CN103197341A - 适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统，包括混合汽降压部分、混合汽降温部分、气样采集部分和废气回收部分。混合气体降压部分包括依次相连的取样段、加热段、连接段；混合气体降温冷凝部分包括相连通的冷凝器和凝液罐；气体采集部分包括依次相连的汽水分离装置、采样钢瓶、流量计；废气回收部分包括水洗塔、风机。本发明安全可靠，能够较好地满足系统性能测试要求。

Description

适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统

技术领域

本发明涉及的是一种气体采样系统，具体地说是高压环境下的气体采样系统。

背景技术

核电厂安全壳是防止放射性物质释放到环境的最后一道屏障，在发生堆芯熔穿压力容器的严重事故时，熔融的堆芯与混凝土底板发生反应，生成大量放射性气溶胶，碘和有机碘，有机碘以甲基碘为主要代表。随着事故的进行，安全壳内压力逐渐升高，当超过其安全限值时将会威胁安全壳的完整性。安全壳过滤排放系统采用主动泄压的方式降低安全壳内压力，泄压同时对排放气体中的放射性物质进行过滤，其中比较重要的一种物质就是气态甲基碘。

为了验证系统对甲基碘气体的过滤性能，需要在实验条件下充分模拟事故工况，事故条件下系统运行压力为0.45MPa，系统流动工质为放射性物质、蒸汽以及空气的混合汽，因此，系统测试的工况条件和运行工质应该尽量与事故条件相同。为了对甲基碘过滤效率给出合理评价，要求对系统过滤前后的甲基碘气体浓度进行测量，实验中使用的测量工具为气相色谱仪，定量计算方法选用外标法。根据外标法的测量原理可知，未知浓度气体的定量测量依赖于已知浓度标准气体样品的测量结果，即先利用已知浓度的标准气体样品制作校准曲线，然后用该曲线对未知浓度气体样品进行定量计算。所述的校准曲线为测量气体的物质量与测得色谱峰面积的对应关系，在对未知浓度气体样品进行测量时，需要根据测量所得的色谱峰面积，通过校准曲线反向推算出测量气体的物质量，进而获知气体浓度。因此，未知浓度气体的进样量应该与标准气体测量时的进样量完全一致，从而保证定量计算的准确性。实验测量操作过程中，气体的进样量很难量化，但是可以通过保证气体的体积、温度和压力等参数相同来获得绝对量上的一致性。在实际运行过程中，实验回路处于高温高压蒸汽环境，而标准气体的浓度测量是在常温常压条件下完成的，直接从回路取样测量，必然会造成与标准样品气体进样量上的差异，从而影响定量计算结果；另外，过滤前后采样位置的混合汽温度、压力以及蒸汽含量均不相同，如果不做适当处理而直接取样测量，会存在进出口采样气体的蒸汽凝结不确定性、温度压力等参数不一致性等问题，这就使得过滤前后气体样品的进样量一致性很难保证，无法满足效率测试的精度要求，且高温高压蒸汽样品的采集过程存在一定的危险性。因此，需要设计一套特定的甲基碘气体样品采集系统，所述的系统应该能够保证在安全可靠的前提下，使过滤前后采集的样品气体处于相同的物理状态，并尽可能接近标准气体样品的测量条件，满足外标法的测量使用要求。在申请号为200580035239.1的专利中公开了一种从核装置反应堆安全容器内的气氛中取样的方法和采样系统，其能够实现在压力条件下对含有蒸汽的混合气体样品进行采集，尤其适用于单点测量要求下的气体样品采集，但对于本实验的使用要求，需要保证过滤前后位置采集的样品气体处于相同的物理状态，在实际工况中，过滤前后管道中混合汽的蒸汽含量并不相同，而上述专利中提及的方法和系统不能够对气体的状态参数进行调整和处理，无法满足本实验要求，另外上述系统结构相对复杂，需要用到传感器、电子单元和过程控制装置，经济性较差。在申请号为200910089514.8的专利中公开了一种多功能气体采样系统和采样方法，其能够实现在含有一定湿度的环境下，完成对气体样品的干燥和采集，但其无法在高压蒸汽条件下使用，不能够满足本实验的测量使用要求。期望获得一套安全可靠，能够满足系统性能测试要求的气态甲基碘取样系统。

发明内容

本发明的目的在于提供满足安全壳过滤排放系统性能验证实验需求的适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统，其特征是：包括混合气体降压部分、混合气体降温冷凝部分、气体采集部分、废气回收部分；混合气体降压部分包括依次相连的取样段、加热段、连接段；混合气体降温冷凝部分包括相连通的冷凝器和凝液罐，连接段连通冷凝器；气体采集部分包括依次相连的汽水分离装置、采样钢瓶、流量计，汽水分离装置、采样钢瓶安装在负压操作箱里，汽水分离装置通过重力下泄管线连通凝液罐；废气回收部分包括水洗塔、风机，水洗塔里设置气体分配管，风机通过负压管线分别连通负压操作箱和气体分配管，流量计通过第一废气排气管线连通气体分配管，凝液罐和气体分配管通过第二废气排气管线相连通，汽水分离装置还通过管路连通第二废气排气管线。

