安全壳泄漏率在机组启动阶段的超限分析及处理

刘跃锋，刘祖伦，杨 峰，王 晋，曹迎锋，张剑辉

（中核控制系统工程有限公司，北京 100176）

安全壳泄漏率在机组启动阶段的超限分析及处理

刘跃锋，刘祖伦，杨 峰，王 晋，曹迎锋，张剑辉

（中核控制系统工程有限公司，北京 100176）

简要介绍了安全壳泄漏率在线监测系统。针对多个机组在首次向功率运行的启动过程中，都出现了泄漏率高、不确定度高、DCS安全报警被触发等现象，但经实际排查后却未能发现泄漏途径的情况，通过对各机组临界期间采集数据的分析，结合监测系统的算法，对上述现象进行了分析研究，提出了在启动阶段泄漏率的计算并不准确，以及在此期间的处理建议。

安全壳泄漏率；EPP系统；泄漏率分析；临界

在机组运行阶段，泄漏率监测系统能够进行实时的泄漏率监测，并在监测值达到运行限值时发出报警，提示操作员采取必要措施。然而国内多个机组在 “升温升压—临界—功率运行”的阶段，都出现了安全壳泄漏率超限并触发DCS报警，但经过实地检测密封件隔离阀等设备皆无异常泄漏，且泄漏率在数周后又会自动恢复正常水平的情况。本文结合现场数据及工艺流程，从泄漏率算法原理、算法适用性等方面，对这一现象进行了分析和研究。

1 系统结构及原理

1．1 系统结构

以典型的M310双机组为例，安全壳泄漏率监测系统一般布置在电气厂房，每个机组拥有一个独立的控制系统柜及一个公用的端子柜。系统在安全壳内10个不同的高度布置有10台温度传感器；在2个不同的高度上分别布置有2台湿度传感器；在2个高度上布置有2台压力传感器，以及壳外一台测量大气压力的压力传感器。传感器通过现场仪表箱－－安全壳贯穿件－－端子柜，将信号送至控制柜的IO板卡及控制器中进行数据计算和分析［1］（见图1）。

图1 系统结构图Fig．1 System architecture

1．2 算法原理

目前国际上比较普遍的计算方法有美、法、俄三种标准，三种计算方法都是基于理想气体状态方程的延伸运算，只是具体的计算公式以及对泄漏率的定义有所不同［2］。我国建立的安全壳密封性试验规范，其基本原理为，根据理想气体状态方程PNVN＝mrTN，可知气体标准体积为：

由于r，TN，PN都是常数，所以标准体积反映的就是气体的质量。因而安全壳的泄漏率Q1可表示为

其中，VNS表示干空气的标准体积，Qsar为压空母管流量。由于实际的泄漏不可能完全是干空气，故将安全壳内的气体看成是由空气和水蒸气两种理想气体组成的混合气体，由道尔顿气体分压原理有：Pcon＝Ps＋Pv，其中Ps、Pv表示干空气和饱和水蒸气分别单独充满安全壳时形成的分压。而根据平均温度Tavg和平均相对湿度Havg可计算出当前湿度下，水蒸气分压Pv：

其中由IFC关系式给定PVsat（Tavg）＝βk（Θ）×PC：

其中Θ＝Tavg／TC，k1～k9、TC、PC都为常数，故通过式 （3）和式 （4），可对PV进行实际求解，并通过一系列计算，对式 （2）中的干空气标准体积VNS进行湿度修正。限于篇幅关系，本文不再对计算过程做详细介绍。

2 临界前后阶段的报警

一般情况下，监测系统在安全壳完全封闭后启动，反应堆亦在数日后经过升温升压达到临界状态。由于系统更新泄漏率计算值为每日零点，报警往往出发时间也为午夜。按照国内各机组的 《运行规范》中所述，安全壳泄漏率监测系统应在机组启动前开启监控，此后当任意时刻出现 “泄漏率高”的报警时，操作员需根据泄漏率超出限值的程度，按不同的步序在不同的时间内将机组由功率运行向冷停堆等模式后撤。然而此时查询监测系统历史数据往往无明显异常值，这一现象对操作员会产生困扰和担忧，也较难向监测站、安全局等部门做出泄漏率高的合理解释。

