核電站安全殼密封性試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

核電機(jī)組安全殼是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由圓柱體圍墻和半球形穹頂組成。用于包容壓水反應(yīng)堆堆芯以及堆芯冷卻系統(tǒng)，是壓水堆核電機(jī)組的第三道安全屏障，能夠抵御因反應(yīng)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(fù)載，防止放射性物質(zhì)向外界環(huán)境擴(kuò)散。

因安全殼對(duì)輻射和核安全的重要性，其必須滿足以下功能：

1)在機(jī)組正常運(yùn)行工況下，提供實(shí)體隔離，限制放射性物質(zhì)釋出；

2)在核事故發(fā)生后，控制殼內(nèi)放射性釋放量，提供生物屏蔽；

3)為反應(yīng)堆系統(tǒng)提供對(duì)龍卷風(fēng)、洪水等外部災(zāi)害的防護(hù)。

安全殼整體密封性的好壞，直接決定壓水堆核電機(jī)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(jī)械/電氣貫穿件泄漏引起，M310改進(jìn)型機(jī)組安全殼密封性試驗(yàn)是驗(yàn)證安全殼在反應(yīng)堆失水事故(LOCA)壓力(表壓0.42 MPa)下的泄漏率是否達(dá)標(biāo)。定期進(jìn)行安全殼密封性試驗(yàn)，是保障核安全的重要手段[1]。

目前國(guó)內(nèi)核電機(jī)組安全殼密封性試驗(yàn)，需要多方協(xié)同，缺乏完整的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案?，F(xiàn)有技術(shù)手段單一、數(shù)據(jù)采集可靠性不足、不同堆型的擴(kuò)展性較差是目前存在的主要問(wèn)題。本文針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，以田灣核電站5、6號(hào)機(jī)組為藍(lán)本，考慮工程運(yùn)用特點(diǎn)，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(guò)硬件冗余、軟件算法優(yōu)化、接口擴(kuò)展、異常數(shù)據(jù)處理等手段，增強(qiáng)了安全殼密封性試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及通用性，并通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證。

1 安全殼泄漏率計(jì)算

M310改進(jìn)型機(jī)組安全殼泄漏率采用絕對(duì)法測(cè)量，以《壓水堆核電站核島土建設(shè)計(jì)和建造規(guī)則(RCC-G-900-86)》第三章，安全殼的密封性和強(qiáng)度試驗(yàn)及《Containment System Leakage Testing Requirements(ANSI/ANS-56.8-2002)》為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定在設(shè)計(jì)表壓力0.42 MPa下安全殼內(nèi)干空氣質(zhì)量的變化，泄漏率指單位時(shí)間干空氣質(zhì)量的相對(duì)變化，用%24 h表示[2,3]。試驗(yàn)在安全殼升降壓過(guò)程中(從大氣壓升至表壓0.42 MPa再降至大氣壓)進(jìn)行，如圖1所示。

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

安全殼內(nèi)干空氣質(zhì)量依據(jù)理想氣體方程(1)計(jì)算：

(1)

式中：M——安全殼內(nèi)干氣體總質(zhì)量；

P——安全殼內(nèi)氣體總絕對(duì)壓力；

Pv——?dú)?nèi)平均水蒸氣分壓力；

V——安全殼自由容積49 400 m3；

T——安全殼內(nèi)氣體加權(quán)溫度；

R——干空氣氣體常數(shù)287.11 kg·J/K。

因安全殼內(nèi)包括多個(gè)間隔，各房間內(nèi)溫度、濕度不均勻，為求解泄漏率，需在各房間分別設(shè)置傳感器，并將測(cè)量值進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算出殼內(nèi)平均溫度和平均水蒸氣分壓。在密封性試驗(yàn)期間，用不同時(shí)刻讀數(shù)值分別計(jì)算空氣質(zhì)量，然后用最小二乘法擬合安全殼內(nèi)“空氣質(zhì)量—時(shí)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(jì)算

第i個(gè)采樣周期平均壓力：

(2)

式中：Pij——第j個(gè)壓力傳感器第i組數(shù)據(jù)；

Vj——分配給第j個(gè)壓力傳感器的容積；

m——壓力傳感器個(gè)數(shù)。

1.2 平均溫度計(jì)算

(3)

