核电站泄漏监测系统湿度取样时间优化研究

自动化仪表

Vol. 42 No. 1

Jan. 2021

PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION

核电站泄漏监测系统湿度取样时间优化研究

樊进宣

(中广核工程有限公司，广东深圳518118)

摘要:对第三代原子能反应堆核电站泄漏监测系统取样过程进行研究。介绍了当前核电站泄漏监测的现状，对各类泄漏监测方法 的原理进行了调查。研究过程采用数值模拟方法，对湿度测量过程中的湿蒸汽取样机理进行研究。湿度取样测量方法相比其他方 法，动态特性较差，测量结果显示存在滞后性。研究表明：泄漏监测系统当前采用的湿空气取样时间还有一定的优化空间。通过对湿 度取样管线湿空气扩散过程的分析，可以将湿度取样时间适当缩短，从而提高核电站泄漏监测系统的实时性。目前，国内较少采用测 量湿度进行泄漏监测的方法，相关的理论研究和改进工作也较少。该研究可以在一定程度上推动该方法在国内相关领域的研究和 应用。

关键词：泄漏监测；湿度取样；数值模拟；取样时间优化；核电站；动态特性；多孔介质；传热传质 中图分类号：TH-39

文献标志码：A

D0I： 10. 16086/j. cnki. issnl000-0380. 2020060042

Research on Humidity Sampling Time Optimization

of Leakage Detection System in Nuclear Power Plant

FAN Jinxuan

(China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen 518118,China)

Abstract： The sampling

process of the leakage detection system in nuclear power plant is researched. The present status of leakage detection in nuclear power plant is reported and the principles of different method of leakage detection are investigated. The numerical simulation method is used in the research and the mechanism of humidity sampling during the humidity measurement is researched. Comparing with other method, humidity sampling method has not a good dynamic characteristic and the measuring result has a hysteresis quality. The result display that the sampling time used in leakage detection system can be optimized to some extent. The time can be shortened by analysis of the diffusion process of the humidity into sampling pipe from outside and improve the efficiency of leakage detection system. At present, humidity sampling method has not been used very much interiorly at home and few related theory study and improvement work has been done. The work in this paper can promote the research and application of this method in the related field to some extent.Keywords：Leakage detection； Humidity sampling； Numerical simulation； Sampling time improvement； Nuclear power plant； Dynamic characteristic； Porous medium； Heat and mass transfer

法、氘浓度监测法、激光传感器监测法和模糊安全监测 法等[2_8]。这些方法大部分已在常规电厂中得到广泛 的应用，但是在核电站的泄漏监测中，只有部分方法得 到应用。开发更多的泄漏监测方法有利于进一步提高 核电站的安全监测水平，从而确保核电站的安全运行。 本文所研究的多孔介质蒸汽扩散数值模拟和湿度取样 时间的优化就是在上述背景下开展的。1

泄漏监测系统简介

在核电站事故中，一回路冷却水丧失事故（loss of

coolant accident，LOC A

〇引言

第三代原子能反应堆核电站在核岛厂房布置方面 有其独特的设计特点:通过将厂房划分为不同的隔间， 使不同的设备之间形成有效的实体隔离，不仅可以保 护设备，也在一定程度上提高了核电站在故障工况下 的可用程度和机组利用率。基于核岛厂房的划分特 点，该类核电站首次成功将蒸汽取样监测技术应用到 核岛的泄漏监测系统中^]。核电站泄漏监测技术主要 包括间接的辐射监测法、声学监测法、湿敏元件监测 法、温度监测法、流量监测法、多孔介质湿度取样监测

)属于严重的事故工况之一■，有

收稿日期:2020-06-16

作者简介：樊进宣（丨983—），男，硕士,工程师，主要从事核电站泄漏监测系统的研究，E-mail:〇pli〇*******〇m

第1期核电站泄漏监测系统湿度取样时间优化研究樊进宣• 57 •

可能直接导致放射性物质的泄漏。而泄漏监测系统作 图1中，小圆点代表空气中的水蒸气。在浓度梯 为一种事故提前监测工具，能够识别发生在一回路管 度的作用下，水蒸气会通过金属多孔扩散层进人取样 道上的极小泄漏（最低可达到0.005 kg/s)。这在一定 管内。

