恒压法安全壳泄漏率测量技术的开发与可行性研究

李建发, 陈广恒, 张瑞, 刘丰, 初炜钰, 孟兆明

(1.中国核电工程有限公司, 北京 100840; 2.哈尔滨工程大学 核科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨 150001; 3.哈尔滨工程大学 黑龙江省核动力装置性能与设备重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001)

核电厂安全壳是核安全的最后一道物理屏障,无论外层安全壳还是内层安全壳,在设计压力下不得超过规范要求最大允许泄漏率,如我国自主研发的“华龙一号”内层安全壳泄漏率最大允许值为在0.42 MPa时不超过0.164% wt/d,外层安全壳泄漏率最大允许值为在-300 Pa时不超过25% wt/d[1-4]。安全壳整体密封性试验是在设计压力工况下检验安全壳泄漏水平的唯一手段。

安全壳泄漏率测量技术的可行性验证需要与原型相似的试验平台,研究难度较大。周文权[5]曾调研国外核电厂安全壳泄漏率测量技术应用,总结出国外的泄漏率测量均为绝对压力衰减法。国内虽有M310、VVER、EPR、“华龙一号”等多种核电堆型,但安全壳泄漏率测量技术却非常单一[6-11]。褚英杰[12]曾分析对比了美标、法标的绝对压力衰减法的原理,通过测量壳内实时温度、实时湿度和实时压力计算壳内各时刻干空气质量,而后将各质量点通过最小二乘法线性回归,所得斜率作为安全壳泄漏质量流量。侍今奇[7]提及与恒压法相似的恒流法,但仅限于概念介绍。

目前,国内外研究均采用压力衰减法开展泄漏率的测量,该方法在测量泄漏率的过程中,若压力变化具有显著的非线性特征,采用压降法对壳内质量进行线性回归分析,将导致测量值偏差较大。因此,有必要开展更加稳定泄漏率测量方法的研究与可行性论证。本文通过理论分析开发了恒压法安全壳泄漏率测量技术,并通过大型安全壳模拟体进行了测量方案的可行性验证。

1 恒压法测量原理与计算模型

1.1 恒压测量原理

图1展示了核电厂安全壳泄漏的主要来源。图中所述泄漏均是工程中真实存在且由壳内流向壳外,称为“显性泄漏”。然而,通过试验系统测量得到的安全壳泄漏率,还包含了由于温度、湿度等因素变化带来的干扰量,这些虽不是实际存在的泄漏,但是会对泄漏率的测量结果产生影响,称为“隐性泄漏”。

图1 核电厂安全壳泄漏率的来源Fig.1 Source of leakage rate of containment in nuclear power plant

本文提出的恒压法安全壳泄漏率测量技术,保持安全壳内始终为设计压力,并充分考虑了试验过程中显性泄漏和可预见的隐性泄漏。恒压法安全壳泄漏率测量技术的工作原理如图2所示。

图2 恒压法安全壳泄漏率测量原理示意Fig.2 Schematic diagram of containment leakage rate measurement principle by constant pressure method

在恒压法测量试验期间,保持壳内压力始终围绕目标压力以微小幅度波动,流入与流出达到动态平衡。

为补偿由壳内温度、湿度变化带来的隐性泄漏,在安全壳内布置m个温度传感器和k个湿度传感器,测量壳内温度、湿度分布,用于补偿温度、湿度变化引起壳内气体体积变化对泄漏率的影响。最终可得到壳内混合空气的体积变化率,再结合壳内空气与水蒸气组分计算质量变化率。

1.2 恒压补偿计算模型

本文提出了“多温度分区-多湿度分区-连续采集”的恒压补偿计算模型,表达式为：

LS,N∑∑=LC,N∑∑+LB,N∑∑+ΔL

(1)

式中：LC,N∑∑为基础泄漏体积流率,由补气回路流量计直接测读;LB,N∑∑为补偿泄漏体积流率,由于壳内环境变化的补偿,包含温度补偿和湿度补偿;ΔL为体积流率测量不确定度,由多次取样计算均值产生的95%置信水平区间半径。

