對CPR1000機組在臨界啟機階段安全殼密封性的判斷

金　鑫，謝岱良，王志敏，申少華

對CPR1000機組在臨界啟機階段安全殼密封性的判斷

金鑫，謝岱良，王志敏，申少華

（廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港538000）

CPR1000機組正常運行時，通過安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)對其安全殼密封性進行實時監(jiān)測，并以安全殼內(nèi)外壓差在+60 hPa（6 kPa）下的泄漏率估算值來進行考核。該系統(tǒng)存在固有的計算模型缺陷，即在啟機積累擬合數(shù)據(jù)的初始階段，法定泄漏率值存在一個計算“真空期”。基于某核電廠1、2號機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行實踐及對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，對系統(tǒng)初始階段判斷安全殼密封性的思路進行了探討，并由此提出了一套判斷方案。該方案在一定程度上彌補了上述計算“真空期”的缺陷。

安全殼；密封性；初始階段；判斷方案

在CPR1000機組正常運行期間，通過安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)（以下稱EPP系統(tǒng)）對安全殼密封性進行在線連續(xù)性的監(jiān)測，其本質(zhì)是監(jiān)測安全殼內(nèi)的氣體質(zhì)量變化，具體為通過擬合安全殼日泄漏率［ld，m3/h（文中所指的氣體體積均為標(biāo)準狀況下的體積）］與安全殼內(nèi)外壓差（D，hPa）的趨勢關(guān)系來估算在+60 hPa（6 kPa）下安全殼的法定泄漏率（l60），原理見圖1。但在擬合ld-D趨勢的數(shù)據(jù)積累的初始階段，即EPP系統(tǒng)的初始化階段，由于數(shù)據(jù)點偏少且點分布相對集中，其擬合趨勢不具有代表性、真實性，因此該階段的數(shù)據(jù)趨勢不能客觀反映出安全殼日泄漏率與壓差的變化關(guān)系，進而也就無法估算出法定泄漏率值。

圖1　泄漏率計算模型Fig. 1 The model of leakage rate calculation

為保證點分布的相對離散，需滿足以下條件：有效數(shù)據(jù)點（ld，D）至少為5個；安全殼內(nèi)外壓差的分布跨度要不小于15 hPa（1.5 kPa）。一般來說，EPP系統(tǒng)初始化階段在5～10天，此階段的法定泄漏率值存在一個計算“真空期”，此為系統(tǒng)固有的計算模型缺陷所致。

1　安全殼泄漏率理論分布

安全殼泄漏率監(jiān)測的本質(zhì)是監(jiān)測安全殼內(nèi)氣體質(zhì)量的變化，相比于趨勢估算值l60，ld更能直觀地表征氣體質(zhì)量的變化趨勢。若安全殼存在較大漏點，則殼內(nèi)濕空氣標(biāo)準體積（vh）曲線會連續(xù)性呈較大幅度下降趨勢，與之相對應(yīng)，ld在較大正壓下會持續(xù)呈現(xiàn)一個較大負值。

從理論上講，安全殼密封性存在異常（即存在漏點）時，ld與D應(yīng)基本服從圖2、圖3所示的分布。

圖2　擬合直線不同的象限分布Fig. 2 The distribution of fitted lines in different quadrant

圖3　擬合直線不同的斜率分布（|K3|＞|K2|＞|K1|）Fig. 3 The different slope of the fittedlines（|K3|＞|K2|＞|K1|）

在安全殼密封性的估算與評價中，1、2、3直線依次代表著嚴重程度遞增的異常工況趨勢。同時，對于ld來說：在同一D下，|ld3|＞|ld2|＞|ld1|。也就是說，在正壓下ld越負，負壓下ld越正，l60擬合直線斜率越負，對密封性評價越不利；所以，初始化階段ld的數(shù)值及分布對泄漏率狀態(tài)（即密封性）的判斷具有較大的參考意義。若能分別了解日泄漏率數(shù)據(jù)在泄漏率狀態(tài)正常時的一般統(tǒng)計分布和泄漏率狀態(tài)異常時的特殊分布，同時結(jié)合一定的理論限值分析，就能在工程實踐中更加客觀準確地判斷泄漏率的真實狀態(tài)。

2　數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

分別從ld數(shù)據(jù)分析、初始化階段ld數(shù)據(jù)分析、ld反算安全殼殼內(nèi)凈壓升三個維度來說明安全殼密封性的判斷方法。

2.1　Qld數(shù)據(jù)分析

主要針對ld的正負分布、數(shù)值區(qū)間分布及單個壓力循環(huán)內(nèi)的分布情況，統(tǒng)計某電廠1、2號機組EPP系統(tǒng)從2016年（機組首次臨界投用）至2021年采集到的數(shù)據(jù)，并進行分析，ld樣本量約3 200個。

