吳 萍，郭 林，劉 莉

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

0 引言

嚴(yán)重事故即堆芯嚴(yán)重?fù)p壞事故，屬于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的一部分，是事故后果比設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故更為嚴(yán)重的事故工況。嚴(yán)重事故有可能破壞安全殼的完整性，從而導(dǎo)致環(huán)境放射性污染及人身傷亡，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。隨著我國核工業(yè)的不斷發(fā)展，特別是HAF102[1]中明確提出了核電站設(shè)計(jì)應(yīng)考慮對于嚴(yán)重事故的預(yù)防及緩解要求。對于已建和新建的核電廠，國家核安全局已經(jīng)明確要求提交嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則。其中，嚴(yán)重事故儀表可用性分析作為導(dǎo)則重要的一部分內(nèi)容，必須進(jìn)行深入的研究。其原因在于：儀表在嚴(yán)重事故工況下的可用性，直接關(guān)系到嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則中的嚴(yán)重事故管理策略在實(shí)際中是否能真正實(shí)現(xiàn)[2]。一旦嚴(yán)重事故發(fā)生，需要通過采用相應(yīng)參數(shù)的測量儀表執(zhí)行正確的功能、監(jiān)視電站狀態(tài)，確保電站可控并維持穩(wěn)定的堆芯狀態(tài)。

壓力、差壓變送器(以下簡稱“變送器”)，作為廣泛用于核電站的工藝系統(tǒng)壓力、流量、液位測量的儀表，是安全級儀表的重要組要部分，其測量的精確性和可靠性直接影響核電廠的安全、可靠運(yùn)行[3]。例如，核電站的事故管理導(dǎo)則就嚴(yán)重依賴于安全殼壓力、反應(yīng)堆一回路壓力等參數(shù)的準(zhǔn)確測量。我國三代核電站華龍一號堆型中規(guī)定的嚴(yán)重事故下“必須使用”的測量/監(jiān)測的儀表中也包含了許多變送器。它們將在嚴(yán)重事故時，為核電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供必要的信號，部分嚴(yán)重事故下“必須使用”的變送器的重要測量閾值將作為SAMG規(guī)程等導(dǎo)則入口條件[4-5]，因此項(xiàng)目對變送器穩(wěn)定性及可靠性等方面都有較高的要求。

1 嚴(yán)重事故變送器選型設(shè)計(jì)要求

在核電廠中，與反應(yīng)堆密切相關(guān)的壓力、差壓、液位、流量等重要參數(shù)，都是采用變送器測量的。變送器的選型通常根據(jù)所執(zhí)行的功能、被測工藝介質(zhì)的類型、測量范圍、特性、安裝條件、環(huán)境條件、儀表性能等方面來考慮，不僅要滿足高可靠性、高穩(wěn)定性、高精度的要求，還要滿足保護(hù)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)要求；此外，還必須考慮電站運(yùn)行、維護(hù)的特殊要求[6]。根據(jù)RCC-E[7]中的相關(guān)要求，安全級壓力變送器需要根據(jù)不同的鑒定程序進(jìn)行質(zhì)量鑒定，以保證在面對各類工況下，能夠正確地執(zhí)行測量，以及用于后續(xù)離散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)的控制、監(jiān)測等功能。安全級壓力變送器要求具有耐輻照、抗地震、抗蒸汽高溫等核級性能要求。根據(jù)鑒定要求的不同，一般要求安全級儀表應(yīng)滿足K1、K2或K3類的鑒定要求。

