卡拉奇2號機(jī)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(tǒng)”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(chǎn)生的放射性物質(zhì)，維護(hù)公眾的安全[1]。安全殼整體性試驗是核電廠調(diào)試及在役期間的大型專項試驗，采取向安全殼內(nèi)充入壓縮空氣，模擬核反應(yīng)堆在失水事故(LOCA) 狀態(tài)下的安全殼內(nèi)狀態(tài)。巴基斯坦卡拉奇 2號機(jī)組是中國具有自主知識產(chǎn)權(quán)三代壓水堆核電技術(shù)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(diào)試關(guān)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(wěn)定可靠，在機(jī)組調(diào)試和大修期間大多采用租賃臨時空壓機(jī)組進(jìn)行安全殼打壓。由于卡拉奇2號機(jī)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(chǎn)系統(tǒng)”為安全殼充壓的方案，并對方案的可行性進(jìn)行分析，驗證其是否滿足安全殼打壓試驗要求，為后續(xù)機(jī)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(xiàn)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(jié)果。國內(nèi)核電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)以及《壓水堆核電廠安全殼結(jié)構(gòu)整體性試驗》(NB/T 20017—2010 )的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[2-3]。標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)整體性試驗》第5.3節(jié)中規(guī)定：壓力的加減速率每小時不應(yīng)大于最高試驗壓力的20%。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，在安全殼整體性試驗中，為避免內(nèi)部構(gòu)件吸氣現(xiàn)象，加壓速率通?？刂圃?12 kPa/h以內(nèi)。

當(dāng)前同類核電機(jī)組安全殼整體試驗期間升降壓速率仍以工程經(jīng)驗為標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。為了提高試驗效率和經(jīng)濟(jì)性，充壓設(shè)備的選擇通常應(yīng)滿足最大升壓速率的要求。以下對典型核電機(jī)組調(diào)試期間安全殼打壓關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行簡要對比分析[4-6]，如表1所示。

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

通過對典型機(jī)組的安全殼試驗充壓過程數(shù)據(jù)對比分析，不同堆型的安全殼自由容積不同，設(shè)計壓力存在差異，但升壓速率通常能達(dá)到設(shè)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(shù)核電機(jī)組都采用了移動式輔助空壓機(jī)組的形式進(jìn)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(tǒng)的空壓機(jī)組有足夠的也可用于安全殼打壓，如恰?，敽穗姀S和方家山核電廠等核電項目?？ɡ?號機(jī)組反應(yīng)堆廠房采用雙重安全殼設(shè)計，內(nèi)層安全殼自由容積為89 000 m3，安全殼設(shè)計壓力為0.42 MPa?？紤]安全殼內(nèi)部構(gòu)件吸氣現(xiàn)象，升壓速率最大值為15 kPa/h。機(jī)組安全殼自由容積相比現(xiàn)有機(jī)組設(shè)計的明顯增大，采用電廠壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)行安全殼打壓的方案對試驗進(jìn)度影響仍需分析論證。

2 充壓過程分析

卡拉奇2號機(jī)組安全殼整體性試驗包括將安全殼內(nèi)的空氣壓力升至設(shè)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(nèi)空氣壓力提高到設(shè)計壓力的 1.15倍，即 0.483 MPa，進(jìn)行內(nèi)層安全殼強(qiáng)度試驗。安全殼整體性試驗的主要充過程為，通過充壓設(shè)備將安全殼內(nèi)壓縮空氣的壓力由常壓(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)充至最高壓力(0.483 MPa)，充壓設(shè)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(shè)備的供氣量直接影響安全殼的升壓速率與升壓時間，根據(jù)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(tài)下，安全殼內(nèi)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(nèi)設(shè)備對體積影響，安全殼充壓所需的壓縮空氣體積流量應(yīng)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(nèi)殼自由容積;

R——空氣氣體常數(shù)287.0 J/(kg·K);

T——安全殼內(nèi)平均溫度 293K(20 ℃);

ρ——空氣密度1.205 kg/m3(20 ℃，1個標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(shè)備供氣量應(yīng)為：

Q=ΔPV/RTρ

=13 175 m3/h

安全殼充壓過程的升壓時間應(yīng)為：

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

經(jīng)理論計算可知，滿足安全殼打壓試驗?zāi)軌蛞宰畲笊龎核俪鋲?，安全殼供氣量?yīng)大于13 175 m3/h，由此為安全殼打壓空壓機(jī)組總供氣容量的選擇提供了理論參考依據(jù)。

2.2 壓縮空氣系統(tǒng)供氣方案分析

卡拉奇核電廠是雙堆布置機(jī)組，壓縮空氣生產(chǎn)系統(tǒng)(WAP)主要設(shè)備包括雙機(jī)組公用的主空氣壓縮機(jī)組和單機(jī)組獨立的應(yīng)急空氣壓縮機(jī)組。其中主空氣壓縮機(jī)機(jī)型式為水冷無油螺桿式空氣壓縮機(jī)，應(yīng)急空氣壓縮機(jī)型式為風(fēng)冷無油螺桿式空氣壓縮機(jī)?？諝鈮嚎s機(jī)配有干燥過濾設(shè)備，保證氣體達(dá)到預(yù)期的露點和品質(zhì)要求?？諌簷C(jī)組及配套設(shè)施的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 卡拉奇核電廠空氣壓縮機(jī)參數(shù)表Table 2 The air compressor parameters of Karachi nuclear power plant