(2)

(3)

(4)

式中：n为时段数;Qi为补充流量计的实时流量;m为湿度分区的数量;i为ti时刻;j为第j温度分区或第j湿度分区;k为温度分区的数量;Hji为第j湿度分区在ti时刻的相对湿度;Hji-1为第j湿度分区在ti-1时刻的相对湿度;PHji为第j湿度分区在ti时刻的饱和水蒸气分压;PHji-1为第j湿度分区在ti-1时刻的饱和水蒸气分压;VHj为第j湿度分区占安全壳的自由容积的百分比;V0为安全壳的自由容积;Pi为壳内压力;PN为标准工况环境下的压力;Δt为ti-1至ti时刻的时间长度,TN为标准工况环境下的温度;THji-1为第j湿度分区在ti-1时刻的绝对温度;THji为第j湿度分区在ti时刻的绝对温度;Tji为第j温度分区在ti时刻的绝对温度;Tji-1为第j温度分区在ti-1时刻的绝对温度;VTj为第j温度分区占安全壳的自由容积的百分比;LS,N∑i为各时段的安全壳泄漏体积流率。

恒压法安全壳泄漏质量流率计算模型为：

(5)

1.3 恒压控制方案

本文以内层安全壳正压环境下的泄漏率测量为例,在不改变安全壳边界的工况条件下,重复3次测量安全壳模拟体泄漏率,验证恒压法测量技术的可行性和稳定性。壳内恒压控制逻辑如图3所示,在目标压力附近设置上限阈值、下限阈值形成缓冲区,缓冲区外为调节区。

图3 恒压法壳内压力控制逻辑Fig.3 Control logic of shell pressure by constant pressure method

壳内压力位于缓冲区内时,保持补气流量;壳内压力位于缓冲区外时,调节补气流量。调节区划分4个象限,将按照当前壳内压力所处象限控制充气流量,位于第1、2象限时,调小补气流量,位于第3、4象限时,调大补气流量,使壳内压力快速回到缓冲区。

2 恒压法测量泄漏率的可行性验证

2.1 恒压法测量技术验证平台

恒压法的可行性验证基于钢制安全壳泄漏率模拟试验平台,总高19.8 m,直径8.5 m,容积约1 010 m3。测量系统结构示意如图4。在安全壳模拟体外,左侧充气回路用于壳内快速升压至试验压力;流量补充回路可通过PLC控制阀门开度以调节充气流量,用于实现保持壳内恒压控制;右侧为参考泄漏率引入回路,可通过调节阀、流量计组合控制引入已知的叠加泄漏率,用于验证系统可靠性。在上述流量补充回路和参考泄漏率引入回路上均装有量程为0～3 m3/h、精度为±0.5%的高精密流量计,用于监测流入或流出的空气流量。在壳外布置量程为0～690 kPa、精度为±0.01%的高精密绝压计,通过引压管监测壳内压力。在安全壳模拟体内,划分7层共28个温度分区,布置A级的温度传感器监测各分区温度;划分4层共10个湿度分区,布置精度为±1%的湿度传感器监测各分区湿度。

图4 恒压法安全壳泄漏率测量系统示意Fig.4 Schematic diagram of containment leakage rate measurement system by constant pressure method

2.2 试验结果与分析

2.2.1 内层安全壳正压环境下的测量结果

恒压法可实现在壳内温度、湿度持续变化的环境下补偿流量的实时计算。在3次重复性试验过程中,温度补偿流量和温度变化之间的相关性如图5。湿度补偿流量和温度补偿流量的相关性如图6。由图5可以看出,温度补偿流量大小与壳内气体温度的变化率呈正相关,温度曲线的切线斜率越大,温度补偿流量波动越剧烈。并且壳内气体升温会引起补偿流量增大,温降则导致补偿量减小。由图6可以看出,湿度补偿流量曲线与温度补偿流量曲线趋势一致。安全壳内湿度变化导致的水蒸气分压变化受到安全壳内湿度、温度的影响,但水蒸气分压在壳内总压中的占比极低,因此湿度补偿流量极低,不足温度补偿流量的10%。

