CN201811870U - 一种自启动式用于安全壳内氢气浓度测量的取样分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自启动式用于安全壳内氢气浓度测量的取样分析装置，涉及核电厂事故状态下使用的安全壳氢气测量技术领域，采用气体抽出式测量方式。压力开关设置于取样管路上，采集安全壳内的环境条件，通过管路设计利用带有保温处理功能的取样管路提取安全壳内的气体，用水蒸气分析传感器测量其中水蒸气所占的体积百分比，用预处理单元将气体处理至常温常压状态，再用氢分析传感器测量预处理后的气体中氢气体积浓度，然后利用微处理器根据传感器的测量结果确定安全壳内当前的氢气体积浓度并输出显示，装置取样管路压力联锁，实现自动启动与停止控制，提高装置的人因可靠性。

Description

一种自启动式用于安全壳内氢气浓度测量的取样分析装置

技术领域

本实用新型涉及一种氢气浓度的取样分析装置，属于气体浓度分析测量技术领域。

背景技术

核电厂超基准事故工况和严重事故下安全壳内的气体组成是以空气与水蒸气为主，含有氢气及其他气体的高温高湿混合性气体。氢气的来源：1)事故早期，锆-水反应高速率地产生氢气；2)事故中后期，水的辐照分解、堆芯融溶物和混凝土的反应，也会产生大量氢气。事故工况下，反应堆放出大量的热量，安全壳内的温度可高达180℃，同时产生大量的水蒸气。水蒸气和氢气的含量随着事故的进程不断变化。为了避免发生破坏安全壳完整性的氢爆燃事故，必须通过测量氢气体积浓度的方式对氢气聚集状态进行监视，以便采取适当的预防措施。

对于类似安全壳的密闭空间，目前有两种测量方式：

一种是将分析传感器直接安装在安全壳内测量氢气浓度，传感器需要耐受安全壳内高温、高压、高湿、高辐照的环境条件，而面对可能产生的各种突发事件的危险，研制高可靠性、高安全性的传感器和在使用中如何进行维护保养都是世界范围内核电领域还待研究和解决的难题，尚没有成熟产品；

另一种是将气体从安全壳内抽出，送到安全壳外的测量系统完成气体预处理和气体浓度分析，测量后的气体无泄漏地返回安全壳。对于氢气类有爆炸危险的气体，选择防爆型分析传感器提高测量的安全性。抽出式浓度测量装置通过结构设计和流程设计可以很好地满足核电站氢气测量安全性和抗震性能的要求，在安全壳外定期的维护、保养可以保证事故发生后执行连续测量功能。本技术方案正是基于此种抽出式浓度测量方式提出的方法。

目前氢气体积浓度的分析方法主要以热导原理、电化学原理、催化反应原理为主。利用这些原理的传感器对测量介质的状态存在局限，温度范围为50℃以下，相对湿度范围为85％RH以下，流量和压力也有限制。国内外目前已安装使用的核电厂抽出式氢气测量装置多采用基于热导、电化学原理的气体分析传感器。

在核电厂工况下，安全壳内气体作为测量介质，为了保证上述分析气体分析传感器的正常工作和准确测量，必须将安全壳内高温高湿并有一定压力的气体进行冷却、降压、除湿等预处理，转变为传感器能够处理的介质后，才能测量氢气体积浓度。相对于安全壳内的高温高湿的“湿态”气体条件(因为其中含有水蒸气)，冷却除湿等预处理后的气体可暂称为“干态”气体(因为冷却后其中水蒸气凝结，所以气体中不含有水蒸气)。抽出式测量装置中安装的常见氢传感器用于分析自然环境条件下氢气组分的体积浓度，也就是“干态”气体中氢气体积浓度，因此要对抽取的含有水蒸气的高温高湿“湿态”被测气体进行预处理，“湿态”气体在预处理中的冷却过程中，随着温度不断降低，被测气体中所含水蒸气不断冷凝。当冷却至10～45℃时，绝大部分的水蒸气转化为液态水被析出，被测气体的总分子个数减少，而被测气体组分中的氢气在降温过程中无变化，分子个数保持不变。因而经过预处理过程，会造成“湿态”和“干态”下测得的氢气体积浓度发生变化，产生测量误差。

