CN102937609B - 一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的系统，属于易燃易爆气体浓度测量技术领域。所述系统包括：氢气浓度采集单元、压力采集单元、信号处理单元；氢气浓度采集单元、压力采集单元分别与信号处理单元相连。所述系统测量过程安全可靠；系统中的氢气传感器采用钯镍合金能够避免安全壳内CO等其他气体的干扰；采样器能够持续地提供气流稳定的被测介质，保证了测量的快速和稳定。
Description
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系统，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，常见的测量方式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。
由于抽出式测量系统的上述缺点，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，这种方式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氢气探测系统。WS-85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。
该系统的缺点是：（1）测量氢气浓度上限为4%以下，在较高的氢气浓度下使用是不安全的，供电或加热过程会形成爆炸性气体的点火或爆炸源；（2）在事故工况下，安全壳内存在的CO气体会与催化电极发生反应，不能保证测量的准确性；（3）采用多孔材料的探头外罩，气体通过渗透方式扩散到探头中，气流不能保持稳定。
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系统，所述系统测量过程安全可靠；系统中的氢气传感器采用钯镍合金能够避免安全壳内CO等其他气体的干扰；采样器能够持续地提供气流稳定的被测介质，保证了测量的快速和稳定。
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系统，所述系统包括：氢气浓度采集单元、压力采集单元、信号处理单元；
氢气浓度采集单元、压力采集单元分别与信号处理单元相连；
氢气浓度采集单元：测量核电厂安全壳内的氢气浓度，并将浓度电信号输出给信号处理单元；
压力采集单元：测量核电厂安全壳内的气体压力，并将压力电信号输出给信号处理单元；
信号处理单元：接收来自氢气浓度采集单元的浓度电信号和压力采集单元的压力电信号，转化成核电厂安全壳内氢气浓度测量值C1和核电厂内气体压力值P；根据进行补偿计算，其中，为核电厂安全壳内的氢气浓度补偿后测量值；再将转化成电信号，并输出；
氢气浓度采集单元包括采样器和氢气传感器，所述采样器和氢气传感器都布置于核电厂安全壳内，氢气传感器安装在氢气测量箱中，采样器安装在氢气测量箱内或氢气测量箱外；氢气取样管路布置于氢气测量箱内，并采用核级隔热材料对氢气取样管路进行保温处理，氢气取样管路设置进口和出口，其中进口暴露于核电厂安全壳内气体环境中，氢气传感器的氢敏感元件伸入氢气取样管路中；
采样器具有进气口、排气口和真空口，其中真空口与氢气取样管路的出口相连，采样器采用文丘里喷嘴工作原理进行采样，使核电厂安全壳内的气体进入氢气取样管路中，气体在氢气取样管路中流通时通过渗透方式与氢气传感器的氢敏感元件接触，氢气传感器获取氢气浓度电信号，并输出；
所述氢气测量箱箱体结构由内到外依次为第一不锈钢层、铅屏蔽层、第二不锈钢层、隔热层和不锈钢皮；铅屏蔽层由金属铅组成，隔热层由核级保温隔热材料组成；
所述氢气传感器的氢敏感元件为钯镍合金，氢气传感器输出的电信号为4～20mA电流信号；
所述压力采集单元通过压力传感器采集压力电信号；
所述信号处理单元集成于微处理器中，微处理器和氢气浓度显示单元集成在核电厂安全壳外的分析机柜中。
有益效果
1）本发明所述系统中氢气测量箱对安全壳内环境中的辐射具有屏蔽功能和隔热功能，使得测量过程安全可靠，不会成为爆炸性气体的点火或爆炸源；
2）本发明所述系统中氢气传感器采用钯镍合金作为氢敏感元件，钯镍合金对氢气敏感的单一性原理保证了测量的准确性，避免安全壳内CO等其他气体的干扰；
3）本发明所述系统中采样器能够持续地提供气流稳定的被测介质，保证了测量的快速和稳定；
4）本发明所述系统适合于布置成多点测量系统；
5）本发明所述系统测量范围大，氢气浓度最高为20%。
附图说明
图1为本发明所述系统的流程图；
图2为本发明所述采样器的结构示意图；
图3为本发明所述氢气测量箱箱体结构示意图；
其中，1—进气口，2—排气口，3—真空口，4—第一不锈钢层，5—铅屏蔽层，6—第二不锈钢层，7—隔热层，8—不锈钢皮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。
一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的系统，包括：氢气浓度采集单元、压力采集单元、信号处理单元、氢气浓度显示单元；其中，信号处理单元包括：模拟量输入模块、CPU模块、模拟量输出模块；
氢气浓度采集单元、压力采集单元分别与模拟量输入模块相连，模拟量输入模块、CPU模块、模拟量输出模块、氢气浓度显示单元依次相连；
氢气浓度采集单元：测量核电厂安全壳内的氢气浓度，并将浓度电信号输出给模拟量输入单元；
压力采集单元：测量核电厂安全壳内的气体压力，并将压力电信号输出给模拟量输入单元；