图5 3次重复试验温度变化及温度补偿流量关系Fig.5 Relationship between temperature change and temperature compensation flow rate in three repeated tests

壳内压力、补充回路流量、泄漏流量的变化规律示于图7。由压力曲线可以看出,壳内压力(绝对压力)始终围绕533.63 kPa上下波动,压力波动幅度为±0.07 kPa。这说明恒压法可以很好地补偿壳体泄漏和温湿度变化导致的压力衰减。当壳内压力长时间维持稳定,最终泄漏流量的测量值可确定为基础流量、温度补偿流量、湿度补偿流量之和,其中基础泄漏流量决定着累计泄漏率曲线的总体变化趋势。当实验满足一定时间,累计泄漏率逐渐趋于稳定,即为最终的泄漏率测量值。3次重复性实验结果表明,泄漏率测量值具有较好的一致性。

图7 3次重复试验压力、基础泄漏流量、累计泄漏率曲线Fig.7 Pressure, base leakage flow rate, cumulative leakage rate in three repeated tests

随着安全壳模拟体内气体的持续泄漏,补充回路的流入体积呈近似线性上升的趋势,说明恒压法的流量控制可基本维持恒定的补充流量。在泄漏率测量过程中,补充回路的流入体积、温度补偿体积、湿度补偿体积在总补偿体积中的占比示于图8和表1。可见,由于水蒸气分压在总压中的占比极低,随着试验时间的加长,湿度补偿体积接近1%,其对安全壳泄漏率的影响极小;由于试验对象为钢制的安全壳模拟体,其外壁热阻较小,因此,环境温度会对壳内平均温度造成较大影响,进而影响恒压补偿模型的温度补偿量。根据3组试验数据,温度补偿的总体积占比最大约为20%。这说明温度变化是影响泄漏率测量的关键因素,有必要在实际的工程应用中充分考虑。

表1 3次重复试验泄漏率数据Table 1 Three replicates of the test leakage rate data m3/h

图8 3次重复试验补充流入体积、温度补偿体积、湿度补偿体积关系曲线Fig.8 Supplementary inflow volume, temperature compensated volume, humidity compensated volume in three repeated tests

根据表1可知,3次重复试验中泄漏率测量值的最大相对偏差为-3.07%,远低于标准中要求的阈值边界(20%)[13]。这说明本文采用恒压法测量安全壳泄漏率具有良好的复现性与稳定性。

2.2.2 外层安全壳微负压环境下的测量结果

在模拟外层安全壳泄漏率测量的微负压环境下,恒压法试验数据见图9。压力曲线中,壳内压力始终围绕-301 Pa上下波动,波动幅度为±4 Pa。这说明在微负压环境下,恒压法仍然具有较好的适用性,可以很稳定地控制壳内压力。测量结果表现出与正压环境相同的变化规律,且随着试验时间的加长,补充流入体积持续增加。试验结果表明,在本试验环境下,温度补偿体积占总补偿体积的20%以上,这说明在微负压环境下,壳内温度变化对恒压法的流量补充和泄漏率测量值仍存在明显影响。

图9 微负压环境下恒压法测量曲线Fig.9 Measurement curves of constant pressure method in micro-negative pressure environment

3 结论

1)自主开发的恒压法测量系统可维持安全壳内压力恒定,结合安全壳内各时刻各分区温度、湿度、压力的变化对安全壳内气体体积的影响,可确定稳定的安全壳泄漏率。其中温度和湿度补偿体积分别占总补充体积的20%和1%。

2)在外层安全壳的微负压环境下,恒压补偿模型仍可确定稳定的泄漏率测量值,温度补偿体积占总补充体积百分比高于20%。

3)相比压力衰减法,恒压法考虑了温度、湿度变化不均对体积泄漏率的影响,并按分区计算补偿。另外试验期间壳内压力与泄漏率稳定,适用范围更广,不受泄漏大小的制约。研究结论可为恒压法的工程应用奠定理论基础。