CN115240883B - 一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于核电厂安全技术领域，提出一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法。当进行泄漏率是否超标的定性判断时，通过假设安全壳标准泄漏率，计算安全壳内湿空气压力上升值获得计算压升，并与安全壳监测压升进行对比。若计算压升大于监测压升，则说明安全壳内湿空气泄漏率超过限值；若计算压升小于监测压升，则说明安全壳标准泄漏率未超限。当需要定量计算泄漏率时，则假设计算压升等于监测压升，然后求取对应的安全壳泄漏率。本发明可以通过安全壳和气闸间内短期监测数据，定性和定量的判断安全壳内空气泄漏情况，为机组启动期间判断安全壳的密封性提供支撑，为机组安全运行提供保障。

Description

一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法

技术领域

本发明涉及核电厂安全技术领域，具体涉及一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法。

背景技术

安全壳是核反应堆的第三道安全屏障，外形为带圆穹顶的圆柱形筒体，自由容积达5万立方米，属于大型容器设备，其结构上贯穿件数量众多，加之混凝土气孔和裂缝的客观存在，当安全壳内气压高于大气压时，安全壳内空气会通过这些缝隙向外泄漏，对环境造成影响。

为了控制安全壳内气体泄漏，核电厂《运行技术规范》中规定了安全壳在正常运行状况下的泄漏率限值和控制准则，即在60mbar.g下反应堆厂房的正向泄漏率大于5N·m³/h以及小于10N·m³/h时，应查找并消除泄漏的原因，否则14天内机组开始向MCS模式后撤。目前，我国改进型百万千瓦级(1000MW)压水堆核电技术(CPR1000)，安全壳泄漏监测系统(EPP)需要经过筛选后至少五天的安全壳内气体监测数据，才可以计算安全壳的泄漏率。在机组启动期间，数据量不足导致无法计算安全壳泄漏率，无法评估安全壳的密封状况，作为安全壳密封性、机组运行安全性的重要指标之一，有必要掌握安全壳在机组启动阶段的泄漏率，以了解安全壳密封性的变化，确保泄漏率在限值内。

在核电机组启动或运行期间，引起安全壳内气体压力变化的主要因素包括五方面：安全壳内气体的温度、湿度变化、控制安全壳内气动调节阀所用的核岛仪表压缩空气系统(SAR)的压缩空气因调节阀的动作所注入安全壳的空气、开启气闸门时安全壳与气闸间内空气的交换和通过安全壳的气体泄漏。在机组启动的短时间内安全壳内压力变化明显，目前尚缺乏机组启动阶段，基于压力增长特性来快速判定泄漏情况的方法。

发明内容

针对以上问题，本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法，其特征在于，可分为定性判断法和定量判断法。安全壳内湿空气组分满足质量平衡关系、道尔顿分压定律和理想气体状态方程。安全壳内从t₁时刻到t₂时刻，采用以下干空气质量平衡关系：

m_t2，＝m_t1，+m_sar+Δm，+m_leak， (1)

式中，m_t2，空为t₂时刻安全壳内干空气质量；m_t1，空为t₁时刻安全壳内干空气质量；m_sar为从t₁时刻到t₂时刻Δt时间段内SAR系统注入安全壳的干空气质量(可由SAR系统检测数据获取)；Δm_闸，空为Δt时间段内安全壳与气闸间交换干空气质量，从壳内到气闸间的数值为负；m_leak，空是Δt时间段内安全壳的干空气泄漏量，从壳内泄漏到壳外时数值为负。

当进行定性判断时，此时式(1)中m_t2，空为未知数，先设定安全壳标准泄漏率阈值，再从标准泄漏率阈值计算出从t₁时刻到t₂时刻Δt时间段内的泄漏量m_leak，空；然后计算Δt时间段内安全壳内湿空气压力上升值ΔP′，并与安全壳监测压升ΔP进行对比；当ΔP′大于ΔP，说明安全壳内湿空气泄漏率超过限值；当ΔP′小于ΔP，说明安全壳标准泄漏率未超限；

ΔP′＝P′_t2-P_t1 (2)

ΔP＝P_t2-P_t1 (3)

式中，P_t2为t₂时刻安全壳内监测的湿空气压力；P_t1为t₁时刻安全壳内监测的湿空气压力；

P′_t2＝P′_t2，空+P_t2，水 (4)