卡拉奇2號機(jī)組安全殼整體性試驗提出使用BOP空壓機(jī)廠房內(nèi)四臺主空氣壓縮機(jī)作為主氣源，并將核島廠房內(nèi)應(yīng)急空氣壓縮機(jī)作為補(bǔ)充氣源的供氣方案?；赪AP系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)的額定排氣量，并考慮配套設(shè)施耗氣量，供氣量計算如下：

主空壓機(jī)組總排氣量：

Qm=35 Nm3/min×4×60×(1-15%)

=7140 m3/h；

應(yīng)急空壓機(jī)組總排氣量：

Qe=222 Nm3/min×2×60×(1-15%)

=2244 m3/h。

因此WAP系統(tǒng)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(jī)組，無應(yīng)急空壓機(jī)組，有效總排氣量：Q1=7140 Nm3/h；

2)方案2：采用主空壓機(jī)組和單機(jī)組應(yīng)急空壓機(jī)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(jī)組和雙機(jī)組應(yīng)急空壓機(jī)組，有效總排氣量：

Q3=7140 Nm3/h+2244 m3/h×2

=11 628 Nm3/h。

將WAP系統(tǒng)三種供氣方案的供氣流量Q1、Q2、Q3考慮系統(tǒng)管網(wǎng)15%損耗后分別代入2.1節(jié)中式(2)和式(3)，計算得出各方案對應(yīng)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(tǒng)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(jī)組主氣源為安全殼打壓的理論升壓速率僅為6.9 kPa/h，遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)承受壓力的時間延長較多，尤其承受高于設(shè)計壓力的時間延長，對安全殼結(jié)構(gòu)有一定的不利影響。因而只采用主空氣壓縮機(jī)組的供氣方案在一定程度上不滿足2號機(jī)組安全殼充壓要求，不建議采用。將核島應(yīng)急空壓機(jī)組作為備用氣源同時用于2號機(jī)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(jìn)度及安全殼混凝土結(jié)構(gòu)影響較小。

3 供氣方案實施

基于上文分析，卡拉奇2號機(jī)組安全殼整體性試驗采用主空氣壓縮機(jī)作為主氣源，應(yīng)急空氣壓縮機(jī)作為補(bǔ)充氣源的供氣方案。機(jī)組壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計中，主空氣壓縮機(jī)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(bǔ)充氣源的應(yīng)急空壓機(jī)組無正式管線直接為安全殼充壓，需增設(shè)臨時管道將應(yīng)急空壓機(jī)組接入充壓管線上的臨時充壓口。

壓縮空氣系統(tǒng)供氣方案與租用臨時空氣壓縮機(jī)組供氣方案的最大區(qū)別在于臨時空氣壓縮機(jī)組與現(xiàn)場壓縮空氣系統(tǒng)相互獨立，而壓縮空氣系統(tǒng)供氣方案除了滿足安全殼打壓要求的情況下，還需保證機(jī)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(shè)備用氣。因此，安全殼充壓過程中最為關(guān)鍵的在于控制流量調(diào)節(jié)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(wǎng)壓力將降低，難以滿足機(jī)組系統(tǒng)用氣需求。為此，將壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)壓力信號引入就地顯示，通過觀察儀器顯示的壓力來調(diào)節(jié)閥開度，滿足機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)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(shè)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(jī)組安全殼整體性試驗充壓過程采用2.2節(jié)中方案3的供氣方式，試驗期間4臺主空氣壓縮機(jī)組和4臺應(yīng)急空氣壓縮機(jī)全部用于安全殼打壓。為了確保壓縮空氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，7臺空壓機(jī)運(yùn)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(tǒng)實時顯示，安全殼泄漏率的測量原理同樣基于理想氣態(tài)方程，有溫度、壓力、流量、露點等傳感器，將測得的信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換由數(shù)據(jù)采集器送至工控機(jī)做計算處理。系統(tǒng)儀器精度很高，可通過軟件結(jié)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(tǒng)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(jī)組采用的臨時空氣壓縮機(jī)組的供氣方式，卡拉奇2號機(jī)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(nèi)。如圖3所示。

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

5 結(jié)論

1)安全殼整體性試驗是核電廠調(diào)試的關(guān)鍵工作，通常采用臨時空氣壓縮機(jī)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(jié)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(jié)果可以評估不同供氣量大小所對應(yīng)升壓速率大小或滿足最高升壓速率下充壓設(shè)備的最小供氣量。為卡拉奇2號機(jī)組采用壓縮空氣系統(tǒng)供氣方式下安全殼試驗期間的升壓速率和試驗時間的預(yù)期結(jié)果提供理論分析依據(jù)。

3)通過對卡拉奇2號機(jī)組充壓管線的設(shè)計改造實現(xiàn)壓縮空氣系統(tǒng)最大供氣能力下的安全殼打壓方案，并對充壓過程進(jìn)行有效的控制保證系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下滿足最大安全殼充壓的要求?？ɡ?號機(jī)組試驗期間的測量的升壓速率與預(yù)期結(jié)果相吻合，驗證了壓縮空氣系統(tǒng)供氣方式可行。