三代核电机组水压试验期间泄漏率计算方案设计
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摘 要 主回路泄漏率是关系到核电厂安全运行的重要参数，也是核电厂在调试过程中一项重要的综合性试验，试验涉及设备多，临时设施加装复杂，对机组的设备安全也存在一定的挑战。合适利用机组的正常设备，将试验过程合理化，提高试验精度是试验的重点，也是试验的关键所在，本文意在探讨一种合理化的试验方案，提高试验过程的有序性以及试验结果的可信度。
关键词 三代核电；泄露率；方案设计
中图分类号TM623 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）116-0191-03
1 概述
核电厂的主回路在正常运行时，承压边界的泄漏率关系到整个电厂的安全生产。所以整个泄漏率试验的比常规电厂更加复杂，对于测量精度和验收标准也都有很高的要求，设定良好的试验边界，制定行之有效的试验方案对的泄漏率试验是必要的。另一方面由于该类机组设计采用了屏蔽泵，减少了主泵的轴封泄漏部分，因此在测量精度的提高上有所帮助，对整个泄漏率试验有一定的正面影响。
2 泄漏率计算原理及其基础
依据系统整体和局部部件的在一定压力变化范围内产生的水位变化，再通过系统各个部分的温度进行加权计算得出整体的体积变化总量来衡量泄漏率是本实验的根据。
2.1 试验依据划分
根据设计特点，技术规格书（TS）以及RSEM（1990年7月版）B2140第e）条规定，核电厂一回路主系统的总体泄漏率有具体要求，同时SG和PRHR的单体泄漏也有具体的要求。相比较压水堆电厂，三代机组需要监测的范围要更加广泛，所需满足的技术规格书要求也更加严格。这就需要我们在计算泄漏率时要考虑多方面的因素，把泄漏率测算精确，保证技术规格书要求得到满足。
根据三代机组实际运行设计情况和技术规范的要求，对泄漏率限值规定如下：15.4MPa.g压力下，试验持续时间至少为4小时，对于后两项技术规格书要求需通过计算验证其满足条件。
2.2 泄漏划分
2.2.1 一回路可确定的泄漏
能收集到和可定量的泄漏源主要有：
1）一回路上直接由现场试验人员收集到和定量的泄漏；
2）RCDT罐收集到并定量的泄漏（要确认是源于一回路的泄漏）；
3）BDS疏排水系统收集到的SG一次侧向二次侧的泄漏；
4）隔离装置下游收集到和定量的泄漏，用于一回路泄漏率计算；
2.2.2 一回路外可确定的泄漏
一回路外可确定的泄漏（能收集到和可定量的）包括：
1）CVS系统（承压和非承压部分）；
2）PXS各设备的泄漏（要确认是来源于一回路之外的泄漏）；
3）PRHR的泄漏；
4）与一回路相连的容器IRWST、安注箱PXS-MT-02A/B等收集到泄漏；
5）DVI管线隔离部分；
6）辅助管道。
2.3 一回路不可确定的泄漏
一回路总的泄漏与一回路可确定的泄漏的差值
2.4 一回路流体压力、温度的变化导致流体的体积变化
由于一回路流体温度的变化引起流体的体积膨胀或收缩而导致的稳压器的水位和一回路压力变化。
3 试验的计算方案
一回路加权平均温度θ的选择：一回路加权平均温度θ，各个不同承压设备均包含一定体积的水体。由于整个系统的变化温度范围较小，因此比容的变化并不大，通过对加权温度的计算，将该温度用于计算整个一回路水体的体积变化，能够极大的简化泄漏率的计算，同时整个泄漏率计算精度也不会受到影响。
基于以上考虑，可以对试验做如下条件分析：
1）稳压器由于通过波动管与一回路相连，其温度波动对一回路其它部分影响非常小，需独立作为加权温度的计算因子；
2）RCS的冷段和热段由于保温层的加装可以减少温度的变化，但是相对其它设备，其直径最小，故相对表面积最大，作为主回路系统的温度变化的整体代表（除PZR外）包络所有可能的由温度引起的体积变化；
3）RV包容水质量较大，在整个试验过程中温度波动非常小，忽略其温度变化，并不会使泄漏率结果的精度降低，因此不做单独计算；