式中，P′_t2，空为t₂时刻安全壳内干空气分压力；P_t2，水为t₂时刻安全壳内水蒸气的分压力；

当进行定量判断时，设定ΔP′与ΔP相等，即t₂时刻安全壳内湿空气的计算压力P′_t2＝P_t2，此时式(1)中泄漏量m_leak，空为未知数；根据基于组分叠加的安全壳内气体的质量平衡关系和理想气体状态方程，求取Δt小时时间段内安全壳内干空气的泄漏量m_leak，空，并根据m_leak，空计算Δt小时时间段内安全壳泄漏率；

将m_leak，空进行湿度修正和标准体积转换，设定安全壳内气压与大气压差值为60mbar时为标准，求取标准泄漏率Q_l60；

式中：R_g为干空气气体常数；T_N为标准温度；P_N为标准压力；P_con为Δt小时时间段内安全壳内平均压力；P_atm为Δt小时时间段内平均大气压。

当5Nm³/h＜Q_l60＜10Nm³/h时，应查找并消除泄漏的原因，否则14天内机组开始向MCS模式后撤。当10Nm³/h＜Q_l60时，3天内机组开始向MCS模式后撤，如果这个泄漏可以通过自动隔离或通过一个手动阀门隔离，那么机组开始后撤的时间延长为14天。

所述的Δt小时时间段Δt可以是任意时长，一般取6至48小时，指机组启动阶段气闸门双关前的时间；设定安全壳标准泄漏率为5N·m³/h。

所述的基于组分叠加的安全壳内气体的质量平衡关系是指任意时刻安全壳和气闸间内湿空气质量等于干空气质量和水蒸气质量之和。

所述的Δt小时时间段内安全壳与气闸间交换干空气质量的计算方法是基于理想气体状态方程，通过内气闸门开关前后的气闸间内的监测数据计算安全壳与气闸间的气体交换质量；

式中：m_{开门前，空，i}和m_{开门后，空，i}分别为第i次开门前后气闸间内干空气的质量；P_{开门前，空，i}和P_{开门后，空，i}分别为第i次开门前后气闸间内干空气的压力，通过开门前后的相对湿度和温度计算获得；T_{开门前，i}和T_{开门后，i}分别为第i次开门前后气闸气闸间内湿空气的温度。

所述的从标准泄漏率阈值计算出从t₁时刻到t₂时刻Δt时间段内的泄漏量m_leak，空，具体计算方法是当Q_l60已知时，根据式(5)获得m_leak，空的表达式：

根据质量守恒关系，任意时刻安全壳和气闸间内湿空气质量m，等于安全壳内干空气质量m_空和水蒸气质量m_水之和，表达式如下：

m＝m_空+m_水 (9)

根据理想气体状态方程，任意时刻安全壳内干空气质量m_t1，空可表示为：

式中：P_空为任意时刻安全壳内干空气分压力；V_con为安全壳有效容积；R_g为干空气气体常数；T为任意时刻安全壳内空气平均温度。

根据道尔顿分压定律可知，任意时刻安全壳和气闸间内湿空气监测压力P等于安全壳内干空气分压力P_空和水蒸气分压力P_水之和，表达式如下：

P＝P_空+P_水 (11)

根据理想气体状态方程，所述安全壳内干空气分压力在t₂时刻的计算公式为：

式中：T_t2为t₂时刻安全壳内的平均空气温度；V_con为安全壳的有效容积。

进一步的，任意时刻安全壳和气闸间内水蒸气分压力P_水可表示为当前温度下水蒸气的饱和压力P_sat(T)与当前相对湿度的乘积：

P_水＝P_sat(T)×RH (13)

进一步的，安全壳内水蒸气的分压力P_t2，水可表示为t₂时刻温度下水蒸气的饱和压力P_sat(T_t2)与t₂时刻安全壳内湿空气的相对湿度的乘积：

P_t2，水＝P_sat(T_t2)×RH_t2 (14)

某一时刻的监测压力，则是对各测点的测量值取平均，作为某一时刻的监测压力。由于SAR系统动作而注入的干空气质量m_sar对安全壳内气体质量变化影响较大，所以需2秒采集一次。所述的安全壳内某一刻平均温度、相对湿度均为n个测点在某一时刻所获取的体积加权平均值。