華龍一號中把嚴(yán)重事故下使用的變送器劃分為“可能用到”和“必須使用”兩類?！翱赡苡玫健钡亩x是根據(jù)嚴(yán)重事故管理“能用則用”的原則以及核電廠的具體設(shè)計(jì)，預(yù)期可能會在某些嚴(yán)重事故緩解策略中用到的儀表[5]?！氨仨毷褂谩笔轻槍M(jìn)入嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則(各具體導(dǎo)則的入口條件參數(shù))以及核電廠設(shè)計(jì)中應(yīng)對嚴(yán)重事故的專設(shè)系統(tǒng)功能是否正常運(yùn)行的參數(shù)監(jiān)測、測量儀表和核電廠設(shè)計(jì)中主要(或?qū)ｉT)用于嚴(yán)重事故緩解的系統(tǒng)以及對最后一道放射性屏障(安全殼)的完整性有重要影響的系統(tǒng)、設(shè)備。對于嚴(yán)重事故下“必須使用”的變送器而言，除了保證在正常工況下、地震載荷下(有要求時)要有能力完成其規(guī)定的功能外，還需要根據(jù)嚴(yán)重事故環(huán)境條件下的設(shè)計(jì)要求，對儀表考慮相應(yīng)的鑒定或補(bǔ)充分析[6-9]。RCC-E[7]中新增加了B7000章節(jié)“嚴(yán)重事故條件下的鑒定程序”。該章節(jié)起初只適用于新建核電站。但在福島核電廠事故后，要求運(yùn)行核電廠和在建核電廠都要考慮“嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解措施”以及“嚴(yán)重事故管理策略”。

2 嚴(yán)重事故變送器的鑒定條件概述

2.1 溫度、壓力鑒定條件

嚴(yán)重事故“必須使用”的變送器要求按照事故環(huán)境條件進(jìn)行鑒定，按照執(zhí)行的具體功能，包含以下幾類。

①殼內(nèi)僅用于嚴(yán)重事故的變送器，鑒定等級為KS。

②殼內(nèi)同時應(yīng)用于嚴(yán)重事故和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的變送器，其鑒定等級為K1，且同時應(yīng)滿足KS鑒定要求。

③殼外嚴(yán)重事故用變送器，首先應(yīng)按照是否應(yīng)用于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，確定其鑒定等級為K3+/NO+。

在“華龍一號”三代核電站的嚴(yán)重事故鑒定設(shè)備、儀表清單中，“必須使用”的設(shè)備儀表中包含的部分典型應(yīng)用的嚴(yán)重事故變送器用清單如表1所示。

表1 嚴(yán)重事故用變送器清單Tab.1 The list of SA transmitters

注：+表示需要滿足該儀表相應(yīng)的嚴(yán)重事故鑒定條件

嚴(yán)重事故下“必須使用”的變送器，不僅要求準(zhǔn)確反映事故前、事故中和事故后需要監(jiān)測、測量的壓力、差壓參數(shù)，而且是DCS邏輯選擇、判斷和動作的重要依據(jù)。為了確保嚴(yán)重事故下使用的儀表在事故環(huán)境條件下能夠執(zhí)行其特定功能，一般推薦使用型式試驗(yàn)法或組合方法進(jìn)行設(shè)備質(zhì)量鑒定。鑒定的方法和流程與K1類鑒定程序類似，但對應(yīng)事故下的熱力、化學(xué)方面的嚴(yán)重性、方法、誤差要求不同[10]。我國自主研發(fā)的華龍一號三代核電技術(shù)，在嚴(yán)重事故鑒定中提出了一些詳細(xì)的環(huán)境條件要求。這些要求主要包括鑒定時間條件，溫度、壓力鑒定條件及輻照鑒定條件。其中，溫度、壓力鑒定條件僅適用于殼內(nèi)儀表，對于華龍一號安全殼外的嚴(yán)重事故用儀表，不考慮嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)溫度、壓力變化的影響。

2.2 輻射鑒定條件

對于安全殼內(nèi)嚴(yán)重事故后“必須使用”的變送器，根據(jù)其鑒定時間不同，可以得到對應(yīng)的輻射鑒定條件?？紤]正常運(yùn)行壽期內(nèi)的累積輻射環(huán)境，殼內(nèi)嚴(yán)重事故下“必須使用”的變送器，所需耐受的累積輻照劑量最大值可達(dá)到1 275 kGy。