4）SG中的U形管由于包容在SG中，由于SG的二次侧排空，可认为隔热性能良好，可进行包络计算；
5）ACC作为接纳泄漏的箱体进行计算，不影响主回路液体的体积变化。PRHR含水量小且温度变化小。CMT水箱可保持在环境温度，对试验影响极小。
通过选择一回路不同承压部件的各自容积作为权重因子算出，即：
59m3 稳压器
93m3 冷段（4条）
热段（2条）
299m3 一回路（燃料不在堆芯中）
该平均温度记录为：
θ=
式中：Tavg，PZR为稳压器平均温度，即
Tavg，PZR=（TE186+ TE185）/2
Tavg，LOOP为两个环路的平均温度，即
Tavg，LOOP=[（TE125A+ TE125B + TE125C + TE125D）/4+（TE135A + TE135B）/2]/2
DCS系统将记录这8个温度，算出其加权平均温度系数θ。
4 泄漏率试验方案
4.1 确立试验条件
为保证一回路主系统在升压过程中不至因为无法观察的漏点而发生压力骤降，在升压过程中根据需要，需在低压平台进行一次泄漏率计算，以便为15.4MPa的正常泄漏率计算压力提供试验凭据，包括泄漏率的估算和一回路金属温度梯度计算，通过纠正措施为升压至正常压力提供保证
4.1.1系统回路构成
RCS水压试验的回路由以下构成：
1）RCS及其附属设备的承压边界；
2）IIS热电偶套管的导向管（耐压管）；
3）SG的一次侧；
4）PXS系统设备及其联接管线；
5）CVS净化段；
6）内径大于25mm的辅助管道及相关的阀门和附件：回路的旁通管线、（PZR处1、2回路的）PZR和喷淋管线；连接RCS到辅助系统直到第二个隔离机构的管线。
4.1.2 系统初始在线状态
1）4台主泵都投运，以保证一回路水温均匀并将温度稳定在55±5℃，压力稳定在15.4 MPa.g；
2）RNS与RCS相连并正常运行，安全阀已经经过校验完好可用，RNS引漏地坑水位已经量测并记录；
3）CVS净化回路投入；
4）PXS：
安注箱完成充水，隔离阀关闭，安注箱暂时充压置2.7MPa.g并保持在正常运行水位，标定相应刻度，当一回路水压升高至3.1MPa.g后，开启安注箱隔离阀；
CMT水箱完成箱体排气，并保持满水状态，与RCS相连的平衡阀开启，CMT出口阀处于关闭状态，箱体排气阀关闭；
PRHR完成动排气，并充满水，入口阀保持正常在线状态，出口阀保持在锁关状态；
IRWST保持水位低于PRHR的换热管，利于PRHR泄漏率的测量；
5）PZR此时应可建立起汽腔，并保持在低水位上。RCS已完成动排气，稳压器所有电热器都保持稳定出相运行；
6）SG已经完成排水，BDS临时泄漏测量装置接收SG泄漏流量，记录SG水位并在冷态下标定，完成记录；
7）地面疏水系统的引漏地坑应保持在可测量水位；
8）对无法进行漏点引流位置可采用量杯测定。
4.2 试验事项
4.2.1 试验温度探测点布置及保温方案
1）试验温度由RV下封头外壁的临时温度探头测得；
2）压力上升和稳定阶段，确保一回路中水和金属的温度均匀；
3）避免升温太快，以免对设备、构件产生太大的热冲击，最大温度变化梯度为：
14℃/h，如果RCS水温≤50℃
28℃/h，如果RCS水温≥50℃；
4）在压力上升前足够长的一段时间内，将温度稳定在比试验温度更高的某一温度，以使整个试验回路中设备、构件的温度快速均一化；
5）为避免压力瞬态，只有在确保RV下封头的冷却速率足够低之后，才可将压力升到15.4 MPa.g以上。
为了便于操作并防止水压试验期间RV突然断裂所带来的风险，试验压力/温度变化必须依据PT图制定已制定。在此PT限定范围内跟踪升压和降压过程中温度的变化。
不需考虑试验期间温度突然下降的情况。实际上，通过SG二次侧造成一回路急剧冷却是不可能的，因为SG二次侧是干燥的。大量冷水的注入导致冷却的可能性也不存在，因为CMT等安全注入管线已经隔离和闭锁。考虑到约1.5～2℃/h的自然冷却，试验开始时水温必须达到足够高的温度，以保证整个水压试验期间环路的局部温度不会低于水压试验所要求的最低温度。