进一步解释，产生该测量误差是因为，安全壳可视为固定容积的密闭空间，某组分的体积浓度由该组分的分子个数与气体总分子个数的比值决定。由于经过预处理过程，气体组成发生了变化(其中水蒸气凝结析出)，很容易推知，“干态”下氢气的体积浓度较安全壳内的高温高湿度环境下的体积浓度是高的，测量结果存在较大误差，测量的准确性无法保证。并且水蒸气的含量直接影响测量的准确性，水蒸气含量越高，测量误差越大，反之，则测量误差越小。在事故状态及高水蒸气含量条件下，失去了测量的意义和目的。

美国Teledyne公司自60年代起专注于采样和分析反应堆事故状态下的气体成分，已开发出225CM系列氢气监测仪，在线分析反应堆安全壳中的氢气，例如监测冷却剂泄露事故(LOCA)或蒸汽管道断裂事故(SLB)时的氢气组分含量。该分析仪在发生事故时和事故后帮助核电厂运行人员确定反应堆损坏程度，从而确定采用哪些处理方案和措施，例如事故时激活氢气复合器和吹扫系统。

225CM氢气监测仪采用将安全壳内气体冷却后进行“干态”浓度测量，尽管装置有很多优点，但是随着研究的不断深入，干法测量的缺点逐步暴露，那就是如前分析所述，“干态”氢气浓度与安全壳内高温高湿条件下真实的氢气浓度具有偏差。资料和试验表明，通过氢气监测仪得到的“干态”氢气浓度与安全壳内实际氢气浓度误差可达2～3倍，表1为验证上述推理的模拟试验，利用密闭试验容器模拟安全壳，并通过设置密闭试验容器内部的环境条件，来模拟安全壳内部的环境情景；所述模拟试验的环境条件包括密闭试验容器内的温度、压力、湿度；所述密闭试验容器中的气体为在预先设置的环境条件下的氢气、水蒸气、氮气的组合气体，该组合气体中的氢气和氮气的体积浓度为预先设置的已知值，用于模拟安全壳内氢气和氮气的浓度，水蒸气通过对密闭试验容器中的水进行加热获得。模拟试验中，在不同的温度、湿度、压力条件下，密闭试验容器内实际氢气浓度已知的情况下，抽取密闭试验容器内的气体，进行冷却、降压、除湿等预处理后，测量其中的氢气体积浓度，可见实测氢气浓度与模拟安全壳内氢气浓度的比值可达2～3，也就是说，测量结果与氢气体积浓度的真实值相比存在较大误差。

表1模拟试验结果

序号	试验压力(Mpa)	试验温度(℃)	相对湿度(％)	水蒸气比例(％)	模拟安全壳内氢气浓度A(％)	实测氢气浓度B(％)	B/A
								试验1	0.22	120	100	63	2.18	5.95	2.72
试验2	0.38	140	100	72	1.20	4.07	3.39

若是根据测量结果采取进一步安全措施的话，易造成误导。例如表1的试验中实测“干态”氢气浓度已经超过氢气的爆炸极限(4％)，而安全壳内的氢气浓度并没有达到爆炸极限，这种测量误差直接导致了虚警。

在一定压力下，随着安全壳内组合气体的环境温度升高，气体中的水蒸汽的比例逐渐增加，越接近饱和水蒸气状态，实测氢气浓度与模拟氢浓度的比值逐渐增大，模拟试验结果见附图1，其中t为模拟试验的温度，b为实测氢气浓度与模拟安全壳内氢气浓度的比值。

核电厂在事故状态下才会对安全壳内氢气含量进行连续监测，如果不能提供准确可靠的氢气浓度信号，将增加核电厂运行人员做出正确判断和操控的难度和时间，甚至做出错误的决策，这是非常危险的。