2.1.1ld正負分布

在安全殼密封性正常時，對應(yīng)若干個壓力循環(huán)，ld正負性在整體上表現(xiàn)出一種隨機性分布，與D并沒有呈現(xiàn)出較有規(guī)律的關(guān)系，但總體說來負值偏多。若將D分成（-30?hPa，0）、（0，20?hPa）、（20?hPa，60?hPa）三個局部區(qū)間，對應(yīng)不同區(qū)間，ld也基本呈現(xiàn)出一種隨機性分布。在負壓差下，ld正負不定；在正壓差下，ld亦正負隨機，但總體上負值偏多。

2.1.2ld數(shù)值區(qū)間分布

在安全殼密封性正常時，ld數(shù)值區(qū)間分布如下：絕大多數(shù)（約97%）分布在（-1.5，2），小概率情形（2%～3%）≤-1.5，小概率情形（約1%）≥2。據(jù)此分布可認為，在安全殼密封性正常時，ld≤-1.5?m3/h或ld≥2?m3/h的情形為小概率事件，再結(jié)合實際推斷原理（小概率事件一般來說不會發(fā)生），可得出結(jié)論：若某天實際計算出的ld出現(xiàn)此小概率事件，則有理由懷疑該數(shù)據(jù)反常，需重點關(guān)注與分析。

2.1.3單個壓力循環(huán)內(nèi)的ld變化

機組正常運行期間，在單個壓力循環(huán)內(nèi)，可能使安全殼密封性發(fā)生變化的隔離閥一般來說不會動作（安全殼空氣監(jiān)測系統(tǒng)周期性排放除外）。據(jù)此可認為，此階段安全殼的密封性會保持一個穩(wěn)態(tài)，進而可說ld應(yīng)保持一個相對穩(wěn)定的數(shù)值，至少其正負性應(yīng)該不變。然而，在系統(tǒng)實際計算中通常會發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)某一個壓力循環(huán)，在安全殼密封性正常且沒有發(fā)生變化時，ld數(shù)值乃至正負都會表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性，這其實也從一個側(cè)面反映出EPP系統(tǒng)計算模型的粗略性。

綜上所述，得出結(jié)論一：

在安全殼密封性正常時，ld特征如下：正負隨機分布，總體負值偏多；數(shù)值絕大多數(shù)分布在（-1.5，2），小概率情形下ld≤-1.5或ld≥2；數(shù)值及正負會隨機波動。

2.1.4小概率事件情形

考慮到安全殼泄漏率異常時的最不利情形為真實存在漏點，從理論上講，此時ld（在正壓下）會呈現(xiàn)連續(xù)性較大負值，故筆者主要對ld≤-1.5?m3/h的數(shù)據(jù)進行討論。值得強調(diào)的是，以下統(tǒng)計均選取的是安全殼泄漏率正常時的數(shù)據(jù)。

日泄漏率為量化每日安全殼內(nèi)濕空氣標(biāo)準體積（vh，m3）的變化趨勢，其數(shù)學(xué)思想就是對vh曲線進行線性擬合求其變化率。那么，通常vh曲線有以下三種典型分布走勢：

（1）整體連續(xù)、平滑；

（2）存在拐點，局部連續(xù)、平滑；

（3）整體分布混亂，無典型趨勢。

對于走勢（1），趨勢明顯、典型，計算簡單；對于走勢（2），因熱力瞬態(tài)變化或運行操作使vh曲線存在拐點突變，此時需對曲線進行拐點識別、分段計算，然而此種曲線變化工況較多，提出一種包容性較好的分段算法相對困難；對于走勢（3），vh曲線分布混亂，對整體抑或局部均無趨勢可講，此種數(shù)據(jù)已經(jīng)不具備采取線性擬合求趨勢的特征，在處理中應(yīng)視為無效數(shù)據(jù)，但在當(dāng)前設(shè)計層面，此vh曲線工況未作考慮。

為更多地分析ld的計算情況及對應(yīng)的vh曲線趨勢，擴大了分析范圍，即從滿足ld≤-1 m3/h的數(shù)據(jù)開始統(tǒng)計。分析表明：在系統(tǒng)計算值滿足ld≤-1.5時，實際上均為分段計算失效所得，具體說是對應(yīng)的vh曲線存在趨勢變化，本應(yīng)予以分段計算而系統(tǒng)卻沒能有效地判斷識別，進而計算出來的ld也就不能客觀地表征當(dāng)天的vh變化趨勢；如果進行了有效合理的分段計算，就會發(fā)現(xiàn)分段計算后的ld值會大大減小。

