№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.3
© 2008 г. ХЛЕСТКИН Д. А., САФАРОВ Н. А., ВИНОГРАДОВ В. А.
СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ДОСТОВЕРНОСТИ МЕТОДИК
ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ УТЕЧКИ ИЗ ГЕРМЕТИЧНЫХ ОБЪЕМОВ ЗАЩИТНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ АЭС
Приведены существующие методики определения интегральной утечки из гер-мообъемов АЭС и их характеристики, показаны преимущества и недостатки. Даны рекомендации по применению.
В книге [1] впервые в России последовательно изложены теоретические методы, традиционные технические методы и разработки по проблеме испытаний на плотность систем герметичных ограждений отечественных АЭС. Система герметичных ограждений (СГО) атомных электрических станций (АЭС) является основным барьером, препятствующим выходу радиоактивных продуктов в окружающую среду в аварийных ситуациях на АЭС. СГО требует испытаний для проверки ее герметичности при аварийных проектных параметрах среды, так как для них принимаются малые величины допустимой утечки. Испытания проводятся перед пуском готового блока в эксплуатацию (приемочные испытания) и ежегодно (в некоторых странах реже, но регулярно) в период плановых остановов блока (эксплуатационные испытания). Цель этих испытаний - показать, что измеренная величина утечек не превышает принятого проектного значения, как предельно допустимого. Продолжительность испытаний по "абсолютному " методу для блоков, имеющих оболочки полного давления, - не менее 3 сут. Испытания проводятся в три этапа: процесс наддува СГО воздухом от компрессорной станции продолжительностью ~1 сут., стабилизация параметров воздуха в СГО —1 сут. и измерение утечки - >24 ч.
Отечественные СГО блоков АЭС с реакторами ВВЭР-1000 представляют собой цилиндрические с выпуклой овальной крышей конструкции из предварительно напряженного железобетона, рассчитанные на давление 5 кг/см2. Поскольку бетон не является плотной преградой для газообразных сред, СГО внутри облицована плотным металлическим покрытием. Таким образом, герметичность СГО обеспечивает металлическая облицовка, а механические усилия воспринимаются железобетонной оболочкой. Последние отечественные блоки оборудуются двойными бетонными оболочками для защиты от возможного падения механических объектов (например - самолетов). Критерием величины утечки, по соображениям ядерной безопасности, принята величина утечки, равная 0,3 % масс. в сутки от массы воздуха, находящегося в СГО при испытуемом давлении. В мировой практике испытания СГО на плотность проводятся двумя методами. "Абсолютный метод" определения величины утечки заключается в измерении изменений давления, температуры и влажности закаченного в СГО воздуха каждый час в течении 24 ч. Далее по уравнению состояния рассчитывается почасовая процентная утечка
где Р - давление; Т - температура; Я - газовая постоянная. Индекс "0" относится к начальному состоянию воздуха в СГО в рассматриваемом интервале времени, индекс "г" - к конечному. Затем определяется суточная величина утечки. Погрешность при определении величины утечки складывается из систематической и случайной величин [2]. Систематическая погрешность делится на исключаемые и неисключенные составляющие и определяется условиями проведения измерений: состоянием объекта измерения и окружающей среды, характеристиками используемых приборов и особенностями человеческого фактора. Первыми тремя факторами применительно к испытаниям СГО можно пренебречь, учитывая, что перед этапом измерения выполняется этап стабилизации параметров воздуха в ГО. Погрешность, связанную с человеческим фактором, можно отнести к категории случайных. Таким образом, систематическая неисключенная погрешность измерения утечки по "абсолютному" методу определяется характеристиками применяемых приборов. В качестве границы составляющей неисключенной систематической погрешности при испытаниях СГО принимается предел допускаемых погрешностей средств измерения (класс точности используемых приборов). Систематическая погрешность рассчитывается по формуле
АЬСТ = к^АЬ^, (2)
где АЬст г - паспортная погрешность измерения г-го параметра; к = 1,1 - коэффициент [2].
При испытаниях СГО систематическая погрешность рассчитывается по уравнению
А Ьст = кл/(5Р/Р)2 + (8Т/ Т)2 + (5Я/Я )2, (3)
где 5Р, 5Т, 5Я - приборные погрешности измерения давления, температуры и газовой постоянной влажного воздуха (измеряется влажность, входящая в формулу определения Я).
Случайная составляющая погрешности определяется в следующей последовательности.
Определяется средняя величина всех полученных п измерений
Ьср = Щ./п), (4)
где Ьг - измеренная за каждый час суточная утечка; п - число измерений. При испытаниях СГО число измерений п не всегда соответствует числу часов в сутках. На практике всегда выбирается наиболее представительная выборка, по которой и проводится расчет величины утечки.