上述輻照條件適用于安全殼內(nèi)儀表，在具體執(zhí)行中，對于安全殼外劑量引起的嚴(yán)重事故下“必須使用”設(shè)備的鑒定問題，華龍一號項(xiàng)目開展了殼外劑量對設(shè)備影響的專項(xiàng)評審工作。結(jié)合華龍一號項(xiàng)目安全殼外輻射環(huán)境分析結(jié)果以及幾個殼外變送器的安裝位置和輻照分區(qū)，經(jīng)核算，殼外嚴(yán)重事故下“必須使用”的變送器最大輻照劑量可達(dá)到42 kGy。

2.3 特殊的嚴(yán)重事故鑒定條件

乏燃料水池液位差壓變送器為嚴(yán)重事故下“必須使用”，其鑒定另作考慮。根據(jù)乏燃料水池SAMG中儀表的使用情況(作為導(dǎo)則的入口)、儀表目前的量程設(shè)置，以及嚴(yán)重事故環(huán)境條件的計(jì)算結(jié)果，選取事故后188 h作為鑒定的時長，變送器安裝在KX廠房，標(biāo)高為+6.1 m，在188 h之前(燃料未破損)放射性環(huán)境條件不會變化，輻射條件為正常輻射分區(qū)劑量(綠區(qū))。所以，綜合考慮相關(guān)儀表的鑒定條件如下：鑒定等級為K3+。其對應(yīng)的鑒定條件為：鑒定時間為-188 h；溫度為-108 ℃；濕度為-100%；綠區(qū)累積劑量。

3 嚴(yán)重事故變送器選型和鑒定重點(diǎn)

綜合考慮華龍一號對于嚴(yán)重事故變送器選型設(shè)計(jì)要求及變送器潛在供貨商的產(chǎn)品性能，對于表1中所列的安全殼外嚴(yán)重事故下“必須使用”的變送器，采用鑒定等級為K3加相應(yīng)輻照劑量(超過42 kGy)或者K1的變送器即可滿足設(shè)計(jì)需求。

針對其余安全殼內(nèi)的嚴(yán)重事故用壓力變送器，目前國際上能夠滿足相關(guān)要求的廠家有美國羅斯蒙特和法國羅爾斯羅伊斯公司，分別為3155N系列和Bibloc系列。這兩個系列的變送器均采用全焊接密封結(jié)構(gòu)，具有更好的耐輻照和耐高溫、高壓的性能。3155N系列的輻照總劑量率為1 670 kGy，Bibloc系列的輻照總劑量率為2 250 kGy，相較于華龍一號嚴(yán)重事故輻射鑒定的最大要求，均具有較大裕度。但是在溫度、壓力鑒定條件上，華龍一號提出了新的嚴(yán)重事故要求，而兩個系列的變送器曾經(jīng)根據(jù)AP1000電站和EPR電站的相關(guān)鑒定要求得到的鑒定曲線尚不能夠完全包絡(luò)華龍一號的要求曲線。根據(jù)GB/T 12727[11]，設(shè)備的質(zhì)量鑒定除了試驗(yàn)法包絡(luò)外，也可采用組合法(即型式試驗(yàn)加分析法)外推其質(zhì)量鑒定結(jié)果。因此，針對溫度、壓力鑒定曲線的包絡(luò)性這一重點(diǎn)問題，在設(shè)備已完成的鑒定試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展分析工作。下文就3155N系列和Bibloc系列的鑒定包絡(luò)性分析進(jìn)行介紹。

3.1 3155N系列變送器鑒定曲線覆蓋性分析

對于表1中的壓力變送器，蒸汽發(fā)生器寬量程水位，熱管段水位和乏燃料水池液位等測量，采用了3155N系列變送器。以上位號均為基型表，無需遠(yuǎn)傳裝置。

首先，考慮溫度鑒定曲線的覆蓋性。3155N系列鑒定的溫度曲線峰值約215 ℃，高出華龍一號嚴(yán)重事故的溫度鑒定曲線峰值約65 ℃。其溫度鑒定曲線和華龍一號殼內(nèi)儀表嚴(yán)重事故鑒定條件的覆蓋性分析主要包括四個部分。