程度上可以大大降低核电站发生LOCA事故的概率。

泄漏监测系统采用了三种泄漏监测方法，分别是 温度测量法、流量测量法和湿度测量法。根据测量位 置,该系统可以分为安全壳内泄漏监测和安全壳外泄 漏监测。本文主要研究湿度测量法。该方法对壳内和 壳外监测均适用。湿度泄漏监测法的原理是通过湿度 取样管线获取核岛厂房内不同测点的湿空气样本；然 后，通过吹扫的方式，将样本运送到系统的处理机柜 I

I

进行数据处理，并将得到的空气湿度情况汇报给主 图丨湿空气进入取样管内的示意图

控室的操作员；操作员根据各个测点的空气湿度变 Fig. 1 Schematic of the humidity air diffuses into

化情况采取相应的措施。湿度测量法的取样元件是 the sampling pipe

由镍铬合金烧结而成的金属多孔介质，测点处空气 泄漏监测系统湿度监测法原理如图2所示。其 中的湿蒸汽可以通过该金属多孔介质层扩散到取样 中，取样测量柜内配备有红外吸收式湿度传感器，可以 管内。

对空气样本进行湿度测量。数据分析柜可以对测量数 湿空气进人取样管内的示意图如图1所示。

据进行分析，并向主控室发送泄漏报警。

反应堆厂房内隔间泄漏监测

反应堆厂房外数据处理单元

ir

ir

图2泄漏监测系统湿度监测法原理图

Fig. 2 The principle schematic of the humidity monitoring method of leakage detection system

2控制模型

故将水蒸气在金属多孔介质和管内的整个扩散过程看

作一维的扩散过程，且在整个模拟区域内的温度是均 2.1控制模型建立

匀分布的。

控制模型建立的假设前提条件如下D

本文所要模拟的对象是水蒸气在金属多孔介质和

① 假定所研究区域内的水蒸气为理想气体。取样管内的扩散。该金属多孔介质和取样管的结构如 ②

假定水蒸气在金属多孔介质内的扩散系数是水

图3所示。每个取样点都是由10~ 12个这样的结构 蒸气在空气中扩散系数的1/100;由于水蒸汽在空气 组合在一起形成的一个整体取样点。金属多孔介质及 中的扩散速率远大于在金属多孔介质内的扩散速率,

取样管示意图如图4所示。

• 58 •自动化仪表

第42卷

多孔金属烧结片

世伟洛克接头

图3金属多孔介质及取样管示意图

Fig. 3 Schematic of the metal porous medium and sampling pipe

图4取样点布置图

Fig. 4 Lay out diagram of the sampling point

根据上述取样点的布置，首先确定数值模拟研究 区域。该研究区域包含10个蒸汽扩散点。由10个扩 散点所组成的湿度取样点如图5所示。从图5可以看 出，位于中间部位的扩散点的特性大致相同。本文主 要截取了中间部位的一个扩散点作为研究对象。

图5 由10个扩散点所组成的湿度取样点 Fig. 5 Humidity point composed by 10 diffuse points

2.2模型参数

本文所研究的取样管的内径为4 m

m

,管壁厚度为

2 m

m

,烧结金属厚度为2 m

m

,管内气体扩散长度为

100 mm

。所研究区域内环境温度为298 K,总压力随

水蒸气的扩散呈现出不均匀分布状态，初始压力为101 300 Pa。管内初始水蒸气体积浓度是0. 000 4,管 外水蒸气体积浓度为0. 04 ~0. 06。2.3控制方程