式中：Tij——第j個(gè)溫度傳感器第i組數(shù)據(jù)；

Vj——分配給第j個(gè)溫度傳感器的容積；

m——溫度傳感器個(gè)數(shù)。

1.3 平均水蒸氣分壓計(jì)算

利用Antoine(安托萬(wàn))方程，轉(zhuǎn)化相對(duì)濕度和水蒸氣分壓。

(4)

計(jì)算第i個(gè)采樣周期的平均水蒸氣分壓：

(5)

式中:Pvij——第j個(gè)濕度傳感器的第i組水蒸氣分壓；

Hij——第j個(gè)濕度傳感器測(cè)得的第i組相對(duì)濕度；

Tij——第j個(gè)濕度傳感器測(cè)得的第i組溫度；

Pvi——第i組水蒸氣分壓；

Vj——分配給第j個(gè)溫濕度傳感器的容積；

k——溫濕度傳感器個(gè)數(shù)。

1.4 泄漏率計(jì)算

由式(1)～式(5)，可計(jì)算出各時(shí)刻干空氣質(zhì)量，并利用最小二乘法進(jìn)行擬合，得出干空氣質(zhì)量與測(cè)量時(shí)間的線型方程：

(6)

ti——測(cè)量時(shí)間；

A——擬合斜率，代表安全殼整體泄漏率；

B——擬合截距，代表測(cè)量初始時(shí)刻干空氣總質(zhì)量。

系數(shù)A、B計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為進(jìn)行安全殼整體泄漏率試驗(yàn)，需采集殼內(nèi)若干不同區(qū)域的溫度、濕度、壓力值。本文根據(jù)某型1 000 MW壓水堆核電機(jī)組安全殼內(nèi)構(gòu)筑物設(shè)計(jì)，及各房間傳感器體積分配系數(shù)，搭建了一套試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用以采集需要的殼內(nèi)溫度、濕度、壓力參數(shù)，并計(jì)算安全殼泄漏率。系統(tǒng)組成如圖2所示。

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

表1 系統(tǒng)硬件配置

考慮數(shù)據(jù)采集的可靠性，配置主、從兩套完全冗余的試驗(yàn)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(jì)算機(jī)、分析計(jì)算機(jī)構(gòu)成。采集器循環(huán)采集就地溫濕度儀表測(cè)量值，并將測(cè)量值送采集計(jì)算機(jī)處理，采集計(jì)算機(jī)將每個(gè)時(shí)刻的溫度、濕度、壓力測(cè)量值成組寫(xiě)入分析計(jì)算機(jī)，由分析計(jì)算機(jī)根據(jù)算法編程計(jì)算泄漏率。

兩套采集系統(tǒng)共用殼內(nèi)溫度、濕度傳感器，傳感器電纜經(jīng)電氣貫穿件連接至殼外端子機(jī)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(kāi)關(guān)電源供電。對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)，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(shí)采集儀表輸出，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)LabVIEW串口字符串?dāng)?shù)組寫(xiě)入采集計(jì)算機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)兩套上層共用一套就地儀表。

兩套采集系統(tǒng)各配備2個(gè)獨(dú)立絕壓采集回路，傳感器布置在控制室，取壓口設(shè)置在殼內(nèi)，管線經(jīng)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(jì)算機(jī)，通過(guò)專用串口通訊協(xié)議實(shí)時(shí)讀取殼內(nèi)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(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集軟件運(yùn)行于主、從采集計(jì)算機(jī)，采用LabVIEW圖形化語(yǔ)言編程，作為信號(hào)采集管控中樞及操作人機(jī)交互接口，具有系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。軟件分時(shí)采集的溫度、濕度模擬信號(hào)，實(shí)時(shí)采集的絕壓、大氣壓通訊信號(hào)，將顯示在人機(jī)界面上，并存儲(chǔ)、傳送至分析計(jì)算機(jī)。采集軟件按照“數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)分析—數(shù)據(jù)顯示—數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”的流程設(shè)計(jì)，如圖3所示。

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

數(shù)據(jù)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(yàn)時(shí)間設(shè)置功能：按照預(yù)設(shè)的時(shí)間開(kāi)始采集；

3)物理量的數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換功能：對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；

4)溫濕度與壓力的顯示、升降壓速率計(jì)算與顯示；

5)各采集物理量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通訊功能；

6)儀器通訊狀態(tài)指示，溫度、濕度數(shù)據(jù)異常報(bào)警等系統(tǒng)診斷功能；

7)以設(shè)定的采樣周期采集數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)分析軟件；

8)采集物理量的預(yù)設(shè)功能：設(shè)置采集通道板卡與傳感器數(shù)量。

LabVIEW開(kāi)發(fā)的運(yùn)行主界面集成了多重信息顯示，包括測(cè)量數(shù)據(jù)、滾動(dòng)波形、狀態(tài)信息、報(bào)警信息等，界面如圖4所示。