平均温度T_avg的计算方法为：

式中：V_L为安全壳的自由容积；V_i为测点的有效测量体积；T_i为某一时刻第i个测点监测的温度值。

平均相对湿度H_avg的计算方法为：

式中：RH_i为某一时刻第i个测点监测的相对湿度值。

本发明的有益效果是：在核电机组启动阶段的短时间内，根据安全壳和气闸间的短期(6-48小时)监测数据，一方面，通过假设安全壳标准泄漏率阈值为5N·m³/h时，可以在较短时间内实现对判断安全壳泄漏情况的判断；另一方面，假设计算压升等于监测压升，可以根据定性判断法反推出短期内安全壳的泄漏量，进而定量计算短期安全壳的标准泄漏率。本发明可以通过安全壳和气闸间的短期监测数据，定性和定量的判断安全壳内空气泄漏情况，为判断安全壳的密封性提供支撑，为机组安全运行提供保障。

附图说明

图1为安全壳内气体质量平衡关系示意图。

图2为基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法流程图。

图3为基于安全壳压升监测的安全壳标准泄漏率计算流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现以某CPR1000机组为例，根据其气闸门双关前24小时启机阶段监测数据，对一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法的判断过程进行展示，详细说明本发明的具体实施方式。

一方面，提供一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏定性判断方法；另一方面，提供一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏率定量计算方法。

一方面，根据安全壳和气闸间24小时监测数据，基于组分叠加的安全壳内气体的质量平衡关系、道尔顿分压定律的压力平衡关系和理想气体状态方程，计算0h到24h时假设安全壳标准泄漏率为5N·m³/h时的安全壳内的计算压升，并与安全壳监测压升进行对比，若计算压升大于监测压升，则说明安全壳泄漏率超过5N·m³/h的限值；若计算压升小于监测压升，则说明安全壳泄漏率处于正常水平。

根据质量守恒关系，任意时刻安全壳内湿空气质量m，等于安全壳内干空气质量m_空和水蒸气质量m_水之和，表达式如下；

m＝m_空+m_水

根据道尔顿分压定律可知，任意时刻安全壳内湿空气监测压力P等于安全壳内干空气分压力P_空和水蒸气分压力P_水之和，表达式如下；

P＝P_空+P_水

进一步的，安全壳内干空气分压力P_0h，水可表示为初始温度下水蒸气的饱和压力P_sat(T_0h)与初始时刻安全壳内湿空气的相对湿度的乘积；

P_0h，水＝P_sat(T_0h)×RH_0h＝3456.97×46.53％＝1609Pa

进一步的，安全壳内干空气分压力P_0h，空可表示为；

P_0h，空＝P_0h-P_0h，水＝102015-1609＝100406Pa

式中：V_con为安全壳有效容积；R_g为干空气气体常数。

根据理想气体状态方程m_0h，空表示为：

根据理想气体状态方程，可获得24小时安全壳与气闸间交换干空气质量Δm_闸，空的表达式：

根据气闸间监测数据，24小时内气闸间内门共开启18次，即i＝18，求得Δm_闸，空＝-30157.49g。

当进行定性判断时，先设定安全壳标准泄漏率Q_l60＝5N·m³/h，由式(8)可知，当Q₁₆₀＝5N·m³/h时，对应的24小时安全壳泄漏的干空气质量m_leak，空＝79670.62g，根据SAR监测数据，24小时SAR系统注入干空气质量m_sar＝212164.74g。

根据安全壳内气体质量平衡关系可知，24小时后安全壳内计算干空气质量m_24h，空等于初始时刻安全壳内干空气m_0h，空、m_sar、Δm_闸，空和m_leak，空之和。

m_24h，空＝m_0h，空+m_sar+Δm_闸，空+m_leak，空

＝57765511.03+212164.74-30158.49-79670.62

＝57867847.67g

根据质量守恒关系，初始时刻安全壳内湿空气质量m_0h等于初始时刻安全壳内干空气质量m_0h，空和水蒸气质量m_0h，水之和，表达式如下：

m_0h＝m_0h，空+m_0h，水

进一步的，安全壳内水蒸气分压力P_24h，水可表示为初始温度下水蒸气的饱和压力P_sat(T_24h)与初始时刻安全壳内湿空气的相对湿度的乘积：

P_24h，水＝P_sat(T_24h)×RH_24h＝4886.98×36.06％＝1762.4Pa

进一步的，根据理想气体状态方程，24小时后安全壳内计算干空气分压力P′_24h，空可表示为：

根据道尔顿分压定律可知，24小时后安全壳内湿空气计算压力P_24h等于24小时后安全壳内干空气分压力P′_24h，空和水蒸气分压力P_24h，水之和，表达式如下：