蒸汽扩散微分方程由菲克第二定律给出，具体 如下：

式中为总压力；ft为气体常数；r为热力学温度；c 为水蒸气体积浓度\"为时间；£>为水蒸气在空气和多 孔介质内的扩散系数;X为沿扩散方向的坐标值。

水蒸气在空气中的浓度扩散系数利用菲克定律公 式计算：

/ 435. 7ry

_3_

「I f\\

叫

\\p(K ~

I； + ~

Vl)lN^A IcmVs ⑵

式中：r为热力学温度;p为总压强分别为气

体的分子量；f4、fs分别为气体/I、e在正常沸 点时液态容积，V空气=29. 9 cmVgmol, V水蒸气=

18. 9 cm'Vgmol 〇

2.4边界条件和初始条件设置

边界条件设置：

c(xr,t) = cf

= 0

初始条件设置：

cC(*f，0) = C,

(x,0) - c0,x ¥=式中^为管内边界;\\为管外边界;■/为研究区域内 物质的量流量;c,为P0时刻管外气体中水蒸气体积 浓度，这里取& = 0. 04;c。为《 = 0时刻管内气体中水蒸 气体积浓度，该值一般在0. 〇〇〇 4以下。2.5网格划分

气体在烧结金属内的扩散距离较短，只有2 m

m

，

而在管内的扩散则有100 m

m

，所以在管内网格节点之

间的间距较小。但是为了满足连续介质模型条件，金 属扩散层内的节点数不宜过多。

为了获得网格独立解，本文分別采用了 20个节点 (其中8个管内节点，12个金属扩散层节点）、40个节

点（其中16个管内节点，24个金属扩散层节点）、80个 节点（其中32个为管内节点、48个为金属扩散层节 点）、160个节点（其中64个管内节点，96个金属扩散 层节点），对10 〇〇〇 s后管内水蒸气的平均体积浓度进 行了分析。网格独立解分析结果如图6所示。

图6

网格独立解分析结果

Fig. 6 Independence analysis of the gridding

从图6可以看出，在网格节点数为40时，丨0 000 s

网格数为80时，

后管内平均体积浓度为0.004 39;当第1期核电站泄漏监测系统湿度取样时间优化研究樊进宣• 59 •

10 000 s后管内平均体积浓度为0. 004 36,两者相差不 到1%,满足网格独立解条件。本文选取80个网格节 点，其中32个管内节点、48个金属扩散层节点。3

模拟结果分析

本文采用一维非稳态非线性数值模拟方法〜' 通过数值模拟计算，得到不同时间点所研究区域内的 水蒸气体积浓度分布，如图7所示。其中轴表示水 蒸气从管内到管外的扩散方向坐标值,* = 0至x = 0. 1 表示管内空气扩散段3 = 0. 1至：《 = 0. 102表示金属扩 散层扩散段;y轴表示不同扩散时间水蒸气体积浓度。 从图7可以看出，随着时间的推移，管内水蒸气体积浓 度逐渐增大。在《 =500 000 8时，管内水蒸气体积浓 度基本上与管外的水蒸气浓度相当。这说明管内的水 蒸气浓度需要经过5天多的时间，才能达到与管内相 同的值。为提高测量效率，在实际水蒸气浓度测量中， 一般通过测量在较短时间内的取样值来推算出管外的 水蒸气浓度。这就需要找到取样值和管外被测值之间 的对应关系。另外，该图也验证了管内的水蒸气浓度 分布相比金属扩散层内的分布更加均匀的结论。

O.OOE+OO 2.00E-02 4.00E-02 6.00E-02 8.00E-02 1.00E-01 1.20E-01

坐标值

图7不同扩散时间下金属扩散层及管内水蒸气体积浓度分布

Fig. 7 Concentration distribution of steam in metal diffusion

layer and in pipe in different diffusion times

由于管内的水蒸气浓度并非完全均匀分布，需要 通过积分获得管内水蒸气体积浓度。图8反映了管内 水蒸气体积浓度随扩散时间的变化情况。

图8管内水蒸气体积浓度随扩散时间的变化情况

Fig. 8 Change of concentration of steam in pipe versus time

从上述模拟结果可以看出，管内水蒸气浓度随时 间呈指数分布。为了找到取样值和被测值之间的关 系，选择式（3)作为拟合公式：

[D

= 〇■»,,(! - e T〇) + cr〇

(3)