考慮系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)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(yùn)行時(shí)，會(huì)自動(dòng)讀取“setup.ini”文件，將各通道的定義轉(zhuǎn)換為字符串?dāng)?shù)組加載，配置程序如圖5所示。采用配置文件調(diào)用的形式，即提升硬件冗余度，又提供足夠軟接口可供擴(kuò)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(diào)用Fig.5 Channel configuration information call

數(shù)據(jù)采集開(kāi)始前，需通過(guò)軟件配置采集器的信號(hào)通道、開(kāi)始時(shí)間、采集周期。因殼內(nèi)各傳感器體積系數(shù)不同，信號(hào)通道的配置關(guān)乎計(jì)算結(jié)果，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)輸入對(duì)應(yīng)配置。因主、從兩套采集系統(tǒng)分時(shí)采集，開(kāi)始時(shí)間及采集周期的配置關(guān)系到傳感器工作狀態(tài)，開(kāi)始時(shí)刻應(yīng)間隔足夠長(zhǎng)(設(shè)2.5 min)，采樣周期應(yīng)一致(設(shè)5 min)，避免兩套采集系統(tǒng)同時(shí)對(duì)就地傳感器供電，系統(tǒng)運(yùn)行前，應(yīng)準(zhǔn)確設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間或與GPS時(shí)鐘對(duì)時(shí)。

采集計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)卡與采集器連接，軟件自動(dòng)搜索接口VISA資源，通過(guò)設(shè)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(guò)設(shè)置COM端口信息與變送器通訊。

采集開(kāi)始后，34921A采集卡快速切換信號(hào)通道，34920采集器中的高精度萬(wàn)用表分別測(cè)量59個(gè)溫度及9個(gè)濕度通道數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)LAN局域網(wǎng)傳至數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，輸入LabVIEW字符串?dāng)?shù)組處理。在每個(gè)采集周期內(nèi)，采集器連續(xù)掃描3次選中的濕度信號(hào)通道，采集到3組電壓信號(hào)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理后的濕度值顯示并保存。每個(gè)濕度測(cè)點(diǎn)的顯示范圍為0%～100%RH，保留2位有效數(shù)字。軟件實(shí)現(xiàn)如圖6所示。溫度信號(hào)通道也是每個(gè)周期掃描3次，采集的信號(hào)為四線熱電阻，每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的顯示范圍為-20～100 ℃，保留2位有效數(shù)字，單個(gè)溫度大于50 ℃，或相鄰溫度測(cè)點(diǎn)溫度差大于3 ℃時(shí)，畫(huà)面狀態(tài)欄將顯示報(bào)警圖標(biāo)。

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?qū)崿F(xiàn)需調(diào)用LabVIEW算法庫(kù)的VISA資源，自動(dòng)打開(kāi)并掃描計(jì)算機(jī)串口，向串口寫(xiě)入?yún)f(xié)議指令，并讀取串口數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示及保存，編程如圖7所示。為避免數(shù)據(jù)沖突或無(wú)效數(shù)據(jù)，需設(shè)置合適的等待時(shí)間，時(shí)間可通過(guò)串口助手調(diào)試獲取。當(dāng)采集系統(tǒng)的兩塊絕壓表其中之一發(fā)生故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集中斷時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將故障測(cè)點(diǎn)剔除，使用正常測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)替代，即絕壓1=絕壓2，此時(shí)畫(huà)面狀態(tài)欄將顯示報(bào)警圖標(biāo)。

采集計(jì)算機(jī)采集到每個(gè)時(shí)刻的溫度、濕度、殼內(nèi)絕壓、大氣壓數(shù)據(jù)，需傳至分析計(jì)算機(jī)計(jì)算泄漏率。實(shí)現(xiàn)方式是在采集計(jì)算機(jī)中建立EXCEL數(shù)據(jù)文件，將各時(shí)刻的采集數(shù)據(jù)按坐標(biāo)寫(xiě)入數(shù)據(jù)表格，編程如圖8所示。分析計(jì)算機(jī)通過(guò)LAN局域網(wǎng)訪問(wèn)采集計(jì)算機(jī)EXCEL文件存儲(chǔ)地址，調(diào)取數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析計(jì)算。