模拟量输入模块：接收来自氢气浓度采集单元的浓度电信号和压力采集单元的压力电信号，转化成核电厂安全壳内氢气浓度测量值C1和核电厂内气体压力值P，并输出给CPU模块；
CPU模块：接收来自模拟量输入模块的C1和P，根据进行补偿计算，并将值输出给模拟量输出模块，其中，为核电厂安全壳内的氢气浓度补偿后测量值；
模拟量输出模块：接收来自CPU模块的值，将其转化成电信号，并输出给氢气浓度显示单元；
氢气浓度显示单元：接收来自模拟量输出模块的电信号，将其转化为浓度值，并显示。
工作流程如下：
第一步，氢气浓度采集单元测量核电厂安全壳内的氢气浓度，并将浓度电信号输出给模拟量输入单元；
第二步，压力采集单元测量核电厂安全壳内的气体压力，并将压力电信号输出给模拟量输入单元；
第三步，模拟量输入模块接收来自氢气浓度采集单元的浓度电信号和压力采集单元的压力电信号，转化成核电厂安全壳内氢气浓度测量值C1和核电厂内气体压力值P，并输出给CPU模块；
第四步，CPU模块接收来自模拟量输入模块的C1和P，根据进行补偿计算，并将值输出给模拟量输出模块，其中，为核电厂安全壳内的氢气浓度补偿后测量值；
第五步，模拟量输出模块接收来自CPU模块的值，将其转化成电信号，并输出给氢气浓度显示单元；
第六步，氢气浓度显示单元接收来自模拟量输出模块的电信号，将其转化为浓度值，并显示。
氢气浓度采集单元包括采样器和氢气传感器，所述采样器和氢气传感器都布置于核电厂安全壳内，氢气传感器安装在氢气测量箱中，采样器安装在氢气测量箱内或氢气测量箱外；氢气取样管路布置于氢气测量箱内，并采用核级隔热材料对氢气取样管路进行保温处理，氢气取样管路设置进口和出口，其中进口暴露于核电厂安全壳内气体环境中，氢气传感器的氢敏感元件伸入氢气取样管路中；其中，所述氢气传感器型号为H2SCAN-1700，氢气传感器中的氢敏感元件为钯镍合金，采样器为日本smc公司的AP70-S型真空发生器。
所述真空发生器具有进气口1、排气口2和真空口3，其中真空口3与氢气取样管路的出口相连，采样器采用文丘里喷嘴工作原理进行采样，即在真空发生器进气口1持续地以稳定流量输入高于安全壳内压力的压缩空气，压缩空气在真空发生器内经过渐缩端、喉部、渐扩端流通，最终通过排气口2排入安全壳内。压缩空气流通过程中，在渐扩端即真空口3处形成真空状态，由于氢气取样管路出口与真空发生器真空口3相连，使得氢气取样管路出口端压力小于进口端压力，从而使核电厂安全壳内的气体经氢气取样管路进口进入氢气取样管路中，气体在氢气取样管路中流通时通过渗透方式与氢气传感器的氢敏感元件接触，氢气分子在钯镍合金的作用下形成活性氢原子，吸附在合金晶格中，造成电阻或电容的变化，通过测量电阻和电容的变化值获取氢气浓度电信号，并输出4～20mA电流信号，氢气浓度与核电厂安全壳内的气体压力直接相关；氢气取样管路出口排出的气体通过真空发生器真空口3进入真空发生器后，从真空发生器的排气口2排回安全壳内。
所述氢气测量箱箱体结构由内到外依次为第一不锈钢层4、铅屏蔽层5、第二不锈钢层6、隔热层7和不锈钢皮8；铅屏蔽层5由金属铅组成，隔热层7由核级保温隔热材料组成；
所述压力采集单元通过压力传感器采集压力电信号，压力传感器型号为SWP-T20。
所述信号处理单元集成于微处理器中，微处理器和氢气浓度显示单元集成在核电厂安全壳外的分析机柜中。
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 (3)
1.一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的系统，其特征在于：所述系统包括：氢气浓度采集单元、压力采集单元、信号处理单元；
氢气浓度采集单元、压力采集单元分别与信号处理单元相连；
氢气浓度采集单元：测量核电厂安全壳内的氢气浓度，并将浓度电信号输出给信号处理单元；
压力采集单元：测量核电厂安全壳内的气体压力，并将压力电信号输出给信号处理单元；
信号处理单元：接收来自氢气浓度采集单元的浓度电信号和压力采集单元的压力电信号，转化成核电厂安全壳内氢气浓度测量值C1和核电厂内气体压力值P；根据进行补偿计算，其中，为核电厂安全壳内的氢气浓度补偿后测量值；再将转化成电信号，并输出；
氢气浓度采集单元包括采样器和氢气传感器，所述采样器和氢气传感器都布置于核电厂安全壳内，氢气传感器安装在氢气测量箱中，采样器安装在氢气测量箱内或氢气测量箱外；氢气取样管路布置于氢气测量箱内，并采用核级隔热材料对氢气取样管路进行保温处理，氢气取样管路设置进口和出口，其中进口暴露于核电厂安全壳内气体环境中，氢气传感器的氢敏感元件伸入氢气取样管路中；
采样器具有进气口、排气口和真空口，其中真空口与氢气取样管路的出口相连，采样器采用文丘里喷嘴工作原理进行采样，使核电厂安全壳内的气体进入氢气取样管路中，气体在氢气取样管路中流通时通过渗透方式与氢气传感器的氢敏感元件接触，氢气传感器获取氢气浓度电信号，并输出；
所述氢气测量箱箱体结构由内到外依次为第一不锈钢层、铅屏蔽层、第二不锈钢层、隔热层和不锈钢皮；铅屏蔽层由金属铅组成，隔热层由核级保温隔热材料组成；
所述氢气传感器的氢敏感元件为钯镍合金。
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系统，其特征在于：所述压力采集单元通过压力传感器采集压力电信号。
3.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系统，其特征在于：氢气传感器输出的电信号为电流信号。
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