(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

核電機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載，防止放射性物質(zhì)向外界環(huán)境擴散。

因安全殼對輻射和核安全的重要性，其必須滿足以下功能：

1)在機組正常運行工況下，提供實體隔離，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)提供對龍卷風、洪水等外部災(zāi)害的防護。

安全殼整體密封性的好壞，直接決定壓水堆核電機組安全屏障是否完整。安全殼泄漏主要由混凝土氣孔/裂縫、機械/電氣貫穿件泄漏引起，M310改進型機組安全殼密封性試驗是驗證安全殼在反應(yīng)堆失水事故(LOCA)壓力(表壓0.42 MPa)下的泄漏率是否達標。定期進行安全殼密封性試驗，是保障核安全的重要手段[1]。

目前國內(nèi)核電機組安全殼密封性試驗，需要多方協(xié)同，缺乏完整的系統(tǒng)實現(xiàn)方案?，F(xiàn)有技術(shù)手段單一、數(shù)據(jù)采集可靠性不足、不同堆型的擴展性較差是目前存在的主要問題。本文針對當前國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，以田灣核電站5、6號機組為藍本，考慮工程運用特點，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，通過硬件冗余、軟件算法優(yōu)化、接口擴展、異常數(shù)據(jù)處理等手段，增強了安全殼密封性試驗系統(tǒng)的運行可靠性及通用性，并通過工程實踐驗證。

1 安全殼泄漏率計算

M310改進型機組安全殼泄漏率采用絕對法測量，以《壓水堆核電站核島土建設(shè)計和建造規(guī)則(RCC-G-900-86)》第三章，安全殼的密封性和強度試驗及《Containment System Leakage Testing Requirements(ANSI/ANS-56.8-2002)》為標準，測定在設(shè)計表壓力0.42 MPa下安全殼內(nèi)干空氣質(zhì)量的變化，泄漏率指單位時間干空氣質(zhì)量的相對變化，用%24 h表示[2,3]。試驗在安全殼升降壓過程中(從大氣壓升至表壓0.42 MPa再降至大氣壓)進行，如圖1所示。

圖1 安全殼試驗升降壓流程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)氣體總絕對壓力；

Pv——殼內(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，并將測量值進行加權(quán)平均，計算出殼內(nèi)平均溫度和平均水蒸氣分壓。在密封性試驗期間，用不同時刻讀數(shù)值分別計算空氣質(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 平均壓力計算

第i個采樣周期平均壓力：

(2)

式中：Pij——第j個壓力傳感器第i組數(shù)據(jù)；

Vj——分配給第j個壓力傳感器的容積；

m——壓力傳感器個數(shù)。

1.2 平均溫度計算

(3)

式中：Tij——第j個溫度傳感器第i組數(shù)據(jù)；

Vj——分配給第j個溫度傳感器的容積；

m——溫度傳感器個數(shù)。

1.3 平均水蒸氣分壓計算

利用Antoine(安托萬)方程，轉(zhuǎn)化相對濕度和水蒸氣分壓。

(4)

計算第i個采樣周期的平均水蒸氣分壓：

(5)

式中:Pvij——第j個濕度傳感器的第i組水蒸氣分壓；

Hij——第j個濕度傳感器測得的第i組相對濕度；

Tij——第j個濕度傳感器測得的第i組溫度；

Pvi——第i組水蒸氣分壓；

Vj——分配給第j個溫濕度傳感器的容積；

k——溫濕度傳感器個數(shù)。

1.4 泄漏率計算

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

(6)

ti——測量時間；

A——擬合斜率，代表安全殼整體泄漏率；

B——擬合截距，代表測量初始時刻干空氣總質(zhì)量。

系數(shù)A、B計算如下：

(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 試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為進行安全殼整體泄漏率試驗，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壓水堆核電機組安全殼內(nèi)構(gòu)筑物設(shè)計，及各房間傳感器體積分配系數(shù)，搭建了一套試驗數(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)，并計算安全殼泄漏率。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 試驗系統(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、采集計算機、分析計算機構(gòu)成。采集器循環(huán)采集就地溫濕度儀表測量值，并將測量值送采集計算機處理，采集計算機將每個時刻的溫度、濕度、壓力測量值成組寫入分析計算機，由分析計算機根據(jù)算法編程計算泄漏率。

