CN201811936U - 一种用于核电站的自启动式氢气浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于核电站的自启动式氢气浓度测量装置，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。传输管路A一端与核电厂ETY系统主取样管路连通；另一端与耐腐蚀外壳内的传输管路B连通，传输管路B上设有压力开关。气体的流通依靠ETY系统风机产生的样品气进口与出口之间的压力差，使采样气体自然流通，无须采样泵驱动，避免了泵带来的泄露。装置与取样主管路压力联锁，实现自动启动与停止控制。本方案能耗低、测量准确、安全可靠、维护方便。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。

Description

一种用于核电站的自启动式氢气浓度测量装置 

技术领域

本实用新型涉及一种用于核电站的氢气浓度测量装置，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。这些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热导、电化学原理的气体分析传感器。 

在核电厂正常工况下没有氢气产生的安全壳内气体作为测量介质时，为了保证上述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，冷却除湿后的气体可暂称为“干态”气体。抽出式测量装置中安装的氢传感器分析“干态”气体中氢气体积浓度，也就是自然环境条件下组分的体积浓度。预处理过程的采用会造成“湿态”和“干态”下气体组分发生变化。“湿态”气体在冷却过程中，随着温度不断降低，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，气体的总分子个数减少，而被测组分氢气在降温过程中无变化，分子个数保持不变。 

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。由于气体组成发生了变化，很容易发现，“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。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，测量误差较小。在事故状态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“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的差别太大了。资料和试验表明，通过监测仪得到的“干态”氢气浓度与安全壳内实际氢气浓度误差可达2～3倍，见表1。 

表1试验结果 

序号	试验  压力  (Mpa)	试验  温度  (℃)	相对  湿度  (％)	水蒸气  比例  (％)	安全壳内  氢气浓度  (％)	实测氢  浓度  (％)	实测氢浓度/模  拟氢浓度
								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

可见，上表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，因而出现了测量误差，产生虚警。 

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，甚至做出错误的行为，这是非常危险的。 

实用新型内容

本实用新型提供了一种新型的氢气浓度测量装置，该装置采用气体抽出式测量方式，无须采样泵驱动，能够自动启动工作，适用于核电厂等密闭空间完成氢气测量。核电厂ETY系统(安全壳大气监测系统)主取样管路内的气体由传输管路进入测量装置，经过冷却、冷凝、过滤、分析后返回核电厂ETY系统主取样管路，气体的流通依靠ETY系统风机产生的样品气进口与出口之间的压力差。 

本实用新型涉及核电厂事故状态下使用的安全壳氢气测量技术领域，是一种无需泵增压驱动的抽出测量式的装置。 

一种用于核电站的自启动式氢气浓度测量装置，包括：压力开关、耐腐蚀外壳、换热冷却器、储液器、流量调节阀、颗粒过滤器、气体流量计、氢分析传感器、传输管路。 

其中压力开关、换热冷却器、储液器、流量调节阀、颗粒过滤器、气体流量计、氢分析传感器位于耐腐蚀外壳内，传输管路A位于耐腐蚀外壳外部，并与核电厂ETY系统主取样管路连通；传输管路A还与耐腐蚀外壳内的传输管路B的一端连通，所述传输管路B上设有压力开关，传输管路B的另一端与换热冷却器入口连通；换热冷却器的出口通过传输管路C与储液器上部连通，储液器的顶部接有传输管路D，传输管路D上依次设有流量调节阀、颗粒过滤器、 气体流量计、氢分析传感器；在储液器的底部设有冷凝水出水管路通入核电厂的放射性废液地沟。 

取样气体经过传输管路A进入耐腐蚀外壳内的传输管路B，再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D，气体在传输管路D中依次通过流量调节阀、颗粒过滤器的处理，并经过气体流量计以及氢分析传感器的测量，最后返回核电厂ETY系统主取样管路。 

所述传输管路A-D均采用不锈钢管，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； 

氢分析传感器：用于测量氢气体积浓度；作为优选，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；标定钢瓶架上安装标准气体钢瓶完成定期校准。 

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； 

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； 

上述各组成部分利用不锈钢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。通过传输管路A与核电厂ETY系统主取样管路连通； 

对比现有技术，该装置采用气体抽出式测量方式，能够自动启动工作，适用于核电厂等密闭空间完成氢气测量。气体的流通依靠ETY系统风机产生的样品气进口与出口之间的压力差，使采样气体自然流通，无须采样泵驱动，避免了泵带来的泄露。本装置所用设备采用低耗元件时，顺应事故状态安全系统能耗最小化原则，可提高装置适用性。本方案能耗低、测量准确、安全可靠、维护 方便。该方法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。 

