LBB泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在三代壓水堆核電廠的應(yīng)用研究

1、LBB泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在三代壓水堆核電廠的應(yīng)用研究蔣天植沈峰楊戴博王銀麗黃有駿袁彬【摘要】LBBLeak-Before-Break技術(shù)是保證核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)平安和可靠的一種重要分析方法，廣泛應(yīng)用于三代核電堆型中。該技術(shù)降低了核電廠設(shè)計(jì)、建造及維護(hù)的復(fù)雜性，提升了核電廠的經(jīng)濟(jì)性。本文對(duì)LBB技術(shù)在三代核電堆型中的應(yīng)用情況進(jìn)行了研究，并對(duì)各堆型中基于LBB技術(shù)的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的原理、技術(shù)特點(diǎn)及性能指標(biāo)進(jìn)行了介紹和分析。最后，對(duì)各種探測技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)?！娟P(guān)鍵詞】LBB；壓水堆；泄漏監(jiān)測；三代核電廠StudyonApplicationofLBBLeakBeforeBreakDetectionSysteminTh

2、irdGenerationPWRNuclearPlantJIANGTian-zhiSHENFengYANGDai-boWANGYin-liHUANGYou-junYUANBinScienceandTechnologyonReactorSystemDesignTechnologyLaboratory，NuclearPowerInstituteofChina，ChengduSichuanProv.610041，China【Abstract】LBBLeak-Before-Breakisanimportantanalysismethodforinsuringthestructuresafetyandr

3、eliabilityofnuclearreactor，whichiswidelyusedinthethirdgenerationofPWR.ByusingLBBtechnology，thecomplexityofdesign，constructionandoperationalofnuclearpowerplantisreduced，whichimprovestheeconomicefficiency.ThispaperinvestigatestheapplicationofLBBtechnologyinthethirdgenerationPWR，andgivesadescriptionand

4、analysisoftheprinciple，technologycharacteristicandperformanceindexoftheleakdetectionsystemsbasedonLBBtechnology.Finally，thispapergivesasummaryoftheleakdetectionsystems.【Keywords】LBB；Pressurizedwaterreactor；Leakdetectionsystem；Thirdgenerationnuclearpowerplant0引言三代核電總體設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么要求：對(duì)平安重要的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件必須被設(shè)計(jì)成能夠承受正

5、常運(yùn)行、預(yù)期瞬態(tài)和假定事故工況的影響。當(dāng)分析證明流體系統(tǒng)管道破裂的概率極低時(shí)，由于管道破裂引起的動(dòng)力效應(yīng)的影響可以不考慮【1】。LBBLeakBeforeBreak簡稱“破前漏，其主要原理是在管道裂紋擴(kuò)展到發(fā)生突然破裂的臨界裂紋尺寸前，其泄漏量已大到可以監(jiān)測出來，以提醒操作員進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，防止突然破裂的發(fā)生，從而在設(shè)計(jì)中可以不考慮管道破裂引起的動(dòng)力效應(yīng)的影響。目前世界上各種三代核電堆型都采用了LBB技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用在管道上用來取消管道破裂動(dòng)力效應(yīng)的評(píng)估，主要包括以下四方面的內(nèi)容：材料選擇、分析、檢查和泄漏監(jiān)測。本文主要研究LBB泄漏監(jiān)測系統(tǒng)在各種三代核電堆型中的應(yīng)用情況。1泄漏監(jiān)測方法介紹1.

