CN102928550A - 一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，属于易燃易爆气体浓度测量技术领域。所述方法步骤如下：（1）使核电厂安全壳内的氢气和氧气在常温条件下发生化合反应；（2）分别测量核电厂安全壳内的环境温度T1和化合反应温度T2；（3）采用式

进行计算，得到氢气浓度

所述方法简单、安全可靠，测量范围大。

Description

一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法

技术领域

本发明涉及一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，属于易燃易爆气体浓度测量技术领域。

背景技术

核电厂事故工况下会产生大量氢气，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。大量氢气的聚集使安全壳内氢气浓度有超过爆炸限4%的可能，存在爆炸的危险。为避免氢爆燃事故发生，破坏安全壳完整性，需要构建氢气测量系统对安全壳不同位置的氢气聚集状态进行监测，在事故发生后实施有效地干预。

在事故工况下，反应堆放出大量的热量，安全壳内温度的升高伴随着压力的升高。如二代和二代加核电厂事故后温度可达150度，压力可达6bar。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压混合性气体。

由于事故工况下安全壳内气体呈现高温、高压、高放射性的特点，因此对于氢气浓度的测量增加了很大的难度。

对于安全壳氢气浓度，常见的测量方法是将少量的安全壳内气体作为样品气抽出经传输管道送到安全壳外，在安全壳外经过气体预处理后由氢气传感器测量气体中的氢气浓度，测量过程包括：气体预处理、气体浓度分析都在安全壳外完成。这种方式国内外都有应用先例。这种方式由于存在对放射性气体的管路传输，存在响应滞后、存在潜在的放射性泄露风险的缺点。同时由于测量管路的限制，一般布置为单点测量。气体在传输过程状态发生变化，测量结果的准确性受到影响。由于气体预处理和气体传输管路的存在，系统较复杂，耗能设备多、功耗大。

由于抽出式测量方法的上述缺点，特别是日本福岛核事故发生后，研制直接布置在安全壳内测量的氢气传感器受到广泛关注。直接测量系统组成简单，这种方法是传感器在安全壳内直接测量，输出一次测量电信号，快速反应氢气变化，避免滞后。系统只存在电信号的传输，没有气体抽送到安全壳外，便于在安全壳内不同位置安装多个氢气传感器组成多点连续监测系统。通过传输电缆将传感器一次测量信号输出到安全壳外，在安全壳外对测量信号进行变送、处理和显示。目前已应用于核电厂的安全壳壳内监测系统是德国Siemens公司采用热催化原理的WS-85氢气探测方法。该方法采用的氢气敏感探头由涂有催化剂的铂电极和参比电极组成，通过对探头内铂电极持续通电，保证在接触到氢气和氧气的混合物时，在铂电极表面发生高效的催化化合反应，反应热导致铂电极电阻变化，电阻变化值是氢气存在的特征信号。这一信号被送到惠斯通电桥上完成氢气浓度的分析。这种方法已广泛使用在煤气发生站和制气场，用于分析4%以下氢气浓度的场合，4%是氢气的爆炸限。

针对核电厂事故工况下测量安全壳内的氢气浓度，有一些特殊性，首先在安全壳这个密闭空间中氢气浓度较高，最高可达10%，核电厂如若发生极端事故，对安全壳内的供电就会变得十分困难，因此在这种条件下应用上述需要供电进行加热的催化反应方法可能造成测量无法正常进行，可靠性较低，这些造成了上述方法应用于安全壳内测量氢气浓度的局限；此外，通过加热的方式使氢氧催化反应发生，这对于测量爆炸限4%以上环境中的氢气浓度是不安全的，容易引发氢气被无意点燃，安全性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，所述方法简单、安全可靠，测量范围大。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，所述方法步骤如下：

（1）使核电厂安全壳内的氢气和氧气在常温条件下发生化合反应；

（2）分别测量核电厂安全壳内的环境温度T1和化合反应温度T2；

（3）采用式（I）进行计算，得到氢气浓度

$C_{H_2}=\frac{\mathrm{AT}}{K}$ $\left(I\right)$

其中，AT为化合反应的温升值，AT＝T2-T1；K为表征参数，K值为30～80；K的取值是通过对氢气和氧气化合反应进行大量的实验后得出的合理值；

有益效果

（1）本发明所述方法使氢气和氧气在常温下发生化合反应，无需对核电厂安全壳内的氢气敏感组件供电加热，安全可靠，且方法简单；

（2）本发明所述方法测量范围大，能够测量0～15%的氢气浓度；

（3）本发明提供了一种适宜安全壳内单点或多点测量的方法。该方法不受测量环境内的辐照、压力、温度的使用限制，适应于安全壳内不同安装位置；

（4）本发明所述催化式氢气传感器中催化反应器的反应空间较大，所装催化剂与核电厂安全壳内的气体接触面积较大，能够使氢气和氧气在常温下发生催化化合反应，无需外部供电，降低了能耗，且能够避免氢气浓度较高时由于供电或加热过程导致的燃烧和爆炸，确保所述传感器在使用过程中稳定和安全；