附图说明

图1为实施例中一种用于核电站的自启动式氢气浓度测量装置的示意图。 

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： 

为了描述完整和帮助更好地理解本实用新型的特点，提供核电厂ETY系统(安全壳大气监测系统)氢气浓度测量的具体实施例，附图1是利用本技术方案设计的用于核电站的自启动式氢气浓度测量装置。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。 

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。 

LOCA事故后安全壳内的气体为带有放射性的高温混合性气体，包括空气、氢气、NaOH、硼酸、碘蒸汽。在冷却冷凝、脱水和过滤后，采样气体主要为空气、氢气。其他的NaOH、硼酸、碘蒸汽大部分随冷凝水排出或吸附在过滤器上。我们可以认为氢气浓度监测仪测量的目标气体为氢气，背景气体为空气。氢气是分子量小，热导系数高的气体、而空气是以氮气和氧气为主的混合气体，具有热导系数低且稳定的特点，采用热导式原理保证测量准确性。 

对本实施例的描述如下： 

1)低能耗 

实施例中的器件选型遵循低压力损耗原则，采样气体在本装置流通的过程中 压降小于5500Pa，保证气体的自然流通和安全返回安全壳。由于不采用额外的增压设备，装置由于没有运动部件，设计功耗为220W，充分顺应事故状态安全系统能耗最小化原则，提高装置适用性。 

2)高测量准确性 

由于本实例采用热导式测量方式，采样气体的温度对测量结果影响较大。本实施例中采用水冷却技术克服此问题。冷却水自下而上的流通，采样气体自上而下的流通，气体与水逆流并行。换热冷却器采用0.6mm的换热管，换热管采用螺旋螺纹式紧密结构极大提高不锈钢的热传导能力，使冷却效率提高。由于水路与气路为全不锈钢材质，实现流速高、温度变化小的冷却特点。同时螺纹管可有效消除湍流抖振现象，延长了换热冷却器的使用寿命。换热冷却器的使用寿命可达40年。换热冷却器的高效工作保证了采样气体的降温过程稳定可靠。 

3)高运行利用率 

实施例中的氢分析传感器采用玻璃涂层精密电阻作为传感元件，一个接触采样气体，一个接触的参比气体。参比气体封装在测量池内。在预热过程中通过加热使热敏电阻温度上升到恒定的温度，开始分析后由于不同种类气体的热导系数不同，造成电阻的温度发生变化。惠氏电桥监测电阻产生的温度差，产生正比于氢气浓度的电压信号，电压信号转化为电流信号后输出。 

所述参比气体已封装在传感器的测量池中，在分析过程中不需提供流动的参比气体，在连续使用过程中不会因为参比气体的消耗而影响分析功能，只在校准时需要标准气体。装置在校准周期内的任何时间都可以投入使用，提高了运行利用率。同时低能耗设计也提高了装置的利用率。 

4)运行稳定性 

在装置内部没有采样泵这样的运动部件，同时装置经过了权威部门认可的抗震试验、老化试验，电气元件保证10年的使用寿命，机械部件保证40年的使用寿命。因此具有很高的运行稳定性。 

5)简便安全的维护操作 

日常维护包括传感器标定、过滤器滤芯的更换。传感器的标定都是在线完成，不需要拆装管路，只需手动调节阀门状态就可完成。这样最大限度减少操作人员接触放射性物质的可能。 

6)自动启停控制 

装置与取样主管路压力联锁，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。 

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)

1.一种用于核电站的自启动式氢气浓度测量装置，包括换热冷却器、储液器、流量调节阀、颗粒过滤器、气体流量计、氢分析传感器、传输管路，其特征在于，还包括压力开关、耐腐蚀外壳；

压力开关、换热冷却器、储液器、流量调节阀、颗粒过滤器、气体流量计、氢分析传感器位于耐腐蚀外壳内，传输管路A位于耐腐蚀外壳外部，并与核电厂ETY系统主取样管路连通；传输管路A还与耐腐蚀外壳内的传输管路B的一端连通，所述传输管路B上设有压力开关，传输管路B的另一端与换热冷却器入口连通；换热冷却器的出口通过传输管路C与储液器上部连通，储液器的顶部接有传输管路D，传输管路D上依次设有流量调节阀、颗粒过滤器、气体流量计、氢分析传感器；在储液器的底部设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所述一种用于核电站的自启动式氢气浓度测量装置，其特征在于，所述传输管路A-传输管路D均采用不锈钢管，采用0.5英寸直径。

3.根据权利要求1所述一种用于核电站的自启动式氢气浓度测量装置，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所述一种用于核电站的自启动式氢气浓度测量装置，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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