對此，可得出結(jié)論二：

在安全殼密封性正常時，ld呈現(xiàn)出如下特征（在系統(tǒng)當(dāng)前算法下）：-1.5＜ld≤-1可能為系統(tǒng)正常計算所得，也可能為分段計算失效所得；ld≤-1.5均為系統(tǒng)分段計算失效所得，此較大負值是虛假顯示；倘若對所有存在趨勢變化的vh曲線均能進行合理分段，則真實ld基本不會低于-1.5。

將結(jié)論二與結(jié)論一相結(jié)合，則進一步有：小概率事件情形下可能會出現(xiàn)ld≤-1.5，而具體分析所有的ld≤-1.5對應(yīng)的vh曲線后發(fā)現(xiàn)，其均為系統(tǒng)分段計算失效所致，真實趨勢變化率實則較小。進而可得出推論三：在安全殼泄漏率狀態(tài)正常階段，若能對vh曲線進行合理有效分段計算，則基本不可能甚至完全不可能出現(xiàn)ld≤-1.5的情況，若在實際運行中出現(xiàn)了真實的ld≤-1.5的情形，尤其是連續(xù)性多個出現(xiàn)，則有理由認為泄漏率狀態(tài)存在異常的可能性較大。

2.2　初始化階段Qld歷史數(shù)據(jù)分析

筆者選取初始化階段的歷史數(shù)據(jù)進行分析，鑒于某電廠101大修及201大修上行初始化階段的工況較為典型，故予以重點關(guān)注。

2.2.1101大修歷史數(shù)據(jù)分析

101大修上行初始化階段ld數(shù)據(jù)、vh曲線分別如表1和圖4所示。

表1　101大修上行初始化數(shù)據(jù)Table 1 The initialization data of Unit 1 in the first refueling outage

圖4　101大修上行初始化階段Dvh曲線Fig. 4 The Dvh curve of the Unit 1 in the first refueling outage

系統(tǒng)初始化之初，D在25?hPa左右，初始化階段ld均為正值，vh曲線持續(xù)上升，初始化結(jié)束后首個l60為-3.6?m3/h，此數(shù)值（絕對值）較正常數(shù)據(jù)遠遠偏大，泄漏率稍顯異常。但若要評價安全殼密封性，則可很確定地判斷為安全殼密封性正常，論據(jù)為：安全殼始終處于正壓（最大正壓為+40.97?hPa）的初始化階段，安全殼內(nèi)氣體質(zhì)量變化的本征變量vh呈連續(xù)上升或保持走平趨勢，此情形下安全殼密封性不可能存在異常。

那么，l60為-3.6?m3/h這一較大量值又該如何理解與解釋？可以肯定地說，此數(shù)據(jù)為虛假顯示，且真實l60量值會較小。此外，隨著后續(xù)有效數(shù)據(jù)點的更新累計，l60值（絕對值）會趨于減小，漸至正常。對于偏大負值的解釋如下。

（1）初始化階段數(shù)據(jù)點量少且相對集中，l60估算通常具有較大不確定度。線性擬合原理是利用數(shù)理統(tǒng)計進行趨勢預(yù)測，數(shù)據(jù)量越多且越離散，擬合趨勢越客觀，反之，則越失真，此為計算模型局限所致。

（2）初始化階段ld算法包容性不盡完善。計算出的ld不能絕對準確地表征vh曲線的真實趨勢，對于某些存在趨勢明顯變化的曲線未能識別進而分段計算，導(dǎo)致ld量值（絕對值）偏大，而在初始化階段對擬合直線的走勢，每一個數(shù)據(jù)點的分布（尤其是首尾端點）都占據(jù)著極大的貢獻比例，所以量值偏大的ld值會直接導(dǎo)致擬合值l60數(shù)據(jù)量值偏大。具體來講，當(dāng)前系統(tǒng)初始化階段僅以不確定度ld≥3為ld的分段計算判斷邏輯，此設(shè)定對實際工況的包容性及適用性極小。圖4中的第1天數(shù)據(jù)ld即明顯表現(xiàn)出上述計算不準確的情形。