（5）本发明所述催化式氢气传感器中防护保护过滤层对气溶胶之类的污染物有防护作用，对气体扩散状态有保护作用，使气体流场变化对催化反应器不产生影响；

（6）本发明所述催化式氢气传感器中除第一热敏感元件和第二热敏感元件外，所有部件均采用不锈钢材料，第一热敏感元件和第二热敏感元件采用不锈钢外壳，传感器在使用过程中不形成易燃、或易爆性气体混合物的点火或爆炸源，安全性好。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为本发明所述传感器的剖面图；

其中，1—催化反应器、2—防爆器、3—防护外筒、4—第一热敏感元件、5—第一卡套、6—第二卡套、7—上花板、8—定位杆、9—安装杆、10—第二热敏感元件、11—防护保护过滤层、12—托板、13—下花板、14—防淋罩、15—耳式支座、16-立式焊接支撑。

具体实施方式

下面结合具体实施例来详述本发明，但不限于此。

氢气和氧气催化化合反应放出大量的热，反应放热导致温度升高，温度的升高值即温升值与反应放出热量的多少成正比关系，反应放出热量的多少又与参加反应的氢气量成正比关系，因此，反应温升值与参加反应的氢气量成正比关系；

在核电厂安全壳内，参加反应的氢气量与氢气浓度有关，氢气浓度越大，参加反应的氢气量越大，氢气浓度越小，参加反应的氢气量越小，由此可知，参加反应的氢气量与氢气浓度之间也存在正比关系，进而推出，反应温升值与氢气浓度成正比关系；

基于以上原理，本发明提供一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，所述方法步骤如下：

（1）使核电厂安全壳内的氢气和氧气在常温条件下发生化合反应；

（2）分别测量核电厂安全壳内的环境温度T1和化合反应温度T2；

（3）采用式（I）进行计算，得到氢气浓度

$C_{H_2}=\frac{\mathrm{AT}}{K}$ $\left(I\right)$

其中，AT为催化反应的温升值，AT＝T2-T1；K为表征参数，K值为30～80；K的取值是通过对氢气和氧气化合反应进行大量的实验后得出的合理值；

步骤（1）需要采用催化剂使核电厂安全壳内的氢气和氧气在常温条件下发生化合反应，所述催化剂为能够使氢气和氧气在常温下发生反应的催化剂，但是不限于一种催化剂；例如：第一种催化剂，以Al₂O₃作为载体，Co、Au、Pt为活性成分，以催化剂的总质量为100%计，Co、Au、Pt的质量百分含量分别为6.4%、0.45%、0.35%；所述催化剂还可以采用第二种催化剂，以Al₂O₃作为载体，Pt、Pd、Rh为活性成分，以催化剂的总质量为100%计，Pt、Pd、Rh的质量百分比含量分别为0.3%、0.7%、0.3%。

步骤（2）可以通过在安全壳内氢氧化合反应外部及氢氧化合反应中心分别设置传感器来测量环境温度T1和化合反应温度T2，且保证所测量的环境温度不受化合反应放热的影响，例如将两个传感器之间的距离拉大，或者在测量环境温度的位置与化合反应的位置之间采取防护措施，如设置隔热层等。

步骤（2）采用的传感器的敏感元件可以为热电偶或铂电阻。

此外，本发明所述方法也可采用催化式氢气传感器实现步骤（1）和步骤（2），所述催化式氢气传感器包括：催化反应器1、防爆器2、防护外筒3、第一热敏感元件4、第一卡套5、第二卡套6、上花板7、定位杆8、安装杆9、第二热敏感元件10、防护保护过滤层11、托板12和下花板13；

其中，催化反应器1是一端开口的圆筒结构，开口端带有外螺纹；防爆器2为一端开口的圆筒结构，开口端带有内螺纹，开口内径与催化反应器1开口端外径相配合，筒体内径大于催化反应器1的外径；防护保护过滤层11为一端开口的圆筒结构，开口端内径与防爆器2开口端外径相配合，防护保护过滤层11侧壁为由内层侧壁和外层侧壁构成的中间有空隙的双层结构，内层侧壁的内径大于防爆器2的外径；托板12为圆形板，直径大于防护保护过滤层11外层侧壁的外径；防护外筒3为两端开口的圆筒结构；上花板7的直径与防护外筒3的外径相同，下花板13的直径与防护外筒3的内径相同，上花板7和下花板13上有均匀分布的通孔，用于气体扩散，如图2所示；

