CN103033441A

CN103033441A - 安全壳内气体浓度分析方法、装置及气体分析仪

Info

Publication number: CN103033441A
Application number: CN2012105494117A
Authority: CN
Inventors: 邓建波; 封沛
Original assignee: CHONGQING CHUANYI ANALYZER Co Ltd
Current assignee: CHONGQING CHUANYI ANALYZER Co Ltd
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: CN103033441B

Abstract

本发明提供了一种安全壳内气体浓度分析方法、装置及气体分析仪。其中方法包括：当安全壳发生事故后，在分析安全壳内被测气体的浓度时，对所述被测气体进行湿度补偿。气体分析仪包括：温度测量器，压力测量器，取样装置，浓度测量器和湿度补偿器。本发明，由于采用湿度补偿，因此在安全壳发生事故后，精确获得其中气体的浓度。

Description

安全壳内气体浓度分析方法、装置及气体分析仪

技术领域

本发明涉及气体的监测，尤其涉及一种安全壳（尤其指：核电站安全壳）内气体浓度分析方法、装置及气体分析仪。

背景技术

现有技术中，在对安全壳事故后的大气进行分析时，一般采用目前应用最广的干法取样，即对样气进行过滤、降温、除湿、调压等一系列操作。但是，几乎所有的干法取样系统，都没有考虑水蒸气的去除对测量值带来的影响，这是由于：一方面，早期的分析系统应用范围比较有限，绝大部分取样环境中水蒸气含量都很小，对测量结果影响有限；另一方面，样品中的水蒸气被去除，相应的其他成分的比例会上升，测量值高于实际值，这在安全控制上一般是被接受的。

但在目前的一些新兴领域，如核电站安全壳事故后大气监测、煤化工半水煤气监测等，水蒸气的含量已经在样品气中占据了很大的比例，虽然作为安全控制，干法取样依然被接受，但是对于被监测环境的实际变化，就只能得到一个大概的变化趋势而无法准确把握。因此，对于干法取样中水蒸气去除带来的影响，也越来越受人关注。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种安全壳内气体浓度分析方法、装置及气体分析仪。可以解决现有中当安全壳发生事故后，由于干法取样导致的对事故后安全壳内气体浓度的分析不精确的问题。

本发明提供的了一种安全壳内气体浓度分析方法，当安全壳发生事故后，在分析安全壳内被测气体的浓度时，对所述被测气体进行湿度补偿。

进一步，在安全壳发生事故前，测量安全壳内气体的温度T₁和气压P₁；

当安全壳发生事故后，在分析安全壳内被测气体的浓度时，对所述被测体进行湿度补偿，包括：

当安全壳发生事故后，对安全壳内气体进行干法取样，得到样气；

测量样气中的氢气浓度

测量事故后安全壳内气体的温度T₂和气压P₂；

根据氢气湿度补偿式：

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{1} \cdot T_{2}}{P_{2} \cdot T_{1}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (H_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氢气浓度

进一步，在安全壳发生事故前，测量安全壳内气体的气压P₁；

当安全壳发生事故后，在分析安全壳内被测气体的浓度时，对所述被测气体进行湿度补偿，包括：

测量样气中的氢气浓度和氧气浓度

测量事故后安全壳内气体的气压P₂；

根据氧气湿度补偿式：

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (O_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氧气浓度

进一步，在安全壳发生事故前，测量安全壳内气体的温度T1和气压P1；

测量样气中的氢气浓度

和氧气浓度

测量事故后安全壳内大气的温度T₂和气压P₂；

根据氢气湿度补偿式：

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{1} \cdot T_{2}}{P_{2} \cdot T_{1}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (H_{2})}

和氧气湿度补偿式：

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (O_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氢气浓度

