进行数据采集。通过柱状图监测传感器的测量数据以及工作状态，同时通过曲线显示温度、压力、空气质量和泄漏率的实时变化趋势。安全壳内空气压力稳定保持在73 psi（0.5 MPa）附近，每隔15 min采集一组数据，持续24 h，根据采集的温湿度数据和压力数据，计算泄漏率，部分测试数据如表1所示，干空气质量及泄漏率的曲线如图9所示。

表1　钢制安全壳泄漏率测试数据

续表

图9　干空气质量及泄漏率曲线图

从图9中可以看出，随着安全壳内空气逐渐趋于稳定，以及所采集的数据量的增加，泄漏率的计算结果逐渐趋于稳定，在测试开始后第24个小时的时间点上计算的泄漏率am=0.023 24%（质量分数）/24 h。

3.2　系统验证

为了验证系统测试结果的准确性，在打开图2中安全壳下泄管线的阀门，使安全壳内的部分空气从流量计处往外泄漏，通过流量计精确测量泄漏的空气量，从而人为叠加一个已知的泄漏率0。调节流量计上游的阀门使得流量计的流量为7.018 2 SCFM（198.692 2 L/min），按标准空气密度0.075 2 lbm/ft3计算，24 h从安全壳内泄漏的空气量为759.99 lbm，计算通过流量计的叠加泄漏率0=0.094 37（质量分数）%/24 h（759.99 lbm/805 340.2 lbm）。叠加流量计处的泄漏率后，整个安全壳的理论泄漏率0+am=0.117 61（质量分数）%/24 h。

重新开始测试，每隔15 min采集一组数据，持续5.25 h，根据采集的温湿度数据和压力数据，计算泄漏率，部分测试数据如表2所示，干空气质量及泄漏率的曲线如图10所示。

表2　验证试验数据

续表

图10　干空气质量及泄漏率曲线图

从图10验证试验的泄漏率曲线来看，试验开始1 h后泄漏率基本达到稳定，5.25 h后测量的综合泄漏率c=0.111 76 %（质量分数）/24 h，理论泄漏率为0+am=0.117 61 %（质量分数）/ 24 h，整体误差仅为4.97%，说明系统计算结果准确可信。

根据标准[7]的要求叠加泄漏后的综合泄漏率需要满足以下关系：

将验证数据代入公式（9）得到：

0+am-0.25a=0.117 61-0.025=0.092 61

0+am+0.25a=0.117 61+0.025=0.142 61

c=0.111 76

满足公式（9）的要求，同样验证了测量系统计算结果准确可信、系统设计符合标准要求。

4　系统的优势分析

系统在符合相关法规及标准的基础上，吸收了国内外安全壳泄漏率试验的经验反馈，形成了以下核心优势：

（1）信号采集数字化与总线技术

系统从传感器端开始就实现了数字化，整个系统实现全数字化传输，再结合RS-485总线技术的应用，使得系统现场线缆总量以及现场铺设时间大量减少，核岛内仅需布置2～4条线缆，相比每个温度、湿度传感器都要铺设线缆，工作量减少90%以上。特别是在役试验期间，将大量减少占用关键路径的时间，并减少安装工作的辐射剂量。下位机与上位机通过TCP/IP协议进行通讯，上位机可远离下位机，布置在安全风险小的区域。

（2）数据采集与分析分离的高可靠性及容错机制

系统具有三重安全保障机制，实现系统、数据及测试的可靠性：①系统采用数据采集与分析的实体分离，下位机负责数据采集，上位机负责数据的分析、计算与显示，互不干涉。下位机可以独立进行数据采集与存储工作，无需上位机的参与，提高数据采集的可靠性。② 下位机采用冗余配置，一备一用。上位机可以采用一台或多台布置，只有一台能够取得管理权限，控制整个测试系统，其余从属上位机具备数据存储、查询和分析功能。如果主上位机故障，那么只需更改从属上位机的权限即可接替主上位机继续试验。③试验数据三重安全备份。试验采集数据自动保存在下位机、上位机中，并在每次采集后自动打印所有传感器的数据，实现数据的三重安全备份。