3 报警分析

不同的机组，若在特定时期内使用同一算法都会产生报警，那么很可能报警本身并不是实际状况的反馈，因此本文从临界期间的壳内环境以及算法原理等方面，对泄漏率高值成因进行分析。

3．1 温度场湿度场的差异性

在电厂启动的整个流程中，机组经历RCP系统升温—稳压器建立气腔—RRA隔离—升温至热停堆—临界及热备用—二回路主蒸汽暖管—汽轮机冲转并网等一系列阶段后达到稳态运行的状态。而在此期间，安全壳内的环境会保持持续性的变化直至稳态运行。

图2为国内某机组首次启动过程中壳内温湿度变化的趋势图。可以看出，在临界前期，伴随着一回路的升温，壳内平均温度有着明显的提升，从安全壳封闭期间的21．1℃升至临界期间的33．7℃，由此可见壳内设备的运转对环境有着绝对的影响。由于安全壳容积将近50 000m3，其温度和湿度的测量不能以个别测点值或多个测点的无差异均值为准，故十余个壳内温湿度测量仪表的测点选取，是结合环境监测的最优测点法及最优分布法，以及对安全壳三维空间布置、各个设备环境影响因子、总体权重等因素综合分析后而得出的选择结果。在安全壳泄漏率的计算中，定义安全壳平均温度和平均湿度为：

图2 某机组首次投运阶段壳内温湿度变化趋势Fig．2 Trends of temperature and humidity in the containment during the initial activation of the unit

其中，Vi为每个传感器赋予它所能反映的安全壳内空间的体积值，VL＝50 637m3为安全壳的自由容积。在稳态运行期间，不同参数的气体充分对流，热量充分交换。根据空气梯度性的分布原则，气体温度在局部范围内的任意方向上都呈线性状态，故将安全壳内的空间分割为网络矩阵，运用A－Star算法寻求每个矩阵单元到达测量仪表的最优路径，并通过对多个最优路径的比较确定单个矩阵单元的仪表隶属，从而得到每个测量点的体积权重Vi［3］。但上述关于测点的考量基准都是建立在机组稳态运行的基础之上的，而在机组启动期间，RRA系统、冷却剂系统等诸多机组设备是处于与稳态运行阶段相异的运行状况的，故各系统及设备阶段性的投运和停止，对其周围环境温度会造成的阶段性的影响。况且安全壳处于封闭初期，气体交换不充分，纵向环境梯度分布不显著，与稳态期间的大气环境有着明显不同 （见图3）。在这种环境下，针对充分流通交换、梯度分布显著的稳态阶段空气环境所订制的各测量点权重分配配比，并不能很好地适用于。同时，由于温度的上升，壳内空气的饱和水汽压上升，虽然相对湿度有所下降，但由于温度的大幅提升，增大了液体的分子平均动能，加强了安全壳内地面积水、地坑等自由液面的蒸发作用，等同于向壳内大气中加注了饱和水蒸气，所以实质上壳内的绝对湿度是增加的。额外注入的水蒸气改变了安全壳作为一个封闭空间、气体总质量不变的物理性质，因而对安全壳的气体质量变化，暨安全壳的泄漏率计算有着直接的影响。

此外，个别机组在安全壳封闭、电厂启动流程开始后，仍会进行穹顶环吊或其他类别的人员作业。环吊的移动必然会使得安装在穹顶的测量仪表与监测计算系统离线 （目前国内EPP系统安全壳顶部测量仪表的安装位置，普遍都是在环吊吊臂及穹顶上，通过设立在环吊检修通道及环吊上的两个转接箱实现跨接，环吊在进行移动作业时需拆卸跨接电缆，参考图1），而安全壳人员闸门的开闭，则会使壳内空气压力跟随壳内外压差而产生明显的跌涨，破坏整体大气结构的封闭性。因此在机组启动阶段，上述系统工艺流程、环境差异、人员操作等因素都使得测量值的代表性及置信度与设计初衷产生偏离，进而影响最终计算结果。

3．2 系统及算法因素

图3 某机组启动期间壳内各温度测点的梯度分布变化图Fig．3 Gradient distribution of the containment temperature during the start－up period of the Unit