实用新型内容

为了解决上述问题，本技术方案提出一种自启动式用于安全壳内氢气浓度测量的取样分析装置，采集安全壳内的环境条件，通过管路设计利用带有保温处理功能的取样管路提取安全壳内的气体，用水蒸气分析传感器测量其中水蒸气所占的体积百分比，用预处理单元将气体处理至常温常压状态，再用氢分析传感器测量预处理后的气体中氢气体积浓度，然后利用微处理器根据传感器的测量结果确定安全壳内当前的氢气体积浓度并输出显示，本方法适应常见气体分析传感器的使用要求并通过对被测气体进行预处理，结合微处理器中的预置算法程序消除水蒸气对安全壳内气体抽出式测量方式的影响。特别适用于核电厂事故工况下对安全壳内氢气或其他爆炸性气体组分的体积浓度的准确测量。

一种自启动式用于安全壳内氢气浓度测量的取样分析装置，包括：取样管路、传输管路、压力开关、水蒸气分析传感器、气体预处理单元、氢分析传感器、增压泵、微处理器、显示单元；

压力开关设置于取样管路上，取样管路的一端与安全壳密封连通，另一端与水蒸气分析传感器连通，水蒸气分析传感器、气体预处理单元、氢分析传感器、增压泵通过传输管路依次顺序连接，增压泵通过传输管路与安全壳密封连通，形成气体通道；水蒸气分析传感器和氢分析传感器分别通过具有屏蔽功能的传输电缆与微处理器相连；

取样气体从安全壳中抽出后依次经过压力开关、水蒸气分析传感器、气体预处理单元、氢分析传感器、增压泵的处理，最后输送回安全壳中；所述水蒸气分析传感器和氢分析传感器的测量结果经过具有屏蔽功能的传输电缆输出给微处理器，由微处理器根据安全壳内的环境条件参数进行氢气体积浓度计算，并将计算结果输出至显示单元；

取样管路：用于从安全壳中抽取气体并输送至水蒸气分析传感器；作为优选，所述取样管路对其内部输送的气体具有保温处理功能，当所述取样管路不具有保温处理功能时，水蒸气分析传感器应设置在紧靠安全壳的位置；

传输管路：用于输送气体；

所述取样管路和传输管路采用不锈钢管道，作为优选，采用0.5英寸直径；

压力开关：用于根据检测到的传输管路内的压力值启动相关设备；当压力开关检测到取样管路中的气体压力大于预置的启动门限值时，立即启动氢分析传感器开始工作，进行氢气体积浓度的测量，输出给外部处理设备；当压力开关检测到取样管路中的气体压力小于预置的启动门限值时，则使氢分析传感器停止工作；

水蒸气分析传感器：用于测量从安全壳中抽取的气体样品中水蒸气所占的百分比；

气体预处理单元：用于将气体处理至常温常压状态；

氢分析传感器：用于测量氢气体积浓度；作为优选，所述氢分析传感器具有隔爆防爆功能的外壳；氢分析传感器需要定期进行校准；

增压泵：用于增加气体压力；

微处理器：用于根据水蒸气分析传感器和氢分析传感器采集的数据，以及安全壳的环境条件参数计算氢气体积浓度；

显示单元：用于显示微处理器输出的结果；

所述气体预处理单元包括换热冷却器、储液器、减压稳压阀、流量调节阀、颗粒过滤器、气体流量计；

换热冷却器的入口一端通过传输管路与水蒸气分析传感器相连，换热冷却器的出口一端通过传输管路与储液器上部连通，储液器的顶部还连接有传输管路，储液器顶部连接的传输管路上依次设有减压稳压阀、流量调节阀、颗粒过滤器、气体流量计；在储液器的底部有冷凝水出水管路通入核电厂的放射性废液地沟。