①在1～3 h和20～66.5 h內(nèi)，3155N系列的鑒定試驗(yàn)溫度曲線可以包絡(luò)華龍一號的曲線，滿足要求。

②在1～20 h內(nèi)，3155N系列的鑒定曲線低于華龍一號嚴(yán)重事故溫度鑒定曲線約10 ℃。

③在66.5 h～15 d，3155N系列的嚴(yán)重事故鑒定溫度曲線從137 ℃逐漸降低至100 ℃，低于該階段華龍一號嚴(yán)重事故溫度鑒定曲線均滿足穩(wěn)定在137 ℃的要求。

④對于乏燃料水池液位的特殊鑒定要求，3155N系列的鑒定曲線完全覆蓋。

綜上，3155N系列的鑒定曲線并不能夠完整地包絡(luò)華龍一號嚴(yán)重事故鑒定要求。

進(jìn)一步研究表明，羅斯蒙特3155K系列具有和3155N系列一樣的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，兩者在老化、輻照和地震等其他鑒定試驗(yàn)上的要求和試驗(yàn)順序相同，而不同之處僅在于事故條件下的蒸汽環(huán)境要求。3155N系列根據(jù)AP1000電站要求進(jìn)行了事故環(huán)境條件鑒定，3155K系列根據(jù)EPR電站的要求進(jìn)行了嚴(yán)重事故鑒定和冷卻鏈總損耗(total loss of coolant chain,TLOCC)鑒定?？紤]設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的一致性以及蒸汽環(huán)境鑒定試驗(yàn)程序的相似性，進(jìn)一步采用3155K系列的SA+TLOCC試驗(yàn)的溫度、壓力曲線與華龍一號嚴(yán)重事故鑒定要求進(jìn)行覆蓋性分析可知，3155K系列的SA和TLOCC鑒定的溫度曲線高于華龍一號SA鑒定的溫度曲線。因此，可認(rèn)為與3155K系列類似的3155N系列也能夠耐受華龍一號嚴(yán)重事故溫度鑒定要求。

其次，就壓力鑒定曲線而言，在0～125 h(5.2 d)內(nèi)，3155K的壓力鑒定曲線峰值遠(yuǎn)超出華龍一號的要求，此后，其壓力維持在0.3 MPa直至15 d，低于華龍一號壓力鑒定曲線保持在 0.33 MPa的要求。但由于3155K系列采用全焊接密封外殼，外部壓力的微小變化對于變送器性能的影響可以忽略。且根據(jù)華龍一號的嚴(yán)重事故壓力環(huán)境條件包絡(luò)曲線[9]，在125 h之后，曲線已基本平穩(wěn)保持在0.3 MPa。因此，可認(rèn)為與3155K系列類似的3155N系列能夠耐受華龍一號嚴(yán)重事故溫度壓力要求。

3.2 Bibloc系列變送器鑒定曲線覆蓋性分析

對于表1中的變送器，反應(yīng)堆一回路壓力、堆腔水位等的測量采用了Bibloc系列變送器。Bibloc系列的嚴(yán)重事故鑒定壓力曲線能夠完整地包絡(luò)華龍一號的嚴(yán)重事故壓力鑒定要求，而Bibloc系列溫度鑒定曲線和華龍一號殼內(nèi)儀表嚴(yán)重事故鑒定條件的覆蓋性分析主要可分為三個時間段。

①在0～20 min內(nèi)，Bibloc系列的LOCA試驗(yàn)溫度曲線可以包絡(luò)華龍一號的曲線，滿足要求。

②在20 min～12 h內(nèi)，華龍一號的溫度要求穩(wěn)定于150 ℃。而Bibloc系列的嚴(yán)重事故鑒定溫度曲線低于華龍一號鑒定要求約10 ℃。在該時間范圍內(nèi)，其鑒定試驗(yàn)溫度約介于140～150 ℃之間?？紤]到華龍一號鑒定要求曲線相較于嚴(yán)重事故下安全殼大氣露點(diǎn)溫度包絡(luò)線仍保留了一定裕度，通過對比分析，Bibloc系列鑒定曲線在該段時間內(nèi)的溫度略高于反應(yīng)堆一回路壓力、堆腔水位測量儀表位置在此時間段內(nèi)的嚴(yán)重事故下安全殼大氣露點(diǎn)溫度包絡(luò)線[10-12]。