4.2.2 试验期间的超压保护
1）在3.0 MPa以下，RNS安全阀的低压超压保护安全阀来保证；
2）在3.0 MPa和15.4 MPa之间，超压保护是由CVS的补给回路加装一个临时安全阀，该安全阀也可作为水压试验的安全阀使用；
3）升压和降压的最大速率为：0.4 MPa/min （主系统为单相水实体）；
4）当回路压力P>11.0 MPa.g时，应避免压力阶跃下降>3.0 MPa.g，因为这样会引起SG管板的瞬态计数。
4.2.3 其它试验所需参数：
1）稳压器温度；
2）环路冷段温度；
3）环路热段温度；
4）θ：一回路加权平均温度系数；
5）一回路压力；
6）RCDT水位；
7）IRWST水位；
8）IRWST温度；
整泄漏率计算期间必须尽量保持一回路的压力和温度的稳定。
在2.7MPa.g平台泄漏率统计延续两小时，在泄漏率计算开始的t0时刻和泄漏率计算结束的t1时刻利用DCS跟踪、记录泄漏率计算表格所需的所有参数，t0时刻和t1时刻的间隔必须大于两小时。
确认稳压器喷淋阀全开以形成通过稳压器的循环，以均匀稳压器与各环路间的温度和化学特性，为整体泄漏率计算打基础。
整个RCS承压回路的外漏检查由现场检查小组来执行，他们负责记录所有观察到的泄漏，并对这些泄漏进行手动计量。
在压力上升至约14.5MPa.g时启动一台一回路主泵，在温度上升阶段将一回路压力调至15.4MPa.g，并开始利用DCS跟踪、记录泄漏率计算表格所需的所有参数。
继续运行主泵，在压力稳定于15.4MPa.g，温度上升至55℃（温度可以根据现场情况调整），停主泵。
等待4小时后，将压力降至14.5MPa.g，重新启动一台一回路主泵，在温度上升阶段将一回路压力调至15.4MPa.g，利用DCS跟踪、记录泄漏率计算表格所需的所有参数。
继续运行主泵，在压力稳定于15.4MPa.g，温度上升至55℃（或与上次停泵的温度相同时）停主泵。
选取初始加权平均温度θ0和最终加权平均温度θ1，确定适合的t0和t1时刻，并将相应的参数填入泄漏率计算表格。选取的初始加权平均温度θ0和最终加权平均温度θ1的绝对差值尽量不超过0.3℃。
5 结论
一回路的泄漏监测是需要全部电厂资源的一次调动和整合，需要大量人员的协同配合。精确的完成泄漏率测量，有利于保证机组的安全运行，为核安全提供基本的数据和实际运行保证。
根据方案设计，最终的泄漏率计算公式如下：
Qt=A+B（ΔθB）+C（ΔθC）+E（ΔθE）+F（ΔθF）
注1：A 为PZR水位变化等效体积变化，取正梯度方向；
B为CVS补水流量统计等效体积变化值；
C为RCS系统泄漏体积变化值；
D为PXS系统体积变化值总量；
E为其它系统体积变化值总量；
F为等效温度变化值引起的体积变化值；
θ为温度校正系数；
该设计方案考虑了基本的泄漏率测量的设备安装，调试，运行以及临时设备的加装和实际功用，最大化利用机组本身的机械和仪控设备进行试验的测量和计算，简化了临时设备的使用，尽可能减少试验时间和试验对系统设备的影响，为系统整体泄漏率试验提供基础的系统安排；
试验方案的执行仍需根据实际机组状态、安装、调试以及运行限制条件进行不断的修正和调整。临时设备的加装必须考虑设备安全和设备的可用性，如果加装设备可能造成设备失效，则必须修改试验设计方案。对计算精度的要求也必须得到满足。试验期间的安全管理需要根据相关的法规和技术规范得到全面的保证。
三代核电在首堆建设过程中需要进行的重大验证试验非常多，一回路系统的泄漏率计算是验证主回路所有重要设备满足技术规格书要求，更进一步的它还是验证这些设备已经优质的完成安装的重要试验。同时也是核安全重点关注的试验之一，能否完成首堆的一回路泄漏率试验关系到三代核电的发展，也是业界比较关注的重点。本文旨在提供三代机组的主回路泄漏率计算时须进行的必要工作，并开发一种泄漏率的计算设计方案。
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