在泄漏率的计算中，多次使用了一元线性回归分析和最小二乘法。根据公式 （1）可知，壳内空气的标准体积变化率，实际上就是壳内气体总质量变化率，因安全壳泄漏率可通过壳内空气的标准体积率来表示。通过每半小时计算一次湿空气标准体积的变化ΔVH，利用一天得到的48个ΔVH坐标点，进行线性回归后得到当天的湿空气标准体积变化曲线，曲线的斜率即为当天的日泄漏率Qld。对比图4、图5中的日ΔVH曲线，我们可以明显看出机组启动阶段的ΔVH曲线与稳态期间有着明显的差异。

图4 某机组稳态下ΔVH单日拟合曲线Fig．4 Daily variation ratio fitting curve of humid air during the stabilization period

图5 某机组启动阶段ΔVH单日拟合曲线Fig．5 Daily variation ratio fitting curve of humid air during the start－up period

在通过日泄漏率Qld计算60hPa下的标准泄漏率Ql60时，目前各大机组也普遍采用上述最小二乘法进行拟合直线求解，定义进行拟合的最小数据量为5对自变量及因变量数据点，暨当日的安全壳内外压差平均值ΔP及泄漏率Qld，日常总数据量保持为20对。这类算法的弊端在于，机组运行规范要求泄漏率监测系统应于电站启动前投运，且系统在机组启动的前几日内都不会产生标准泄漏率值，当日数据采集量累计达到要求时才会触发对Ql60的计算［4］，而计算初次泄漏率所使用的数据，恰恰是安全壳内环境最不稳定的升温升压阶段的数值。由于算法采用对过往20天的数据进行拟合计算，其在初始阶段又没有足够的数据能够作为对当日所更新的压力－泄漏率数据点进行有效性的判定，故机组在启动阶段的测量数据，将毫无筛选地进入计算数据组直至20日后被剔除。

根据表1及图6所示，某机组于10月中下旬启动，10月31日至11月11日为一个完整的ETY排放周期，其中10月31日数据点为最后一个异常点。根据表中数据得到31日至7日的拟合直线A，其斜率为α＝0．43，根据公式Ql60＝60·α可知当前标准泄漏率为26．1Nm3／h，严重超限。而机组继续运行数日到11日时，拟合直线B的斜率为α＝0．14，对应标准泄漏率为8．4Nm3／h，介于第一第二泄漏率高报警之间。

表1 某机组启动阶段后期日数据点Table 1 Averagedifferential pressure and leakage of the containment nearing the stabilization period

图6 某机组启动阶段后期日泄漏率拟合曲线Fig．6 Fitting curve of daily leakage rate Nearing the stabilization period

但若直接剔除10月31日的异常点后，得到关于11月1日至11日的数据拟合直线C并计算，其标准泄漏率为仅为0．12Nm3／h。也就是说，尽管启动后期壳内环境已稳定，但若等待最后一个异常数据点被自动剔除出计算范畴，距离监测系统投运则已过去近一个月，并且在此期间该数据点会对计算结果产生持续性的影响，干扰人员对真实状况的判断。

4 处理方案

前文中所提及的不同阶段壳内环境差异性问题及其对算法结果的干扰，是结合了多个机组的实际数据、实际工况、真实事件等资料信息，结合现场运维人员、设计人员等多方的讨论分析而得出结论。早前曾整合资料向设计院提出变更机组运行规范中对于安全壳泄漏率投运时间的要求，虽然机组壳内环境在启动期间的不稳定性和泄漏率误发高报等现象和解释得到了设计院的认可，但由于不能提供有力的依据，去明确EPP系统具体可以推迟投运的天数，以及界定机组及安全壳内大气是否已处于稳定的状态，故不能修改运行规范，因而后续机组在启动期只能维持原有的投运及启动监控时间。