和氧气浓度

进一步，所述安全壳包括：核电站安全壳。

相应地，本发明还提供了一种气体分析仪，用于在安全壳出现事故后，分析所述安全壳内实际的氢气和/或氧气浓度，包括：

温度测量器，用于在安全壳没有发生事故时，测量安全壳内气体的温度T₁，以及在安全壳发生事故后，测量安全壳内气体的温度T₂；

压力测量器，用于在安全壳没有发生事故时，测量安全壳内气体的气压P₁，以及在安全壳发生事故后，测量安全壳内气体的气压P₂；

取样装置，用于在安全壳发生事故后，对安全壳内的气体进行干法取样，得到样气；

浓度测量器，用于测量取样装置所得到的样气中的氢气浓度

和/或，氧气浓度

湿度补偿器，用于根据氢气湿度补偿式：

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{1} \cdot T_{2}}{P_{2} \cdot T_{1}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (H_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氢气浓度

和/或，

根据氧气湿度补偿式：

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (O_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氧气浓度

进一步，所述安全壳包括：核电站安全壳。

相应地，本发明还提供了一种安全壳内气体浓度分析装置，包括：

用于获取安全壳在发生事故前，安全壳内气体的温度T₁和气压P₁的装置；

用于获取安全壳在发生事故后，安全壳内气体的温度T₂和气压P₂的装置；

用于获取安全壳在发生事故后，对安全壳内气体进行干法取样后得到的样气中氢气浓度

和/或氧气浓度

的装置；

用于根据氢气湿度补偿式：

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{1} \cdot T_{2}}{P_{2} \cdot T_{1}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (H_{2})}

和/或，根据氧气湿度补偿式：

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (O_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氢气浓度

和/或氧气浓度的装置。

本发明的有益效果：

由于在分析事故后安全壳内被测气体的浓度时，对被测气体进行了湿度补偿，即考虑了水蒸气的影响，因此得到的被测气体的浓度比现有中忽略水蒸气的方式具有更高的准确度，有助于准确把握被测环境中气体浓度的实际变化情况，进而为安全控制等提供依据，满足诸如核电站安全壳大气监测等新兴领域的要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明提供的安全壳内气体浓度分析方法的实施例的流程示意图。

图2是本发明提供的气体分析仪的实施例的结构示意图，该气体分析仪用于在安全壳出现事故后，分析所述安全壳内实际的氢气和/或氧气浓度。

具体实施方式

首先对，本发明的原理进行说明。

以核电站安全壳为例，其内大气在事故后的变化有很明显的特征，即压力变化只受温度、氢气产生、水蒸气产生三方面影响，且安全壳是一个密闭环境，体积固定。针对具有上述特征的安全壳，可以根据理想气体状态方程建立湿度补偿模型，从而对被测气体进行湿度补偿。并且我们通过实验验证，证实了这一设想的可行性。下面具体介绍湿度补偿模型的建立过程

1、首先在后续中，我们采用了如下的简称。

P₁表示正常状态下安全壳气体（即：大气）的压力，P₂表示事故后安全壳气体的压力，P(O₂)表示氧气的分压，P(N₂)表示氮气及其他气体的分压，P(H₂)表示事故后产生的氢气的分压，P(H₂O)表示事故后产生的水蒸气的分压，T₁表示正常状态下安全壳气体的温度，T₂表示故后安全壳气体的温度，V₁(H₂)表示去除冷凝水后（即干法取样后）的样气中的氢气浓度，V₁(O₂)表示去除冷凝水后（即干法取样后）的样气中的氧气浓度，此两浓度可很方便用仪器测量得到，V₂(H₂)表示事故后安全壳内气体中的实际的氢气浓度，V₂(O₂)表示事故后安全壳气体中的实际的氧气浓度，此两浓度实际中很难用仪器测量得到。

2、根据理想气体状态方程：

即：在某一稳态下，气体的压力等于其各组分的分压力之和。由此我们做如下推演：

（1）、正常状态下，安全壳气体中主要有氧气和氮气，其压力即氧气和氮气的分压之和：

P_{1} = P_{O_{2}} + P_{N_{2}}

①

（2）、当发生事故后，由于事故的发生，安全壳内温度会急剧上升，此时安全系统会向安全壳内注入大量冷却水。冷却水的大量出现，可以很好的防止壳内温度失控，但同时也会带来大量的水蒸气及一定量的氢气。此时，氧气和氮气的物质的量几乎没有变化，但受温度影响，分压发生了变化；同时，大气中产生了水蒸气和氢气；