（3）基于总线技术的系统强拓展性

系统对传感器的数量没有限制，如需增加传感器的数量，可直接在现有的RS-485总线上增加或重新布置一条总线线缆即可实现。

将自主开发AP1000钢制安全壳泄漏率测量系统与国内外现有安全壳泄漏率试验系统的参数进行了对比，结果如表3所示。

表3　国内外泄漏率测量系统参数对比

从表3中可以看出，自主开发的系统在可接入的传感器数量、采样频率及连续可存储数据量上相比国内外现有主流系统都具有优势，并可接入多台上位机，可实现上位机的备用与切换，且可实现无上位机情况下的自动采集，保障试验过程的连续性与可靠性。

5　结束语

本文基于Compact-RIO嵌入式系统开发了国内首套AP1000钢制安全壳泄漏率测试系统，并在AP1000钢制安全壳整体泄漏率试验中进行了验证，验证结果表明系统稳定可靠、计算结果准确可信。系统应用全数字化传输、现场总线、采集与分析分离等技术，实现了高可靠性及强拓展性，简化了系统布置，提高了布置效率，降低了人员辐射剂量，相比国内外现有的安全壳泄漏率测量系统具有较为明显的优势。目前，该系统已在国内AP1000机组役前及在役钢制安全壳整体泄漏率试验中进行了应用，降低了试验风险，提高了试验的可靠性，保障了国内首批AP1000机组的安全运行，具有较高的推广应用价值。本系统的自主开发与应用对于促进AP1000机组测试技术的掌握及测试设备的国产化具有重要意义。

［1］ 蒋坚毅，郭红晓，李安明，等．核电厂安全壳泄漏率测定的不确定度评定［J］．仪器仪表学报，2006，27（12）：11-14.

［2］ 王伟，刘立果，等．AP1000钢制安全壳SIT试验良好实践经验反馈［J］．核科学与工程，2019，39（6）：937-940.

［3］ 马先宏，杨炯，等．AP1000钢制安全壳气压试验变形测量方法及变形结果分析［J］．核科学与工程，2020，40（1）：36-42.

［4］ 褚英杰，欧阳钦．安全壳整体泄漏率计算方法的比较分析［J］．核动力工程，2010，31（6）：33-37.

［5］ 欧阳钦，褚英杰．安全壳整体试验标准ANSI/ANS-56.8- 1994在田湾核电厂的应用［J］．核动力工程，2010，31（6）：24-28.

［6］ 杜宇，刘勇，等．福清核电厂1、2号机组安全壳整体泄漏率试验充压和降压速率优化的分析和研究［J］．核科学与工程，2017，37（2）：199-202.

［7］ Containment System Leakage Testing Requirements：ANSI/ANS-56.8-2002［S］．2002.

［8］ U S.NRC. Domestic Licensing of Production and Utilization Facilities，Appendix J Primary Reactor Containment Leakage Testing of WaterCooled Power Reactor：10CFR50 Regulations［S］．2016.

［9］ 核电厂安全壳密封性试验：NB/T 20018—2010［S］．北京：原子能出版社，2010.

［10］林诚格．非能动安全壳先进压水堆核电技术［M］．北京：原子能出版社，2010.

［11］孙毅刚，何进．基于LabVIEW的高精度多通道温度测量系统［J］．仪表技术与传感器，2017（1）：96-100.

Development and Verification of Steel Containment Vessel Leakage Rate Testing System of Nuclear Power Plant

FENG Lifa，HUANG Haitao

（State nuclear power plant service company，Shanghai，200233）

According to the requirements of steel containment vessel leakage test of nuclear power plant, the integrated leakage rate testing system which is based on the LabVEIW software platform and the Compact-RIO embedded system is developed. The design of system is simplified using digital communication, RS-485 bus, separation of collection and analysis, by which the system is simplified and the reliability and extensibility are enhanced. The system is used and verified in the steel containment vessel integrated leakage rate test of AP1000 nuclear power plant, the field test and verification show that the system has stale and reliable operation, high accuracy of calculation and measurement, and can meet the requirements of integrated leakage rate test. The system have already used in all steel containment vessel integrated leakage rate test of domestic AP1000 NPPs.

AP1000; Steel containment vessel; Leakage rate; Testing system

TL364+.3

A

0258-0918（2021）06-1159-10

2021-07-11

国家科技重大专项（2015ZX06002005）

冯利法（1983—），男，浙江台州人，高级工程师，硕士研究生，现主要从事核电厂状态监测和性能试验方面研究