对于在启动阶段的机组而言，由于泄漏率监测系统从测量仪表的空间布置到算法的设计基准，都是以稳态为出发点的，至今并没有很权威的办法能够克服或避开上述问题。一般的处理方式，都是根据经验法，在安全壳封闭4天后，壳内平均温度到达30℃或以上 （冬季为27℃）、10个温度点梯度分布明显、湿空气标准体积变化率ΔVH的变化幅度在100Nm3以内时，参考3．2节的内容，重启安全壳泄漏率监测系统，以此尽快剔除启动初期不稳定值，以免其影响后续计算。而在此之前及后续的作业中，亦可以通过人为计算的方式，根据现场工艺工况，对日数据点进行筛选并手动计算。例如在表2中，原22日的泄漏率计算值大于5 Nm3／h的报警限值，但由于18日对TUY保温层进行了拆除，暴露的设备影响了环境温度，工作人员的进出影响了壳内外气压差，而20日EBA系统停运，又造成了壳内温度的下降，故人为剔除上述两日的数据点后手动计算泄漏率，其结果符合标准，具体计算数据及计算过程不再做过多描述。

表2 某机组启动阶段日数据点Table 2 Average differential pressure and leakage of the containment during the startup period

总之，在机组启动临界期间发生泄漏率超限报警时，并不必马上按照规程进行后撤，冷静应对并分析各系统工况，只要前期打压试验结果正常，机组运转正常，可暂时搁置报警，多注意观察壳内压力温度及各子系统的状态和变化，若数日后壳内压力提升缓慢或到达某极限不再上升，温度值与同行电站存在明显偏差、环境梯度分布异常时，再进行全面的排查和针对性处理。

5 结束语

对于安全壳泄漏率在机组启动期间与实际值存在偏差的问题处理方法，需要在未来设计出一套单独的计算方法，在并壳内安置一些服务于新算法的专属测量点，或是拟定一种能够界定壳内大气所处状态为启动阶段或稳定阶段的判别方法，才能彻底解决此类超限报警的困扰。但无论如何，作为安全壳密封性、机组运行安全性的重要指标之一，安全壳泄漏率的超限报警在任何时刻都不可小视，在安全壳封闭前期，对隔离阀、密封件、SAR压空母管流量计以及EBA、ETY等相关系统做好充分的排查，才是防范实际泄漏率超标的关键，也能够为度过泄漏率监测 “不准确期”及机组后续稳态运行提供有力的保障和帮助。

［1］核工业第二研究设计院 ．秦山第二核电厂安全壳监测系统 （EPP）手册 ［R］．北京：核工业第二研究设计院，2000．

［2］褚英杰，欧阳钦 ．安全壳整体泄露率计算方法的比较分析 ［J］．核动力工程，2010，31 （6）：34－37．

［3］何锐，贾武同，赵健 ．安全壳泄漏率测量仪表体积权重分配方法研究 ［J］．核动力工程，2015，36（6）：101－104．

［4］ 核 工 业 第 二 研 究 设 计 院 ．Reactor containment leak tightness in－service monitoring system specification［R］．北京：核工业第二研究设计院，2002．

Analysis and Processing Methods of the Containment Leak Rate Alarm during the Startup Period of the NPP

LIU Yue－feng，LIU Zu－lun，YANG Feng，WANG Jin，CAO YinG－feng，ZHANG Jian－hui
（China Nuclear Control System Engineering Co．，Ltd．，CNNC，Beijing 100176，China）

The online monitoring system of containment leak rate（EPP）of nuclear power plant is introduced briefly in this paper．The monitoring system provides real－time information of the containment leak rate．During the startup period，multiple units detected high containment leak rate，high uncertainty，and leak rate alarm triggered，but eventually found no leakage spots or any leakage possibilities．This paper analyzes the data which collected during those periods，and by combined the data with real－time conditions and algorithm which being used，it proposed a conclusion that the containment leak rates during these periods are not accurate．The processing methods are also provided．

containment leak rate；EPP monitoring system；leak rate analysis；criticality

TM623 Article character：A Article ID：1674－1617 （2017）03－0399－06

TM623

A

1674－1617 （2017）03－0399－06

10．12058／zghd．2017．03．399

2017－04－02

刘跃锋 （1978—），男，河北保定人，工程师，现主要从事核电DCS系统设计工作 （E－mail：liuyuefeng＠cncs．bj．cn）。

（责任编辑：白佳）