P_{2} = P_{H_{2}} + P_{H_{2} O} + \frac{T_{2}}{T_{1}} \cdot P_{1}

②

（3）、在样气进行除湿后，水蒸气几乎被除尽，水的分压丢失，去除水蒸气后的样气中，假想为理想气体，则氢气、氧气的浓度即是其分压在干燥样品气总压力中的比例。而这个浓度值，我们可以很方便的用仪器进行测量。因此，

由

V_{1 (H_{2})} = \frac{P_{H_{2}}}{P_{H_{2}} + \frac{T_{2}}{T_{1}} \cdot P_{1}}

变化可得：

P_{H_{2}} = \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot \frac{T_{2}}{T_{1}} \cdot P_{1} \cdot V_{1 (H_{2})}

③

由

V_{1 (O_{2})} = \frac{P_{O_{2}} \cdot \frac{T_{2}}{T_{1}}}{P_{H_{2}} + \frac{T_{2}}{T_{1}} \cdot P_{1}}

变化可得：

P_{O_{2}} = \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot P_{1} \cdot V_{1 (O_{2})}

④

（4）、而在实际的安全壳大气中，氢气、氧气及水蒸气的浓度是其分压在整个安全壳大气总压力中的比例。这个浓度值是不方便用仪器进行测量的。

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{H_{2}}}{P_{2}}

⑤

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{O_{2}} \cdot \frac{T_{2}}{T_{1}}}{P_{2}}

⑥

（5）、将③、④分别带入⑤、⑥，可得：

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{1} \cdot T_{2}}{P_{2} \cdot T_{1}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (H_{2})}

⑦

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (O_{2})}

⑧

（6）、由公式⑦、⑧可知，由于安全壳正常情况下的温度、压力是非常稳定的，如果得知事故前后安全壳内的温度、压力值，并测量出事故后产生的氢气在不含水蒸气的样气中的浓度，即可计算出安全壳内实际的氢气、氧气浓度。

上述原理的理论基础在于理想气体状态方程，但理想气体状态方程的适用对象为理想气体。但是，我们通过试验，验证得知：在压力不超过1MPa、含饱和水蒸气的空气，其受温度、压力变化引起的变化趋势，与理想气体近似程度达到98%以上，是完全可以看作理想气体并适用理想气体状态方程推演的。

在上述原理的基础上，请参考图1，是本发明提供的一种安全壳内气体浓度分析方法。其包括：

步骤S11、在安全壳发生事故前，测量安全壳内气体的温度T₁和压力P₁。此步骤中，可以实时地对安全壳内气体的温度和压力进行测量，并记录。

步骤S12、当安全壳发生事故后，对安全壳内气体进行干法取样，得到样气。此处，对于干法取样的过程本领域技术人员已经非常熟悉，在此不赘述。另外，此处干法取样中最重要的步骤是对样气进行除湿，去除其中的水蒸气。

步骤S13、测量步骤S12得到的样气中的氢气浓度

和/或氧气浓度

此处，若需要得知事故后安全壳内实际的氢气浓度时，则只需要测量步骤S12得到的样气中的氢气浓度

若需要得知事故后安全壳内的氧气浓度或需要同时得知事故后安全壳内的氢气浓度和氧气浓度时，则需要测量步骤S12得到的样气中的氢气浓度

和氧气浓度

步骤S14、测量事故后安全壳内气体的温度T₂和气压P₂。此处，步骤S14和步骤S12之间并没有严格的执行顺序要求，步骤S14可以在步骤S12之前、之后或同时执行。

步骤S15、根据氢气湿度补偿式：

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{1} \cdot T_{2}}{P_{2} \cdot T_{1}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (H_{2})}

和/或，氧气湿度补偿式：

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (O_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氢气浓度和/或氧气浓度