6、1泄漏的分類核電廠的泄漏主要分為三大類，可識(shí)別泄漏、不可識(shí)別泄漏及系統(tǒng)間泄漏：1可識(shí)別泄漏：流入收集系統(tǒng)的泄漏流，例如被收集和測量的從泵密封或者閥填料漏出的泄漏流；從已明確規(guī)定其位置并已明確識(shí)別的泄漏源進(jìn)入平安殼內(nèi)大氣的泄漏，這種泄漏既不阻礙未確定泄漏探測系統(tǒng)的運(yùn)行，也不是來自反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的裂縫。2不可識(shí)別泄漏：泄漏位置沒有被發(fā)現(xiàn)，或雖已找到泄漏部位但其泄漏率仍是未確定的泄漏。3系統(tǒng)間泄漏：泄漏發(fā)生在系統(tǒng)之間。基于LBB技術(shù)的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測不可識(shí)別的泄漏并對(duì)其進(jìn)行定位、定量分析，并產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警。1.2泄漏監(jiān)測方法比照各種泄漏監(jiān)測方法見表1。表1對(duì)每種監(jiān)測技術(shù)的泄漏監(jiān)測靈敏度，泄

7、漏量監(jiān)測準(zhǔn)確性及泄漏定位三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了分析，表中A代表如果設(shè)計(jì)合理該方法可廣泛適用，B代表如果設(shè)計(jì)合理在局部范圍可適用，C代表如果設(shè)計(jì)合理除了一些特定的泄漏一般不推薦使用。從表1的比照分析中可知，沒有哪一種方法能夠完全滿足電廠泄漏監(jiān)測靈敏度，泄漏量監(jiān)測準(zhǔn)確性及泄漏定位三個(gè)指標(biāo)。目前，專用的LBB泄漏監(jiān)測系統(tǒng)有基于聲發(fā)射的泄漏監(jiān)測方法和基于溫濕度測量的泄漏監(jiān)測方法。1.2.1基于溫濕度測量的泄漏監(jiān)測方法基于溫濕度測量的泄漏監(jiān)測方法是基于管道泄漏后周圍環(huán)境中空氣的濕度與溫度變化來判斷泄漏量，以及通過兩個(gè)濕度探測器探測到濕度的變化率來判定其泄漏位置。在實(shí)際的電廠運(yùn)行中，如果管道發(fā)生破裂其泄漏出來的液

8、體或蒸汽將逐漸擴(kuò)散到周圍空間中，考慮到在泄漏點(diǎn)兩邊探測器距離泄漏點(diǎn)的距離不同，因此不同探測器的信號(hào)變化率會(huì)有所不同，在這個(gè)原理上可以確定泄漏量及泄漏位置。1.2.2基于聲發(fā)射的泄漏監(jiān)測方法由于被測管道內(nèi)外存在較大的壓力差，這樣在管道出現(xiàn)泄漏時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，該噪聲的聲波會(huì)改變管道周圍聲波場的分布，聲波值dB的大小與探測器距離泄漏點(diǎn)的位置及泄漏量的大小成比例，ALMS就是利用這種原理在被測管道或設(shè)備上布置相應(yīng)規(guī)模的聲波探測器用來確定泄漏的位置及泄漏量。在ALMS系統(tǒng)中認(rèn)為聲波場在泄漏點(diǎn)附近的數(shù)值分布符合高斯分布，每個(gè)聲發(fā)射噪聲信號(hào)由兩局部組成：來自泄漏點(diǎn)的噪聲UT及背景噪聲U：噪聲探頭的信號(hào)將送往信

9、號(hào)放大器轉(zhuǎn)化為uV信號(hào)，通過以下的公式將采集到的uV信號(hào)轉(zhuǎn)換為dB值：M：轉(zhuǎn)換后的dB數(shù)值。轉(zhuǎn)換后泄漏點(diǎn)的噪聲值可由以下公式計(jì)算：上述公式須在相鄰探測器噪聲值持續(xù)增長至少3dB的根底上進(jìn)行計(jì)算，該原那么也是噪聲探測器布置的重要原那么。從泄漏點(diǎn)到第一個(gè)探測器的距離由以下公式獲得：L：泄漏點(diǎn)到第一個(gè)探測器的距離l1：兩個(gè)噪聲探測器之間的距離a：噪聲沿管道的衰減參數(shù)U1T、U2T：噪聲探測器1及噪聲探測器2的平均信號(hào)噪聲探測器測得信號(hào)的強(qiáng)弱與泄漏量大小的關(guān)系如下：G=kU：根據(jù)泄漏口形式及其他情況，該值在12之間取值G：泄漏量2國內(nèi)外三代核電中LBB技術(shù)及LBB泄漏監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究2.1AP1000