所述气体预处理单元中，

换热冷却器：用于将气体冷却至常温状态；

储液器：用于收集换热冷却器中由于气体中水蒸气冷却形成的冷凝水；

减压稳压阀：用于将气体压力减至常压状态，并做稳压处理；

流量调节阀：用于控制气体的流量大小；

颗粒过滤器：用于过滤气体中的颗粒物；

气体流量计：测量并显示传输管路中的气体流量，用于配合流量调节阀控制气体流量；

所述气体预处理单元中，气体通过传输管路进入换热冷却器进行降温处理，然后排入储液器，由于气体中水蒸气冷却而形成的冷凝水流入储液器然后排入放射性废液地沟，同时，气体从储液器上部排入传输管路，气体在传输管路中依次通过减压稳压阀、流量调节阀、颗粒过滤器的处理，并经过气体流量计测量，最后输出至氢分析传感器中；

作为优选，所述系统的各组成部分利用卡套与传输管路连接，便于系统检修；

作为优选，所述系统放置于安全壳外的辅助厂房的隔爆区间；

当环境条件低于预置的高温高湿条件时，微处理器直接显示氢分析传感器的测量结果。

对比现有技术，本装置采用气体抽出式测量方式，能够自动启动工作，由于安装在核电厂安全壳外的辅助厂房的隔爆区间，避免了安全壳内的高温高湿环境对分析传感器可能产生的破坏，此外解决了目前国内外采用气体抽出方式测量安全壳内高温高湿气体中组分体积浓度的过程中由于水蒸气冷凝造成的严重测量误差这一关键问题。利用本系统将少量气体持续抽送到本实用新型所述取样系统进行分析降低了系统可能受到的辐照影响，上述优点都满足核电安全性运行的要求。安全壳内气体取样后经预处理后在温度、压力、清洁度等方面满足常见氢分析传感器的样品气要求，提高了氢分析传感器的工作稳定性、可靠性和测量的准确性，满足事故工况下对氢气浓度长期监测的要求。此外系统中的微处理器用于对测量数值进行数据处理、补偿和修正，提高了系统测量的准确性，消除了系统误差，提高了信息化自动化程度。适用于核电厂超基准事故和严重事故工况下对安全壳环境中氢气或其他组分气体体积浓度的测量，也适用于其它高温高湿度的密闭环境下测量某种组分的体积浓度。

附图说明

图1为实施例氢气浓度测量的取样分析装置示意图；

图2为实施例中微处理器的工作流程图；

图3为实施例中气体预处理单元的构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本实用新型：

以本技术方案应用于核电厂ETY系统(安全壳大气监测系统)氢气浓度测量作为的具体实施例。流量调节阀采用针型阀。装置采用干法测量，将高温高湿气体冷却到露点以上。冷凝除水后产生的冷凝水汇集在储液器中，冷凝水带有放射性，储液器上安装液位开关，储液器后连接电磁阀，开关信号联锁电磁阀，对储夜器中的水位自动控制，装置对高温气体冷却冷凝后产生的含放射性的冷凝水进行自动排放。

本实施例中一种自启动式用于安全壳内氢气浓度测量的取样分析装置，包括：压力开关、取样管路、传输管路、水蒸气分析传感器、气体预处理单元、氢分析传感器、增压泵、微处理器、显示单元；见附图1；

压力开关：用于根据检测到的传输管路内的压力值启动相关设备；当压力开关检测到取样管路中的气体压力大于预置的启动门限值时，立即启动氢分析传感器开始工作，进行氢气体积浓度的测量，输出给外部处理设备；当压力开关检测到取样管路中的气体压力小于预置的启动门限值时，则使氢分析传感器停止工作；

水蒸气分析传感器通过取样管路与安全壳密封连通；水蒸气分析传感器、气体预处理单元、氢分析传感器、增压泵通过传输管路依次顺序连接，增压泵通过传输管路与安全壳密封连通，形成气体通道；水蒸气分析传感器和氢分析传感器分别通过具有屏蔽功能的传输电缆与微处理器相连；

取样气体从安全壳中抽出后依次经过水蒸气分析传感器、气体预处理单元、氢分析传感器、增压泵的处理，最后输送回安全壳中；所述水蒸气分析传感器和氢分析传感器的测量结果经过具有屏蔽功能的传输电缆输出给微处理器，由微处理器根据安全壳内的环境条件参数进行氢气体积浓度计算，并将计算结果输出至显示单元；