（3）數(shù)據(jù)分布的巧合性。由結(jié)論一可知，在安全殼密封性正常階段，ld分布及計算存在一定的隨機性，包括正負和數(shù)值本身。表1中的ld數(shù)據(jù)就明顯表現(xiàn)出某種程度的巧合，在可以確定泄漏率正常的前提下，ld與D恰好呈現(xiàn)出較大負斜率趨勢—D變大、ld變小，擬合趨勢與實際vh曲線情況明顯相悖。

（4）存在人工識別干預(yù)的設(shè)計盲區(qū)。上述（1）為模型局限；（2）為算法局限，同時系統(tǒng)在設(shè)計層面還存在著初始化階段人工識別干預(yù)的盲區(qū)，進一步加劇了初始化階段l60計算的不精確性甚至不可控性。

2.2.2201大修歷史數(shù)據(jù)分析

201 大修上行初始化階段的ld數(shù)據(jù)、vh曲線如表2和圖5所示，初始化結(jié)束后7天的vh曲線如圖6所示。

經(jīng)實踐證明，此次初始化階段安全殼泄漏率真實異常，存在一貫穿件性質(zhì)的漏點（風(fēng)閥關(guān)閉不嚴），導(dǎo)致安全殼泄漏率接近運行限值。從vh曲線走勢和ld數(shù)據(jù)計算看，同時結(jié)合后續(xù)的安全殼漏點排查及處理過程，此事件始末可謂典型的安全殼泄漏率異常工況。

表2　201大修上行初始化數(shù)據(jù)Table 2 The initialization data of Unit 2 in the first refueling outage

其一，vh曲線在正壓下規(guī)律性地呈現(xiàn)出連續(xù)、平滑的大幅下降趨勢，這就最直觀地反映出安全殼內(nèi)氣體在不斷外泄、氣體凈質(zhì)量在持續(xù)衰減，表明了安全殼存在漏點；并且在漏點消除后，vh曲線原有的不斷下降趨勢隨即得以遏止，轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)出走平之態(tài)。其二，ld在計算較為客觀準確的情況下，在正壓下整體性表現(xiàn)出較大負值，這與在泄漏率狀態(tài)正常情況下的ld值正負隨機且量值較小的統(tǒng)計情況存在明顯、強烈的反差。其三，ld與D關(guān)系基本符合泄漏率理論模型，實踐驗證了理論，但要說明的是，并不是一旦在某個階段ld-D關(guān)系分布呈現(xiàn)出此種關(guān)系，就能代表安全殼泄漏率存在異常，101大修上行初始化階段即為此情形，此理論模型僅為安全殼存在漏點的必要條件。

圖5　201大修上行初始化階段Dvh曲線

圖6　201大修上行初始化結(jié)束后7天Dvh曲線

綜上所述，初始化結(jié)束伊始階段l60數(shù)據(jù)具有較大偏差，可信度較低，泄漏率狀態(tài)應(yīng)由vh曲線趨勢變化進行根本的定性判斷，同時輔助以關(guān)注ld數(shù)據(jù)進行定量判斷，具體如下。

（1）定性判斷。最直觀也最根本的指標(biāo)為vh曲線，vh曲線趨勢變化可定性地判斷泄漏率狀態(tài)是否正常。若在正壓下的連續(xù)若干天內(nèi)無持續(xù)性大幅走低趨勢，即可基本斷定泄漏率正常；反之，則存在異常的可能性較大。

（2）定量判斷。在ld計算準確的前提下，若正壓下的若干天內(nèi)不連續(xù)性出現(xiàn)較大負值，則基本可判斷泄漏率正常，再結(jié)合ld數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)論二和推論三，此較大負值可把統(tǒng)計值-1.5 m3/h作為參考限值。加之，通常來講，初始化階段前2～3天基本均滿足D為較大正壓情形，則進一步可說，若初始化階段前2～3天不連續(xù)出現(xiàn)ld≤-1.5 m3/h的數(shù)據(jù)情況，則基本可判斷泄漏率狀態(tài)正常，若前2～3天內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)或出現(xiàn)多個ld≤-1.5 Nm3/h的數(shù)據(jù)，則泄漏率真實異常的可能性較大。

2.3　Qld反算安全殼內(nèi)凈壓升

安全殼泄漏率狀態(tài)是否正常，殼內(nèi)氣體壓力、溫度參數(shù)變化也具有一定的參考性，尤其是看正壓下殼內(nèi)氣體在排除溫度變化后的凈壓升。一般來講，泄漏率異常，殼內(nèi)壓力漲幅較小或者基本不漲；泄漏率正常，殼內(nèi)壓力上漲正常。下面就一般工況下正常幅度的日凈壓升給出一個參考說明。