式中为取样值；(7„,„为管外被测值；^为取样时 间;tr。为管内初始水蒸气体积浓度为时间常数。

从式（3)可以看出，只要确定了管内初始值〇•。和 时间常数、，就可以根据取样值和取样时间得到管外 的蒸汽浓度值，从而得到所测点处的泄漏情况。将

J 二 0 s、〇■„■=〇•(! = 0. 000 4 和 /' = 980 s

= 0. 001 185 代

人上述拟合公式，得rD = 48 435、(7。=0.000 4,从而得

到最终的拟合公式，如式（4)所示。

〇•„,; = 0. 04[1 - e_3ns] + 0. 000 4

(4)

在调试试验过程中，取样时间可以通过上述拟合 公式计算得到，在系统现有的参数设置中，一个完整的 测量周期包括湿蒸汽取样时间和湿度测量时间。当前 湿蒸汽取样时间设置大概为15 min,湿度测量时间约 为15 min,总的测量周期为0.5 h。通过数值模拟获得 的拟合公式，可以对该取样时间进行优化。总的测量 时间可以缩短1/3，这样可以提高泄漏检测系统的整 体动态响应特性。4

结论

通过对系统取样过程中，蒸汽在金属扩散层及取 样管内扩散的数值模拟研究可以看出，取样管内的湿 度达到与管外相同的湿度，至少需要5天的扩散时间。 而这在实际的湿度取样测量过程中是不现实的。通过 数值模拟得出的蒸汽扩散过程管内浓度与时间的拟合 公式，可以将扩散时间从目前的15 min缩短至 10 min,从而将整体测量时间缩短至20 min,在一定程 度上提高了湿度测量效率，进而提高了核电站泄漏监 测系统的监测效率。

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(下转第63页）

第1期直流试验线段用阻波器的参数优化设计赵录兴，等• 63 •

比。试验线段首端有无阻波器的无线电干扰频谱曲线 对比如图6所示。

8o

o(s

/7oA

o

a.o

6)CQop

/5o

o

其次，对阻波器均压罩的表面电场强度进行了计算校 核，在400 kV试验电压下，均压罩表面电场强度不大 于18 kV/cm,满足电晕控制要求。最后，利用研制的 阻波器，开展了试验线段上的无线电干扰测量，无线电 干扰频率特性规律得到极大改善，验证了阻波器设计 方案的合理性。

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®

洚

4321

萁H-# 眾枳

0

1

2

3

//MHz

4 5 6

图6有无阻波器的无线电干扰频谱曲线对比图

Fig. 6 Comparison of radio interference spectrum curves with or

without a wave trap filter

由图6的频谱特性曲线对比结果可以看出：未安 装阻波器前，无线电干扰的频谱特性杂乱无章没有规 律;安装阻波器后，无线电干扰频谱的波峰-波谷交替 出现的趋势更清晰，且波峰与波峰之间频率间隔相等， 约为1.38 M

HZ。直流模拟试验线段全长100 m

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3 m。若考虑电源引线长度5 m，总长度约为108 m，根 据文献[10]的计算方法,在两端开路的试验线段中间 位置的无线电干扰频谱曲线波峰-波峰的频率间隔计 算值约为1.39 MHz,与测试结果基本一致，证明r本 文所设计的阻波器的有效性。5

结论

本文研究了阻波器各参数取值变化对阻波器衰减 特性的影响，推荐了阻波器参数设计方案。首先，综合 考虑技术性和经济性，对于本文的直流试验线段，阻波器 设计要求为电容值不大于15 PF,电感值不小于20 mH。

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