P′_24h＝P′_24h，空+P_24h，水＝102598.24+1762.4＝104360.64Pa

24小时后安全壳内湿空气计算压升可表示为：

ΔP′＝P′_24h-P_0h＝104360.64-102015＝2345.64Pa

24小时后安全壳内湿空气监测压升可表示为：

ΔP＝P_24h-P_0h＝104468-102015＝2453Pa

式中：P_24h为24小时后安全壳内湿空气的监测的空气压力。

从压升的计算结果可以看出，计算压升ΔP′小于监测压升ΔP，则说明安全壳内湿空气泄漏率未超过5N·m³/h的限值，安全壳泄漏率处于正常水平。

第二方面，提供一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏率定量计算方法，其特征在于，假设ΔP′与ΔP相等，即P′_24h＝P_24h，根据基于组分叠加的安全壳内气体的质量平衡关系和理想气体状态方程，求取24小时安全壳干空气的泄漏量m_leak，空，并根据m_leak，空计算24小时安全壳标准泄漏率。

根据安全壳内气体质量平衡关系可知，24小时安全壳泄漏干空气质量m_leak，空等于24小时后安全壳内干空气质量m_24h，空分别减去初始时刻安全壳内干空气m_0h，空、24小时SAR系统注入干空气质量m_sar、24小时安全壳与气闸间交换干空气质量Δm_闸，空，表达式如下：

m_leak，空＝m_24h，空-m_0h，空-m_sar-Δm_闸，空

其中，根据理想气体状态方程可获得m_24h，空表达式：

进一步的，24小时安全壳泄漏干空气质量m_leak，空可表示为：

m_leak，空＝57928400.5g-57765511.03-212164.74+30158.49

＝-18637.13g

根据24小时后安全壳内湿空气的分压力P_24h，水对m_leak，空进行湿度修正：

根据理想气体状态方程将m_leak进行标注体积转换：

式中：T_N为标准温度；P_N为标准压力。

以安全壳内气压与大气压差值为60mbar时为标准，求取标准泄漏率Q₁₆₀：

式中：P_con为24小时安全壳内平均空气压力；P_atm为24小时平均大气压力。

当5Nm³/h＜Q_l60＜10Nm³/h时，应查找并消除泄漏的原因，否则14天内机组开始向MCS模式后撤。当10Nm³/h＜Q_l60时，3天内机组开始向MCS模式后撤，如果这个泄漏可以通过自动隔离或通过一个手动阀门隔离，那么机组开始后撤的时间延长为14天。

所述的某一时刻的监测压力，则是对各测点的测量值取平均，作为某一时刻的监测压力。由于SAR系统动作而注入的干空气质量m_sar对安全壳内气体质量变化影响较大，所以需2秒采集一次。所述的安全壳内某一刻平均温度、相对湿度均为n个测点在某一时刻所获取的体积加权平均值。

平均温度T_avg的计算方法为；

式中：V_L为安全壳的自由容积；V_i为测点的有效测量体积；T_i为某一时刻第i个测点监测的温度值。

平均相对湿度H_avg的计算方法为；

式中：RH_i为某一时刻第i个测点监测的相对湿度值。

综上所述，本发明实施例通过核电机组安全壳和气闸间24小时监测数据，一方面，通过假设安全壳标准泄漏率为5N·m³/h时，基于组分叠加的安全壳内气体的质量平衡关系、道尔顿分压定律的压力平衡关系和理想气体状态方程，定性判断了安全壳泄漏率是否超限；另一方面，假设计算压升等于监测压升，根据基于组分叠加的安全壳内气体的质量平衡关系以及理想气体状态方程，定量计算除安全壳的标准泄漏率。

Claims (5)