所述催化式氢气传感器中各组件的连接关系如下：

上花板7位于防护外筒3上方，上花板7底面与防护外筒3筒壁顶端焊接在一起，下花板13位于防护外筒3底部内侧，并与防护外筒3筒壁内侧焊接在一起；

催化反应器1装入防爆器2内部，催化反应器1开口端与防爆器2开口端均朝上、且通过螺纹连接，催化反应器1底部与防爆器2底部留有间隙；防护保护过滤层11套装在防爆器2外部，且开口端朝上，防护保护过滤层11顶部与防暴器顶部焊接在一起，防护保护过滤层11底部位于防爆器2底部下方，并与防爆器2底部焊接在一起，防护保护过滤层11内层侧壁与防爆器2的侧壁之间留有空隙；催化反应器1、防爆器2、防护保护过滤层11构成氢气敏感组件；托板12位于氢气敏感组件下方，与防护保护过滤层11底部通过螺栓固定在一起；氢气敏感组件通过安装杆9固定于防护外筒3内，安装杆9有3个，其顶端与上花板7焊接在一起，底端与托板12通过螺栓固定在一起，3个安装杆9均匀分布于氢气敏感组件的外侧；

第一热敏感元件4穿过上花板7伸入防护外筒3内，底端与防护外筒3底部之间留有空隙，上端位于防护外筒3外部，并通过第一卡套5与上花板7固连；

定位杆8上端与上花板7焊接在一起，下端与催化反应器1开口中心相对，第二热敏感元件10穿过上花板7伸入防护外筒3内，并通过定位杆8定位，下端伸入催化反应器1内，并与催化反应器1底部之间留有空隙，上端位于防护外筒3外部，并通过第二卡套6与上花板7固连；

所述催化式氢气传感器还可包括3个耳式支座15、3个立式焊接支撑16和防淋罩14，其中，3个耳式支座15一端分别与防护外筒3焊接在一起，另一端分别与立式焊接支撑16通过螺栓连接在一起，构成3组支撑结构，均匀分布于所述防护外筒3的外侧；防淋罩14直径大于上花板7直径，并与防护外筒3焊接在一起。

第一热敏感元件4为热电偶或铂电阻类测温元件，用于测量核电厂安全壳内的环境温度；

第二敏感元件为热电偶或铂电阻类测温元件，用于测量氢氧化合反应的温度；

催化反应器1中装有能够使氢气和氧气在常温下发生反应的催化剂，例如上述第一种催化剂，以Al₂O₃作为载体，Co、Au、Pt为活性成分，以催化剂的总质量为100%计，Co、Au、Pt的质量百分含量分别为6.4%、0.45%、0.35%；防护保护过滤层11内层侧壁和外层侧壁之间装有填料，所述填料为球状Al₂O₃、球状SiO₂或球状Al₂O₃和球状SiO₂的混合物，所述防护保护过滤层对气溶胶之类的污染物有防护作用，对气体扩散状态有保护作用，使气体流场变化对催化反应器不产生影响。

所述催化式氢气传感器中除第一热敏感元件4和第二热敏感元件10外，所有部件的材料均为不锈钢，其中，催化反应器1和防爆器2采用不锈钢丝网，防护保护过滤层11采用30～100目的不锈钢丝网；第一热敏感元件4和第二热敏感元件10采用不锈钢外壳。

当采用所述催化式氢气传感器时，可以先采用试验获得各浓度段对应的K值范围，在实际使用时，根据安全壳内的氢气浓度预估值从相应的K值范围内选取一个K值即可。设安全壳内的氢气浓度预估值为

K值选取规则如下：

1）当

为时，K取60～80；

2）当

为

时，K取40～50；

3）当

为

时，K取30～40。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

（1）使核电厂安全壳内的氢气和氧气在常温条件下发生化合反应；

（2）分别测量核电厂安全壳内的环境温度T1和化合反应温度T2；（3）采用式（I）进行计算，得到氢气浓度 

其中，AT为化合反应的温升值，AT＝T2-T1；K为表征参数，K的取值是通过对氢气和氧气化合反应进行大量的实验后得出的合理值。

2.根据权利要求1所述的一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（2）采用催化式氢气传感器实现，所述催化式氢气传感器包括：催化反应器（1）、防爆器（2）、防护外筒（3）、第一热敏感元件（4）、第一卡套（5）、第二卡套（6）、上花板（7）、定位杆（8）、安装杆（9）、第二热敏感元件（10）、防护保护过滤层（11）、托板（12）和下花板（13）；