此处，通过步骤S15的湿度补偿式，考虑了干法取样对氢气和/或氧气浓度的影响，从而使得测得的氢气和/或氧气浓度更加地准确，有助于准确把握被监测环境的实际变化，能够满足诸如核电站领域等对安全壳内各气体浓度的监测精度的要求。

请参考图2，是本发明提供的气体分析仪2的实施例的结构示意图。该气体分析仪2用于在安全壳出现事故后，分析所述安全壳内实际的氢气浓度和/或氧气浓度，其包括：

温度测量器21，用于测量安全壳内气体在发生事故前的温度T₁，以及安全壳内气体在发生事故后的温度T₂。

压力测量器22，用于测量安全壳内气体在发生事故前的压力P₁，以及安全壳内气体在发生事故后的压力P₂。

取样装置23，用于在安全壳发生事故后，对安全壳内的气体进行干法取样，得到样气。

浓度测量器24，用于测量取样装置23所得到的样气中的氢气的浓度

和/或，氧气的浓度

湿度补偿器25，用于根据氢气湿度补偿式：

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{1} \cdot T_{2}}{P_{2} \cdot T_{1}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (H_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氢气浓度值

和/或，

根据氧气湿度补偿式：

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (O_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氧气浓度值

在上述基础上，本发明还提供了一种安全壳内气体浓度分析装置，其包括：

和/或氧气浓度

的装置；

用于根据氢气湿度补偿式：

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{1} \cdot T_{2}}{P_{2} \cdot T_{1}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (H_{2})}

和/或，根据氧气湿度补偿式：

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (O_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氢气浓度

和/或氧气浓度

的装置。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种安全壳内气体浓度分析方法，其特征在于：当安全壳发生事故后，在分析安全壳内被测气体的浓度时，对所述被测气体进行湿度补偿。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

在安全壳发生事故前，测量安全壳内气体的温度T₁和气压P₁；

测量样气中的氢气浓度

测量事故后安全壳内气体的温度T₂和气压P₂；

根据氢气湿度补偿式：

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{1} \cdot T_{2}}{P_{2} \cdot T_{1}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (H_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氢气浓度

3.如权利要求1所述方法，其特征在于：

在安全壳发生事故前，测量安全壳内气体的气压P₁；

测量样气中的氢气浓度

和氧气浓度

测量事故后安全壳内气体的气压P₂；

根据氧气湿度补偿式：

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (O_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氧气浓度

4.如权利要求1所述方法，其特征在于：

测量样气中的氢气浓度

和氧气浓度

测量事故后安全壳内大气的温度T₂和气压P₂；

根据氢气湿度补偿式：

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{1} \cdot T_{2}}{P_{2} \cdot T_{1}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (H_{2})}

和氧气湿度补偿式：

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (O_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氢气浓度

和氧气浓度

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述安全壳包括：核电站安全壳。

6.一种气体分析仪，用于在安全壳出现事故后，分析所述安全壳内实际的氢气和/或氧气浓度，其特征在于，包括：

浓度测量器，用于测量取样装置所得到的样气中的氢气浓度

和/或，氧气浓度

湿度补偿器，用于根据氢气湿度补偿式：

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{1} \cdot T_{2}}{P_{2} \cdot T_{1}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (H_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氢气浓度

和/或，

根据氧气湿度补偿式：

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (O_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氧气浓度

7.如权利要求6所述的气体分析仪，其特征在于：所述安全壳包括：核电站安全壳。

8.一种安全壳内气体浓度分析装置，其特征在于：包括：

和/或氧气浓度

的装置；

用于根据氢气湿度补偿式：

V_{2 (H_{2})} = \frac{P_{1} \cdot T_{2}}{P_{2} \cdot T_{1}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (H_{2})}

和/或，根据氧气湿度补偿式：

V_{2 (O_{2})} = \frac{P_{1}}{P_{2}} \cdot \frac{1}{1 - V_{1 (H_{2})}} \cdot V_{1 (O_{2})}

确定事故后安全壳内实际的氢气浓度

和/或氧气浓度

的装置。