10、堆型根本設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么2和30分別對(duì)廠址周圍自然災(zāi)害的防護(hù)及反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的泄漏質(zhì)量及泄漏定位提出了要求。結(jié)合RG1.45【2】，AP1000為反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界RCPB泄漏監(jiān)測提供一種適用的探測方法。AP1000沒有設(shè)置專用的LBB泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，通過其他系統(tǒng)的信息和報(bào)警，綜合判斷泄漏情況，以支持平安殼內(nèi)高能管道LBB準(zhǔn)那么的應(yīng)用。RG1.45要求至少采用三種獨(dú)立的方法對(duì)不可識(shí)別泄漏進(jìn)行監(jiān)測，AP1000采用了平安殼地坑液位監(jiān)測，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)裝量平衡，平安殼大氣輻射監(jiān)測儀，平安殼壓力、溫度和濕度監(jiān)測儀對(duì)不可識(shí)別泄漏進(jìn)行探測。反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界和其他設(shè)備泄漏到平安殼內(nèi)的不可識(shí)別泄漏

11、會(huì)冷凝并在重力作用下，通過地面疏水和其他疏水途徑流入平安殼地坑。平安殼地坑液位傳感器能夠監(jiān)測液位的變化，電廠數(shù)據(jù)顯示和處理系統(tǒng)DDS根據(jù)傳感器信號(hào)計(jì)算不可識(shí)別泄漏的泄漏總量和泄漏率不可識(shí)別泄漏由總泄漏量減去可識(shí)別泄漏。最小的可檢測泄漏率是0.007m3/h0.03gpm，如果泄漏率大于0.114m3/h0.5gpm，那么在主控制室中產(chǎn)生報(bào)警。反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)裝量平衡可對(duì)0.030m3/h0.13gpm的泄漏進(jìn)行監(jiān)測；平安殼大氣輻射監(jiān)測儀可對(duì)0.114m3/h0.5gpm的泄漏進(jìn)行監(jiān)測；平安殼壓力、溫度和濕度監(jiān)測儀可以用來幫助確定和定位泄漏，但不能用來確定泄漏量。綜合上述系統(tǒng)的信息，AP1000

12、能夠?qū)Σ豢勺R(shí)別的泄漏進(jìn)行定位定量監(jiān)測，并產(chǎn)生相應(yīng)的信息和報(bào)警。2.2VVER堆型田灣核電站1、2號(hào)機(jī)組采用了VVER堆型，在設(shè)計(jì)階段，基于俄羅斯GAN批準(zhǔn)的LBB準(zhǔn)那么，“破前漏LBB準(zhǔn)那么被應(yīng)用于一回路管道。俄羅斯導(dǎo)那么中的方法與國際慣例普遍采用的方法相符。為了滿足“破前漏LBB方案應(yīng)用的要求，采用不同冷卻劑泄漏檢測的物理方法和原理來建立復(fù)雜泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。VVER堆型采用了兩個(gè)專用的LBB泄漏監(jiān)測系統(tǒng)：基于聲發(fā)射的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)ALMSAcousticleakmonitoringsystems和基于溫濕度的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)HLMSHumidityleakmonitoringsystems。同時(shí)，通