其中，催化反应器（1）是一端开口的圆筒结构，开口端带有外螺纹；防爆器（2）为一端开口的圆筒结构，开口端带有内螺纹，开口内径与催化反应器（1）开口端外径相配合，筒体内径大于催化反应器（1）的外径；防护保护过滤层（11）为一端开口的圆筒结构，开口端内径与防爆器（2）开口端外径相配合，防护保护过滤层（11）侧壁为由内层侧壁和外层侧壁构成的中间有空隙的双层结构，内层侧壁的内径大于防爆器（2）的外径；托板（12）为圆形板，直径大于防护保护过滤层（11）外层侧壁的外径；防护外筒（3）为两端开口的圆筒结构；上花板（7）的直径与防护外筒（3）的外径相同，下花板（13）的直径与防护外筒（3）的内径相同，上花板（7）和下花板（13）上有均匀分布的通孔，用于气体扩散；

所述催化式氢气传感器中各组件的连接关系如下：

上花板（7）位于防护外筒（3）上方，上花板（7）底面与防护外筒（3）筒壁顶端固连，下花板（13）位于防护外筒（3）底部内侧，并与防护外筒（3）筒壁内侧固连；

催化反应器（1）装入防爆器（2）内部，催化反应器（1）开口端与防爆器（2）开口端均朝上、且通过螺纹连接，催化反应器（1）底部与防爆器（2）底部留有间隙；防护保护过滤层（11）套装在防爆器（2）外部，且开口端朝上， 防护保护过滤层（11）顶部与防暴器顶部固连，防护保护过滤层（11）底部位于防爆器（2）底部下方，并与防爆器（2）底部固连，防护保护过滤层（11）内层侧壁与防爆器（2）的侧壁之间留有空隙；催化反应器（1）、防爆器（2）、防护保护过滤层（11）构成氢气敏感组件；托板（12）位于氢气敏感组件下方，与防护保护过滤层（11）底部固连；氢气敏感组件通过安装杆（9）固定于防护外筒（3）内，安装杆（9）有3个，其顶端与上花板（7）固连，底端与托板（12）固连，3个安装杆（9）均匀分布于氢气敏感组件的外侧；

第一热敏感元件（4）穿过上花板（7）伸入防护外筒（3）内，底端与防护外筒（3）底部之间留有空隙，上端位于防护外筒（3）外部，并通过第一卡套（5）与上花板（7）固连；

定位杆（8）上端与上花板（7）固连，下端与催化反应器（1）开口中心相对，第二热敏感元件（10）穿过上花板（7）伸入防护外筒（3）内，并通过定位杆（8）定位，下端伸入催化反应器（1）内，并与催化反应器（1）底部之间留有空隙，上端位于防护外筒（3）外部，并通过第二卡套（6）与上花板（7）固连。

3.根据权利要求2所述的一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，其特征在于：所述第一热敏感元件（4）为热电偶或铂电阻类测温元件；第二敏感元件为热电偶或铂电阻类测温元件。

4.根据权利要求2所述的一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，其特征在于：所述催化反应器（1）中装有催化剂，所述催化剂为能够使氢气和氧气在常温下发生反应的催化剂；防护保护过滤层（11）内层侧壁和外层侧壁之间装有填料，所述填料为球状Al₂O₃、球状SiO₂或球状Al₂O₃和球状SiO₂的混合物。

5.根据权利要求2所述的一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，其特征在于：所述催化式氢气传感器中除第一热敏感元件（4）和第二热敏感元件（10）外，所有部件的材料均为不锈钢，其中，催化反应器（1）和防爆器（2）采用不锈钢丝网，防护保护过滤层（11）采用30～100目的不锈钢丝网；第一热敏感元件（4）和第二热敏感元件（10）采用不锈钢外壳。

6.根据权利要求2所述的一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，其特征在于：所述催化式氢气传感器还可包括3个耳式支座（15）、3个立式焊接支 撑（16）和防淋罩（14），其中，3个耳式支座（15）一端分别与防护外筒（3）固连，另一端分别与立式焊接支撑（16）固连，构成3组支撑结构，均匀分布于所述防护外筒（3）的外侧；防淋罩（14）直径大于上花板（7）直径，并与防护外筒（3）固连。

7.根据权利要求2所述的一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，其特征在于：K值根据安全壳内的氢气浓度预估值进行选取，设安全壳内的氢气浓度预估值为 

K值选取规则如下：

1）当 

为 

时，K取60～80；

2）当 

为 时，K取40～50；

3）当 

为 

时，K取30～40。 

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