取样管路：用于从安全壳中抽取气体并输送至水蒸气分析传感器；作为优选，所述取样管路对其内部输送的气体具有保温处理功能，当所述取样管路不具有保温处理功能时，水蒸气分析传感器应设置在紧靠安全壳的位置；

传输管路：用于输送气体；

所述取样管路和传输管路采用不锈钢管道，作为优选，采用0.5英寸直径；

水蒸气分析传感器：用于测量从安全壳中抽取的气体样品中水蒸气所占的百分比；

气体预处理单元：用于将气体处理至常温常压状态；

氢分析传感器：用于测量氢气体积浓度；作为优选，所述氢分析传感器具有隔爆防爆功能的外壳；氢分析传感器需要定期进行校准；本实施例中，利用标定钢瓶架进行校准，包括零点气钢瓶和满量程气钢瓶，标定钢瓶架的功能为周期性地对待测气体分析传感器进行校准，校准功能在系统在线连续测量过程中不启用。

增压泵：用于增加气体压力；

微处理器：用于根据水蒸气分析传感器和氢分析传感器采集的数据，以及安全壳的环境条件参数计算氢气体积浓度；

显示单元：用于显示微处理器输出的结果；

本实施例中水蒸气分析传感器和氢气分析传感器分别输出4～20mA电流信号通过屏蔽电缆传送到微处理器，安全壳内的环境条件为温湿度表和压力表读数，输出给微处理器(环境条件也可人工报送微处理器的操作员，用于计算氢气浓度时查找当前环境条件对应的修正参数)，微处理器根据水蒸气体积百分比浓度和氢气体积浓度测量信号，通过程序计算出修正后的实际浓度信号，然后将修正后浓度信号传输到显示仪表，完成氢气浓度的工程值的现场显示，见附图2；

所述气体预处理单元包括换热冷却器、储液器、减压稳压阀、流量调节阀、颗粒过滤器、气体流量计；见附图3；

换热冷却器的入口一端通过传输管路与水蒸气分析传感器相连，在换热冷却器接有核电厂房冷却水进口和核电厂房冷却水出口，在储液器的底部有冷凝水出水管路通入核电厂的放射性废液地沟。换热冷却器的出口一端通过传输管路与储液器上部连通，储液器的顶部还连接有传输管路，储液器顶部连接的传输管路上依次设有减压稳压阀、流量调节阀、颗粒过滤器、气体流量计；

所述气体预处理单元中，

换热冷却器：用于将气体冷却至常温状态；

储液器：用于收集换热冷却器中由于气体中水蒸气冷却形成的冷凝水；

减压稳压阀：用于将气体压力减至常压状态，并做稳压处理；减压稳压阀的选择取决于氢分析传感器能承受的压力范围，当然较低的管道压力对于具有放射性的气体的流通是安全的。

流量调节阀：用于控制气体的流量大小；本实施例中采用针型阀；

颗粒过滤器：用于过滤气体中的颗粒物；

气体流量计：测量并显示传输管路中的气体流量，用于配合流量调节阀控制气体流量；

所述气体预处理单元中，气体通过传输管路进入换热冷却器进行降温处理，然后排入储液器，由于气体中水蒸气冷却而形成的冷凝水流入储液器然后排入放射性废液地沟，同时，气体从储液器上部排入传输管路，气体在传输管路中依次通过减压稳压阀、流量调节阀、颗粒过滤器的处理，并经过气体流量计测量，最后输出至氢分析传感器中；

本实施例中采用螺旋螺纹式的水冷式换热冷却器，气体在换热管束中停留时间更长，换热效率更高。充分的降温保证测量的准确性和氢分析传感器的使用寿命。冷却水的进、出接口分别与核电厂房内的冷却水管路连接。核电厂房的冷却水流量≥3m³/h，冷却水依靠自身压力由下至上的流过换热冷却器，气体与冷却水并行逆流的过程中完成热量传递，气体温度大幅降低，冷却水通过冷却水出口排回核电厂房的冷却水管路。从冷却器底部排出的气体夹杂着液滴进入储液器中，储液器完成气液分离和水蒸气冷凝液的收集。产生的冷凝水汇集在储液器底部，冷凝水带有放射性，储液器上安装液位开关，储液器后连接电磁阀，开关信号联锁电磁阀，进行冷凝水自动排放，对储夜器水位自动控制。