1.一种基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法，其特征在于，安全壳泄漏快速判断方法分为定性判断法和定量判断法；安全壳内湿空气组分满足质量平衡关系、道尔顿分压定律和理想气体状态方程；安全壳内从t₁时刻到t₂时刻，采用以下干空气质量平衡关系：

m_t2，空＝m_t1，空+m_sar+Δm_闸，空+m_leak，空 (1)

式中，m_t2，空为t₂时刻安全壳内干空气质量；m_t1，空为t₁时刻安全壳内干空气质量；m_sar为从t₁时刻到t₂时刻Δt时间段内SAR系统注入安全壳的干空气质量；Δm_闸，空为Δt时间段内安全壳与气闸间交换干空气质量，从壳内到气闸间的质量为负；m_leak，空是Δt时间段内安全壳的干空气泄漏量，从壳内泄漏到壳外的质量为负；

当进行定性判断时，此时式(1)中m_t2，空为未知数，先设定安全壳标准泄漏率阈值，再从标准泄漏率阈值计算出从t₁时刻到t₂时刻Δt时间段内的泄漏量m_leak，空；然后计算Δt时间段内安全壳内湿空气压力上升值ΔP′，并与安全壳监测压升ΔP进行对比；当ΔP′大于ΔP，说明安全壳内湿空气泄漏率超过限值；当ΔP′小于ΔP，说明安全壳标准泄漏率未超限；且

ΔP′＝P′_t2-P_t1 (2)

ΔP＝P_t2-P_t1 (3)

式中，P′_t2为t₂时刻安全壳内的湿空气压力计算值，P_t2为t₂时刻安全壳内监测的湿空气压力；P_t1为t₁时刻安全壳内监测的湿空气压力；且

P′_t2＝P′_t2，空+P_t2，水 (4)

式中，P′_t2，空为t₂时刻安全壳内干空气分压力；P_t2，水为t₂时刻安全壳内水蒸气的分压力；

当进行定量判断时，设定ΔP′与ΔP相等，即t₂时刻安全壳内湿空气的计算压力P′_t2＝P_t2，此时式(1)中泄漏量m_leak，空为未知数；根据基于组分叠加的安全壳内气体的质量平衡关系和理想气体状态方程，求取Δt小时时间段内安全壳内干空气的泄漏量m_leak，空，并根据m_leak，空计算Δt小时时间段内安全壳泄漏率；

将m_leak，_空进行湿度修正和标准体积转换，设定安全壳内气压与大气压差值为60mbar时为标准，求取标准泄漏率Q_l60；

式中：R_g为干空气气体常数；T_N为标准温度；P_N为标准压力；P_con为Δt小时时间段内安全壳内平均压力；P_atm为Δt小时时间段内平均大气压；所述的从标准泄漏率阈值计算出从t₁时刻到t₂时刻Δt时间段内的泄漏量m_leak，空，具体计算方法是当Q_l60已知时，根据式(5)获得m_leak，空的表达式：

所述安全壳内干空气分压力在t₂时刻的计算公式为：

式中：T_t2为t₂时刻安全壳内的平均空气温度；V_con为安全壳的有效容积。

2.根据权利要求1中所述的基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法，其特征在于，所述的Δt小时时间段取6至48小时，指机组启动阶段气闸门双关前的时间。

3.根据权利要求1中所述的基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法，其特征在于，所述的基于组分叠加的安全壳内气体的质量平衡关系是指任意时刻安全壳和气闸间内湿空气质量等于干空气质量和水蒸气质量之和。

4.根据权利要求3中所述的基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法，其特征在于，基于组分叠加的安全壳内气体的质量平衡关系，Δt时间段内安全壳与气闸间交换干空气质量的计算方法是基于理想气体状态方程，通过内气闸门开关前后的气闸间内的监测数据计算安全壳与气闸间的气体交换质量；

式中：m_{开门前，空，i}和m_{开门后，空，i}分别为第i次开门前后气闸间内干空气的质量；

P_{开门前,空,i}和P_{开门后,空,i}分别为第i次开门前后气闸间内干空气的压力，通过开门前后的相对湿度和温度计算获得；T_开门前,i和T_开门后,i分别为第i次开门前后气闸间内湿空气的温度。

5.根据权利要求1中所述的基于安全壳压升监测的安全壳泄漏快速判断方法，其特征在于，基于道尔顿分压定律的压力平衡关系，指任意时刻安全壳和气闸间内湿空气压力均表示为干空气分压力和水蒸气分压力之和。