③在12 min～15 d內(nèi)，整個Bibloc系列的嚴(yán)重事故鑒定溫度曲線可以包絡(luò)華龍一號的鑒定要求。

從上述整個過程中的分析可以看出，Bibloc系列壓力變送器可以滿足華龍一號最高溫度的要求。

進(jìn)一步分析表明，由于Bibloc系列變送器采用分體式結(jié)構(gòu)，其傳感器單元內(nèi)磁芯上的線圈電阻在感應(yīng)壓力信號的同時，也會對傳感器內(nèi)部的溫度進(jìn)行實(shí)時測量，并傳遞至轉(zhuǎn)換器單元，進(jìn)行實(shí)時的溫度補(bǔ)償。由于溫度在材料中的熱傳導(dǎo)規(guī)律，當(dāng)環(huán)境溫度出現(xiàn)熱沖擊式變化時，從變送器外部迅速升溫，但溫度傳導(dǎo)到變送器內(nèi)部具有惰性延遲。這就造成在發(fā)生熱沖擊后的短時間內(nèi)，內(nèi)部溫度測量數(shù)值與環(huán)境實(shí)際溫度具有差異。此時，傳感器內(nèi)部溫度導(dǎo)致的材料熱膨脹而疊加在變送器磁芯位移，并不能準(zhǔn)確反映出此時的環(huán)境溫度，從而向溫度補(bǔ)償作用引入了較大的誤差，導(dǎo)致變送器測量輸出精度變差。

通過模擬Bibloc系列變送器在熱沖擊影響下的精度變化發(fā)現(xiàn)，該系列變送器的輸出精度變化與熱沖擊的劇烈變化程度關(guān)系密切，而與溫度穩(wěn)定后的溫度高低關(guān)系不大。通過對比分析Bibloc系列變送器的LOCA試驗(yàn)曲線、Bibloc系列完成的嚴(yán)重事故鑒定曲線以及華龍一號嚴(yán)重事故鑒定曲線可知，LOCA試驗(yàn)曲線中的溫度熱沖擊率最大，即溫度變化曲線的斜率最大，且溫度峰值最高。進(jìn)一步可得出Bibloc系列變送器在華龍一號嚴(yán)重事故鑒定條件下的精度將小于LOCA熱沖擊帶來的精度影響。

綜上所述：①Bibloc系列變送器的溫度鑒定曲線雖然低于嚴(yán)重事故鑒定曲線，但可以覆蓋實(shí)際嚴(yán)重事故工況包絡(luò)曲線；②Bibloc系列變送器的精度誤差主要與熱沖擊有關(guān)，與穩(wěn)定溫度的高低關(guān)系不大。上述鑒定曲線不能直接覆蓋的第②階段屬于溫度穩(wěn)定保持階段。

經(jīng)分析，Bibloc系列變送器滿足華龍一號嚴(yán)重事故環(huán)境條件使用要求。

4 結(jié)論

華龍一號堆型要求嚴(yán)重事故下“必須使用”的儀表，除了保證在正常工況下、地震載荷下(有要求時)有能力完成其規(guī)定的功能外，還需要保證嚴(yán)重事故下的可用性。為展現(xiàn)嚴(yán)重事故變送器對于此要求的實(shí)踐情況，本文完整地梳理了華龍一號嚴(yán)重事故用變送器的詳細(xì)設(shè)計(jì)要求，同時結(jié)合福清5、6號項(xiàng)目的實(shí)際選型設(shè)計(jì)工作，總結(jié)了嚴(yán)重事故用變送器選型經(jīng)驗(yàn)和重點(diǎn)內(nèi)容，并根據(jù)具體的選型實(shí)例對嚴(yán)重事故鑒定包絡(luò)性進(jìn)行了重點(diǎn)探討和分析。該設(shè)計(jì)對于其他項(xiàng)目的嚴(yán)重事故用變送器及其他類似儀表選型和鑒定分別工作有一定的指導(dǎo)意義。