为满足分析传感器的清洁度要求，气体经颗粒过滤器滤除颗粒物后成为清洁气体，进入氢分析传感器中测量氢气浓度。氢分析传感器可根据核电厂具体测量指标和要求进行选型。本实施例中选用最新的第三代合金敏感原理传感器，具有氢气专一性特点，抗其它气体干扰。量程可选择为0～30％，氢气传感器测量精度可到±2％。

所述系统的各组成部分利用卡套与传输管路连接，便于系统检修；

所述系统放置于安全壳外的辅助厂房的隔爆区间；

装置取样管路压力联锁，实现自动启动与停止控制，对于在事故状态下需要穿着防护服进行操作的现场人员有着非常积极的作用，大大提高装置的人因可靠性。

采用热导式分析测量混合气体中的氢气浓度，热导式测量是基于不同气体具有不同的热导率以及混合气体的热导率随其组分含量而变化这一物理特性进行工作的。使用热导式分析有两个必要条件：

(1)其余各组分的导热系数必须相同或十分接近；

(2)待测组分的导热系数，对比其余组分的导热系数，要有显著差别，差别愈大，则测量愈灵敏。

本实施例中，当环境条件低于预置的高温高湿条件时，微处理器直接显示氢分析传感器的测量结果。当环境条件高于预置的高温高湿条件时，微处理器执行预置的氢气浓度分析程序。

本系统在运行过程中，抽出的少量气体由于在预处理单元中进行冷却，使得其中的水蒸气冷凝后成为液滴排出，会缓慢及少量地减少安全壳内的水蒸气含量。但相比安全壳几万立方米的容积，这样的变化可以被忽略，同时这样的变化不存在不利的影响。因此本实用新型的应用对核电厂而言是安全有效的。适用于核电厂超基准事故和严重事故工况下对安全壳环境中氢气或其他组分气体体积浓度的测量，也适用于其它高温高湿度的密闭环境下测量某种组分的体积浓度。

以上所述的具体描述，对实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自启动式用于安全壳内氢气浓度测量的取样分析装置，包括：取样管路、传输管路、压力开关、水蒸气分析传感器、气体预处理单元、氢分析传感器、增压泵、微处理器、显示单元；其中，

压力开关设置于取样管路上，取样管路的一端与安全壳密封连通，另一端与水蒸气分析传感器连通，水蒸气分析传感器、气体预处理单元、氢分析传感器、增压泵通过传输管路依次顺序连接，增压泵通过传输管路与安全壳密封连通，形成气体通道；水蒸气分析传感器和氢分析传感器分别通过具有屏蔽功能的传输电缆与微处理器相连；

所述气体预处理单元包括换热冷却器、储液器、减压稳压阀、流量调节阀、颗粒过滤器、气体流量计；

换热冷却器的入口一端通过传输管路与水蒸气分析传感器相连，换热冷却器的出口一端通过传输管路与储液器上部连通，储液器的顶部还连接有传输管路，储液器顶部连接的传输管路上依次设有减压稳压阀、流量调节阀、颗粒过滤器、气体流量计；在储液器的底部有冷凝水出水管路通入核电厂的放射性废液地沟。

2.根据权利要求1所述一种自启动式用于安全壳内氢气浓度测量的取样分析装置，其特征在于，取样管路和传输管路采用不锈钢管道，采用0.5英寸直径。

3.根据权利要求1所述一种自启动式用于安全壳内氢气浓度测量的取样分析装置，其特征在于，氢分析传感器具有隔爆防爆功能的外壳。

4.根据权利要求1所述一种自启动式用于安全壳内氢气浓度测量的取样分析装置，其特征在于，上述各组成部分利用不锈钢卡套与传输管路连接。 

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