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開關(guān)電源供電。對每個測點，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，分時采集儀表輸出，測量數(shù)據(jù)通過LabVIEW串口字符串數(shù)組寫入采集計算機，以此實現(xiàn)兩套上層共用一套就地儀表。

兩套采集系統(tǒng)各配備2個獨立絕壓采集回路，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接口直連到采集計算機，通過專用串口通訊協(xié)議實時讀取殼內(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

數(shù)據(jù)采集軟件運行于主、從采集計算機，采用LabVIEW圖形化語言編程，作為信號采集管控中樞及操作人機交互接口，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)存儲等功能。軟件分時采集的溫度、濕度模擬信號，實時采集的絕壓、大氣壓通訊信號，將顯示在人機界面上，并存儲、傳送至分析計算機。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”的流程設(shè)計，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)試驗時間設(shè)置功能：按照預(yù)設(shè)的時間開始采集；

3)物理量的數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換功能：對采集到的電信號進行數(shù)據(jù)處理；

4)溫濕度與壓力的顯示、升降壓速率計算與顯示；

5)各采集物理量的數(shù)據(jù)存儲和數(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)，并實時傳送至數(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開發(fā)的運行主界面集成了多重信息顯示，包括測量數(shù)據(jù)、滾動波形、狀態(tài)信息、報警信息等，界面如圖4所示。

考慮系統(tǒng)的通用性和可擴展性，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，程序運行時，會自動讀取“setup.ini”文件，將各通道的定義轉(zhuǎn)換為字符串數(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)采集開始前，需通過軟件配置采集器的信號通道、開始時間、采集周期。因殼內(nèi)各傳感器體積系數(shù)不同，信號通道的配置關(guān)乎計算結(jié)果，應(yīng)根據(jù)設(shè)計輸入對應(yīng)配置。因主、從兩套采集系統(tǒng)分時采集，開始時間及采集周期的配置關(guān)系到傳感器工作狀態(tài)，開始時刻應(yīng)間隔足夠長(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)同時對就地傳感器供電，系統(tǒng)運行前，應(yīng)準確設(shè)置系統(tǒng)時間或與GPS時鐘對時。

采集計算機通過以太網(wǎng)卡與采集器連接，軟件自動搜索接口VISA資源，通過設(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，通過設(shè)置COM端口信息與變送器通訊。

采集開始后，34921A采集卡快速切換信號通道，34920采集器中的高精度萬用表分別測量59個溫度及9個濕度通道數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過LAN局域網(wǎng)傳至數(shù)據(jù)采集計算機，輸入LabVIEW字符串數(shù)組處理。在每個采集周期內(nèi)，采集器連續(xù)掃描3次選中的濕度信號通道，采集到3組電壓信號，然后進行數(shù)據(jù)處理，將處理后的濕度值顯示并保存。每個濕度測點的顯示范圍為0%～100%RH，保留2位有效數(shù)字。軟件實現(xiàn)如圖6所示。溫度信號通道也是每個周期掃描3次，采集的信號為四線熱電阻，每個溫度測點的顯示范圍為-20～100 ℃，保留2位有效數(shù)字，單個溫度大于50 ℃，或相鄰溫度測點溫度差大于3 ℃時，畫面狀態(tài)欄將顯示報警圖標。