如圖7所示，主要考慮核島儀用壓縮空氣分配系統(tǒng)氣體的注入量SAR和ld的泄漏量，以計算殼內(nèi)氣體凈質(zhì)量變化（D），換算出理論日凈壓升（d），而后與實際日凈壓升（d）比較。要注意的是，上述計算均以當(dāng)天00:00時刻溫度（初）為基準。參考一般歷史數(shù)據(jù)，賦值SAR=7 m3/h，初=37 ℃，=49 400 m3，同時以參考限值ld=-1.5 m3/h代入計算，可得d=2.97 hPa；若以ld=+1.5 m3/h代入計算，則得出d=4.6 hPa。也就是說，在實際工況接近SAR=7 m3/h、初=37 ℃時，理論上殼內(nèi)凈日壓升大概在3～4.6 hPa。當(dāng)然，實際工況下的理論壓升范圍要以實際數(shù)據(jù)代入計算，可能略有差異，尤其是SAR流量值對壓升的貢獻率極大，需保證示值處于正常水平，同時，在正壓下關(guān)注殼內(nèi)壓升情況更加保守，參考意義也就更大。對上述d上下限值分別取整，即得到一般工況下正常幅度的日凈壓升范圍為（3，4.6）hPa。

圖7　安全殼內(nèi)日凈壓升推算

3　初始化階段安全殼泄漏率判斷方案

第2章中，分析某核電廠1、2號機EPP系統(tǒng)近五年的日泄漏率歷史數(shù)據(jù)和初始化階段數(shù)據(jù)，由此得出了在安全殼泄漏率狀態(tài)正常時ld的一般分布和在安全殼泄漏率存在異常時ld及vh曲線的特殊情形；同時，結(jié)合歷史運行數(shù)據(jù)，對一般工況下的安全殼日凈壓升（D）進行了反推估算。此外，考慮到EPP系統(tǒng)預(yù)投用及正式投用節(jié)點的實際選擇，基于此，得出以下初始化階段安全殼泄漏率狀態(tài)判斷方案，如圖8所示。

圖8　初始化階段泄漏率狀態(tài)判斷方案Fig. 8 The scheme of leakage rate estimation in the initialization phase

4　結(jié)論

本文統(tǒng)計歸納了某核電廠兩臺機組EPP系統(tǒng)在安全殼泄漏率狀態(tài)正常和泄漏率異常時的歷史運行數(shù)據(jù)，提出了如下的泄漏率狀態(tài)判斷方案：初始化結(jié)束伊始階段+60?hPa下的法定泄漏率值數(shù)據(jù)具有較大偏差，可信度較低，初始化期間泄漏率狀態(tài)應(yīng)根據(jù)安全殼內(nèi)濕空氣標(biāo)準體積曲線趨勢變化進行根本的定性判斷，同時，輔助以關(guān)注日泄漏率和安全殼內(nèi)日凈壓升數(shù)據(jù)進行定量判斷。此方案的提出在一定程度上彌補了CPR1000機組EPP系統(tǒng)固有的在初始化階段存在泄漏率值的計算“真空期”的缺陷，并為從業(yè)人員提供了判斷安全殼泄漏率狀態(tài)的一種相對全面及量化的方法。

鑒于不同核電廠機組間存在實際運行差異，文中總結(jié)提出的初始化階段泄漏率狀態(tài)判斷方案需結(jié)合實際運行工況予以應(yīng)用。

The Judgment on Containment Airtightness at the Critical and Startup Stage of CPR1000

JIN Xin，XIE Dailiang，WANG Zhimin，SHEN Shaohua

（Guangxi Fangchenggang Nuclear Power Co.，Ltd.，F(xiàn)angchenggang of Guangxi Prov. 538000，China）

During the normal operation of the CPR1000, containment airtightness is monitored in real time by the Containment Leakage Monitoring System (hereinafter referred to as EPP) and is evaluated by Ql60, estimating containment’s leakage under a pressure difference of +60 hPa (6 kPa) inside and outside the containment. Due to the inherent calculation model, EPP can’t figure out Ql60 in the fitting data accumulation stage. Based on the statistics of EPP’s historical operating data from a nuclear power plant, this article discusses how to estimate the containment airtightness in the initial phase and raises a scheme.

Containment airtightness; Initial phase; Estimation

TH48

A

0258-0918（2022）06-1441-08

2021-10-28

金 鑫（1988—），男，湖北十堰人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)主要從事核電廠性能試驗方面研究