Определяется среднее квадратичное отклонение:
Оь = Ьср - Ьг)2/(п -1). (5)
Среднее квадратичное отклонение п измерений (результата измерения)
Од = Ьср - Ь;)2/п (п -1). (6)
При доверительной вероятности 95%, обычно используемой при обработке опытных данных, определяется доверительный интервал АЬ (случайная составляющая погрешности измерения):
АЬсл = О^. (7)
Граница погрешности результата измерения определяется в следующей последовательности. Если АЬст/од < 0,8, то пренебрегают систематической составляющей погрешности. За погрешность принимается случайная составляющая: АЬ = АЬсл. Если АЬст/од > 0,8, то пренебрегают случайной составляющей погрешности и за погреш-
ность принимают систематическую составляющую ЛЬ = ДЬст. Если соотношения составляющих погрешности не укладываются в указанный диапазон неравенств, то
ЛЬ = К^, (8)
где
' ,2
^ = /3 + Л Ьл; (9)
К = (Д Ьсл + Д Ьст) / (Д ьсл + ^дь1т/3) . (10)
Разработанная и внедренная в практику программа обработки опытных данных учитывает уменьшение величины утечки в течение суток методом точечного почасового интегрирования величины утечки. Представляется возможным использовать стандартные трендовые программы, обеспечивающие получение оптимальных результатов, по затратам времени и полученной точности.
Второй метод определения утечки - "метод эталонного сосуда". Его принцип основан на сравнении изменения давления в СГО и в проверенном на герметичность эталонном сосуде или системе сосудов, размещенных в СГО. Как правило, эталонные сосуды значительно меньше СГО по объему, величина их заведомо известна, они легче и существенно точнее проверяются на плотность. Величина утечки из СГО определяется по изменению разности между давлениями в эталонной системе и СГО. Эта разность давлений невелика, и ее можно надежно регистрировать, что обеспечивает большую точность, чем система измерений при "абсолютном" методе. Применяя уравнение состояния последовательно к СГО и эталонному сосуду, можно получить уравнение расчета часовой процентной величины утечки
Ь = 100(ДР1 Т0Я0/Р0 Т1Я1), (11)
где ДР1 = Рэт1 - Р1; Рэт1 - конечное давление в эталонном сосуде за интервал времени измерения. Дальнейшие операции по определению суточной процентной величины утечки с учетом погрешности аналогичны "абсолютному" методу.
На время проведения испытаний останавливаются все работы на блоке, т.е. происходит вынужденный простой блока, поэтому сокращение времени проведения испытаний - экономическая задача. Разработка отечественных экспресс-методов измерения утечки относится к середине 80-х годов прошлого столетия. Продолжительность измерения этими методами не превышает нескольких минут, что не требует контроля за изменением температуры и влажности в процессе измерения.
Впервые практическое решение о разработке "экспресс"-методов было осуществлено в 1986 г. на Запорожской АЭС в период пуска третьего блока. Испытывались два экспресс-метода измерения утечки: компенсационный и по скорости снижения давления. Положительный результат в то время был получен только по компенсационному методу. Способ получил наименование КМИУ (авторские свидетельства [1, 3]). В США компенсационный метод исследовался и проверялся в начале 60-х годов [4, 5]. Принцип компенсации потерянного за счет утечки воздуха контролировался либо весовым способом, либо с использованием стандартного расходомера. В обоих случаях утечка определяется в течение относительно длительного промежутка времени, что обусловливается необходимой точностью определения ее величины. Однако увеличение продолжительности проведения испытаний автоматически приводит к необходимости учета изменения температуры и влажности. В КМИУ, по мнению авторов, подтвержденному опытом опробования и практического применения, выбран оптимальный вариант, при котором нет необходимости контроля изменения температуры и влажности, а точность измерения существенно выше, чем при использовании "абсолютного" метода.
Авторами исследовалось применение нескольких чувствительных элементов для их дальнейшего использования в экспресс-методах определения интегральной утечки из
гермообъема (ГО) АЭС. В качестве чувствительного элемента опробовались: жидкая капля, с оптимальной текучестью, "тепловое пятно" воздуха и его перемещение от перепада давления, отклонение микрофакела, пропорциональное перепаду давления, и измерение перепада давления с помощью чувствительной мембраны. Наибольшей, примерно одинаковой чувствительностью обладают: тепловое пятно и микрофакел. Однако от этих способов отказались, поскольку и применение жидкой капли и чувствительной мембраны полностью удовлетворяли необходимым требованиям по чувствительности. Позднее использование капли позволило получить еще три метода измерения интегральной утечки. Эти четыре метода были воплощены в приборе СИ-1 и защищены [1, 3, 6-9]. Все методы, реализованные в СИ-1, успешно прошли станционные испытания на Запорожской и Балаковской АЭС и внедрены на АЭС "Козлодуй" в Болгарии.
Определение утечки с помощью мембраны, измеряющей перепад давления, прошло ряд стендовых и натурных испытаний, начиная с 80-х годов прошлого столетия. Предприятием "АРТ" на базе Днепропетровского политехнического института был разработан, изготовлен, метрологически аттесто
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.