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算法庫的VISA資源，自動打開并掃描計算機串口，向串口寫入?yún)f(xié)議指令，并讀取串口數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)進行顯示及保存，編程如圖7所示。為避免數(shù)據(jù)沖突或無效數(shù)據(jù)，需設(shè)置合適的等待時間，時間可通過串口助手調(diào)試獲取。當采集系統(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，系統(tǒng)自動將故障測點剔除，使用正常測點數(shù)據(jù)替代，即絕壓1=絕壓2，此時畫面狀態(tài)欄將顯示報警圖標。

采集計算機采集到每個時刻的溫度、濕度、殼內(nèi)絕壓、大氣壓數(shù)據(jù)，需傳至分析計算機計算泄漏率。實現(xiàn)方式是在采集計算機中建立EXCEL數(shù)據(jù)文件，將各時刻的采集數(shù)據(jù)按坐標寫入數(shù)據(jù)表格，編程如圖8所示。分析計算機通過LAN局域網(wǎng)訪問采集計算機EXCEL文件存儲地址，調(diào)取數(shù)據(jù)進行離線分析計算。

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

圖8 數(shù)據(jù)存儲編程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“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)識別、動靜態(tài)數(shù)據(jù)連接等功能，解決了參數(shù)讀寫、接口通訊中的數(shù)據(jù)處理問題。

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)類型匹配問題。采用該編程方案，可有效提升系統(tǒng)的可擴展性。

3 試驗數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析計算機定時從數(shù)據(jù)采集計算機中讀取EXCEL表格，根據(jù)坐標解析測量數(shù)據(jù)，并通過泄漏率算法調(diào)用，分析計算。分析周期與數(shù)據(jù)采集周期一致(5 min)，每次數(shù)據(jù)測量結(jié)束后進行一次分析計算。隨安全殼密封性試驗，在整個安全殼升降壓過程(從大氣壓升至表壓0.42 MPa再降至大氣壓)，每隔5 min自動取值分析計算，并實時顯示。

根據(jù)核電站設(shè)計安全準則，在發(fā)生反應(yīng)堆失水事故(基準LOCA)后24 h內(nèi)，安全殼泄漏率不得超過安全殼內(nèi)氣體總質(zhì)量的0.3%。轉(zhuǎn)化為試驗狀態(tài)下，24 h內(nèi)安全殼泄漏率不得超過安全殼內(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為試驗期間測得的泄漏率,ΔFm為試驗期間泄漏率Fm的測量不確定度。

3.1 異常數(shù)據(jù)剔除

試驗過程中，可能因測量儀器錯誤或者數(shù)據(jù)采集儀器錯誤而產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)，應(yīng)在計算中移除。針對各時刻質(zhì)量點，計算標準差：

(10)

(11)

(12)

(13)

式中:wi——殘差;

si——標準差;

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

安全殼升壓通過空壓機送風實現(xiàn)，降壓通過泄壓閥實現(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，整體泄漏率的計算應(yīng)在空氣狀態(tài)穩(wěn)定后進行，穩(wěn)定時間最少應(yīng)為4 h。試驗時安全殼內(nèi)大氣是否穩(wěn)定的判據(jù)，是以下兩點[4]：

1)L1h必須大于或者等于0，并且小于La，即：0≤L1h

2)L2h和L1h差的絕對值必須小于或等于0.25La，即：|L2h-L1h|≤0.25La

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

(L1horL2h)

(16)

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

4 結(jié) 論

通過系統(tǒng)軟硬件設(shè)計、數(shù)據(jù)處理方法優(yōu)化，據(jù)本文開發(fā)的核電站安全殼密封性試驗系統(tǒng)，通過實際工程驗證，具有功能完善、系統(tǒng)運行可靠、數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定、泄漏率計算準確性高等特點。達到國內(nèi)先進水平，且試驗平臺具有較強的可擴展性，可推廣運用到不同堆型核電機組的安全殼密封性試驗中。該試驗系統(tǒng)的成功開發(fā)，使中國核電首次具備自主進行安全殼整體密封性試驗的能力，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。