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

圖8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shù)組。通過(guò)“字符串與數(shù)字轉(zhuǎn)換”“字符串合并” “字符串截取” “字符串匹配”等函數(shù)，在編程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)正確性判定、數(shù)據(jù)格式調(diào)整、參數(shù)識(shí)別、動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)連接等功能，解決了參數(shù)讀寫(xiě)、接口通訊中的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。

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

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)定時(shí)從數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)中讀取EXCEL表格，根據(jù)坐標(biāo)解析測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過(guò)泄漏率算法調(diào)用，分析計(jì)算。分析周期與數(shù)據(jù)采集周期一致(5 min)，每次數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)束后進(jìn)行一次分析計(jì)算。隨安全殼密封性試驗(yàn)，在整個(gè)安全殼升降壓過(guò)程(從大氣壓升至表壓0.42 MPa再降至大氣壓)，每隔5 min自動(dòng)取值分析計(jì)算，并實(shí)時(shí)顯示。

根據(jù)核電站設(shè)計(jì)安全準(zhǔn)則，在發(fā)生反應(yīng)堆失水事故(基準(zhǔn)LOCA)后24 h內(nèi)，安全殼泄漏率不得超過(guò)安全殼內(nèi)氣體總質(zhì)量的0.3%。轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)狀態(tài)下，24 h內(nèi)安全殼泄漏率不得超過(guò)安全殼內(nèi)氣體總質(zhì)量的0.160%，即：Fm+ΔFm≤0.160%安全殼內(nèi)氣體總質(zhì)量/24 h。其中，F(xiàn)m為試驗(yàn)期間測(cè)得的泄漏率,ΔFm為試驗(yàn)期間泄漏率Fm的測(cè)量不確定度。

3.1 異常數(shù)據(jù)剔除

試驗(yàn)過(guò)程中，可能因測(cè)量?jī)x器錯(cuò)誤或者數(shù)據(jù)采集儀器錯(cuò)誤而產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)，應(yīng)在計(jì)算中移除。針對(duì)各時(shí)刻質(zhì)量點(diǎn)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差：

(10)

(11)

(12)

(13)

式中:wi——?dú)埐?

si——標(biāo)準(zhǔn)差;

n——數(shù)據(jù)序列總數(shù)，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(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)后再次擬合干空氣質(zhì)量函數(shù)，以正確求解泄漏率數(shù)據(jù)[4]。

3.2 參數(shù)穩(wěn)定判斷

安全殼升壓通過(guò)空壓機(jī)送風(fēng)實(shí)現(xiàn)，降壓通過(guò)泄壓閥實(shí)現(xiàn)，安全殼內(nèi)大氣穩(wěn)定意味著安全殼內(nèi)干空氣質(zhì)量狀態(tài)穩(wěn)定。因此，整體泄漏率的計(jì)算應(yīng)在空氣狀態(tài)穩(wěn)定后進(jìn)行，穩(wěn)定時(shí)間最少應(yīng)為4 h。試驗(yàn)時(shí)安全殼內(nèi)大氣是否穩(wěn)定的判據(jù)，是以下兩點(diǎn)[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(duì)值必須小于或等于0.25La，即：|L2h-L1h|≤0.25La

式中,L1h——最后一個(gè)小時(shí)計(jì)算泄漏率的估算；L2h——最后兩個(gè)小時(shí)計(jì)算泄漏率的估算；La——密封性試驗(yàn)的最大允許泄漏率，La=0.160%安全殼內(nèi)氣體總質(zhì)量/24 h。估算方式如下：

(L1horL2h)

(16)

只有以上兩條準(zhǔn)則同時(shí)滿足，計(jì)算泄漏率才有意義，否則計(jì)算結(jié)果不能完全體現(xiàn)真實(shí)泄漏率。因此，在正式結(jié)果計(jì)算前，應(yīng)先做參數(shù)有效性判定。

4 結(jié) 論

通過(guò)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理方法優(yōu)化，據(jù)本文開(kāi)發(fā)的核電站安全殼密封性試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證，具有功能完善、系統(tǒng)運(yùn)行可靠、數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定、泄漏率計(jì)算準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，且試驗(yàn)平臺(tái)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可推廣運(yùn)用到不同堆型核電機(jī)組的安全殼密封性試驗(yàn)中。該試驗(yàn)系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)，使中國(guó)核電首次具備自主進(jìn)行安全殼整體密封性試驗(yàn)的能力，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。