13、過與輻射監(jiān)測系統(tǒng)的信息交互情況對(duì)泄漏進(jìn)行綜合分析。ALMS系統(tǒng)能夠?qū)朔磻?yīng)堆裝置一回路設(shè)備以及管道大于等于3.8升/分鐘的泄漏進(jìn)行定位定量判斷。泄漏發(fā)生時(shí)信息延遲不超過3分鐘，泄漏位置檢測以及泄漏量的估算延遲不應(yīng)超過10分鐘。泄漏量估算的相對(duì)誤差不超過±50%，泄漏位置檢測的相對(duì)誤差不超過已經(jīng)檢測到泄漏的相鄰指示器之間區(qū)域長度的±50%。HLMS系統(tǒng)能夠?qū)朔磻?yīng)堆裝置一回路設(shè)備以及管道大于等于1升/分鐘的泄漏進(jìn)行定位定量判斷。泄漏發(fā)生時(shí)信息延遲不超過3分鐘，泄漏位置檢測以及泄漏量的估算延遲不應(yīng)超過10分鐘。泄漏量估算的相對(duì)誤差不超過±50%，泄漏位置檢測的相對(duì)誤差

14、不超過已經(jīng)檢測到泄漏的相鄰指示器之間區(qū)域長度的±50%。輻射監(jiān)測系統(tǒng)是機(jī)組儀表與控制系統(tǒng)的一局部，通過連續(xù)監(jiān)測房間中惰性氣體體積活度來實(shí)現(xiàn)冷卻劑泄漏檢測。當(dāng)一回路中惰性氣體體積活度取決于燃料棒包殼的外表污染時(shí)，靈敏度不小于3.8升/分鐘。輻射監(jiān)測系統(tǒng)能夠保證檢測到泄漏并可以將泄漏位置定位到各個(gè)房間。2.3“華龍1號(hào)堆型“華龍1號(hào)在主管道和波動(dòng)管上采用LBB技術(shù)，為保證該技術(shù)的實(shí)施，設(shè)置了專用的主管道和波動(dòng)管LBB泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于聲發(fā)射的泄漏監(jiān)測方法，在機(jī)組正常運(yùn)行工況的不同功率水平下和停堆工況下，監(jiān)測主管道和波動(dòng)管的密封性能，以便早期發(fā)現(xiàn)冷卻劑的泄漏，并對(duì)泄漏進(jìn)行定位和定

15、量分析。主管道和波動(dòng)管LBB泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)χ鞴艿篮筒▌?dòng)段大于等于3.8升/分鐘的泄漏進(jìn)行定位定量判斷。泄漏發(fā)生時(shí)信息延遲不超過3分鐘，泄漏位置檢測以及泄漏量的估算延遲不應(yīng)超過10分鐘。泄漏量估算的相對(duì)誤差不超過±100%，泄漏位置檢測的相對(duì)誤差不超過已經(jīng)檢測到泄漏的相鄰指示器之間區(qū)域長度的±50%。2.4EPR堆型EPR堆型在設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)論證、制造檢查、在役監(jiān)控等各個(gè)階段采取預(yù)防措施，以強(qiáng)調(diào)不可能發(fā)生管道破裂及論證在整個(gè)電站壽期內(nèi)一回路管道的完整性。泄漏監(jiān)測系統(tǒng)能夠在管道發(fā)生破口斷裂臨界裂紋之前探測到泄漏，從而保證“破前漏LBB準(zhǔn)那么的實(shí)施。在平安殼內(nèi)，利用對(duì)濕度、冷凝裝置中冷凝物流量和地坑液位的測量來探測泄漏率，可以探測到平安殼內(nèi)部任何部位的泄漏。平安殼外部的蒸汽發(fā)生器管線泄漏依靠定期的巡視和泄漏探測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)檢測。為了進(jìn)行靈敏度分析，上述系統(tǒng)的最小可探測泄漏率至少要到達(dá)3.8升/分鐘。3總述通過以上分析，“破前漏LBB技術(shù)廣泛應(yīng)用于各三代核電堆型中，不同堆型基于自身的技術(shù)特點(diǎn)，采用了不同的方法、原理來實(shí)現(xiàn)LBB泄漏監(jiān)測。在后續(xù)工程中，可參考各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，選擇適宜的方法實(shí)現(xiàn)LBB泄漏監(jiān)測?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】【1】UnitedStatesNuclearReg