本发明还可以包括：

1、气体分配管上布置支管，支管上均匀设置气孔。

2、所述的取样段的端部为倒L形的取样入口，加热段上设置第一截止阀，连接段上设置压力调节阀，加热段和连接段上均缠绕加热带。

3、所述的凝液罐上设置测温装置和压力表，下端上设置疏水阀。

4、所述的负压操作箱材料为可视的有机玻璃，负压操作箱侧面设有两个操作通道，操作通道口处用橡胶手套密封，操作通道下部还均匀设置有吸气口；汽水分离装置与采样钢瓶之间依次设置前可拆卸密封接头、前截止阀，采样钢瓶与流量计之间依次设置后截止阀、后可拆卸密封接头。

本发明的优势在于：本发明安全可靠，能够较好地满足系统性能测试要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的负压操作箱局部示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～2，混合气体降压部分，倒L形的取样入口1.1与气体流动方向成180度，在蒸汽管道出口处以焊接方式密封，加热带管段为直径为8mm的不锈钢管，外层缠绕电加热带1.4，加热功率可以根据气体状态参数，通过温控装置进行调节，保证气体处于微过热状态。在靠近主蒸汽管道的一侧装有耐高温高压截止阀1.2，用于控制取样管路的通断。截止阀1.2后通过不锈钢管道连接耐高温压力调节阀1.3，其能够根据实际的工况要求，将压力整定至所需值，连接管道上同样缠有电加热带1.4。

混合气体降温冷凝部分由冷凝器1.5和凝液罐1.15两部分组成，考虑过滤前后位置蒸汽含量不确定性问题，期望在取样前先将蒸汽凝结。根据去除效率的理论计算公式

式中

为出口处甲基碘质量；

为入口位置甲基碘质量。由于流过回路上下游的空气质量守恒，上面的效率计算公式可以转化为关于空气和甲基碘质量流量的表达式， $\mathrm{\η}=1-\frac{{\left(M_{{\mathrm{CH}}_{3}I}\right)}_{\mathrm{out}}}{{\left(M_{{\mathrm{CH}}_{3}I}\right)}_{\mathrm{in}}}=1-\frac{{(M_{{\mathrm{CH}}_{3}I}/M_{\mathrm{Air}})}_{\mathrm{out}}}{{(M_{{\mathrm{CH}}_{3}I}/M_{\mathrm{Air}})}_{\mathrm{in}}},$ 式中为出口甲基碘质量流量；

为入口甲基碘质量流量；(M_Air)_out为出口空气质量流量；(M_Air)_in为入口空气质量流量。由理想气体状态方程知，在相同压力和温度下取相同体积样品中所含的空气质量相等，管道上下游气体均匀混合，气流中甲基碘与空气质量之比与状态参数无关为常数，则效率计算可以转化为相同参数下单位体积气体浓度的之比。由于制作定量校准曲线所用标准气体底气为氮气，气体浓度为质量浓度，结合气体状态方程，上面的效率计算公式可以进一步化简为： $\mathrm{\η}=1-\frac{M_{\mathrm{air}}\×C_{\mathrm{out}}\×({\mathrm{\ρ}}_{N_2}\×V_{N_2})/({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\×V_{\mathrm{air}})}{M_{\mathrm{air}}\×C_{\mathrm{in}}\×({\mathrm{\ρ}}_{N_2}\×V_{N_2})/({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\×V_{\mathrm{air}})}=1-\frac{C_{\mathrm{out}}}{C_{\mathrm{in}}},$ 式中C为气体质量浓度，即甲基碘气体与载气的质量比；V为进样体积。由此可知，如果能将混合汽中的蒸汽在采样之前凝结下来，则可以消除由于凝结不确定性造成的测量误差，因此，在采样系统中设置了冷凝器，保证样品混合汽中的蒸汽在进入采样钢瓶之前被充分凝结。冷凝器1.5是一个圆筒形的1-1型管壳式换热器，上封头开口1.6与取样管道采用螺纹连接，下封头开口1.7与其下部的凝液罐1.15相连。上封头是一个半圆形的腔室，有利于气体在其中的均匀混合和流量分配，下封头为一个相同规格的腔室，能够保证凝液依靠重力作用，顺利排至凝液罐1.15。冷凝器1.5侧面分别设有冷却水进出口1.8和1.9，冷却水由下部进水口1.8进入，在冷凝器内部与传热管表面充分接触，完成对混合气体的冷却后，由冷却水出口1.9排出，采用逆流的布置方式有利于混合汽中蒸汽的充分凝结。凝液罐1.15是一个近似圆柱形的不锈钢承压容器，顶部通过大口径不锈钢管，与冷凝器下封头开口1.7进行螺纹连接。其上部还装设了精密压力表1.12，用于实时监测罐内压力，方便实验人员的控制和调节。罐内气空间和水空间分别设有测温装置1.13，可同时有效测量上部气空间和下部凝液温度。凝液罐侧壁装有液位计1.14，可实时监测凝液罐1.15内的水位，当罐内水位达到一定位置时，打开位于凝液罐1.15下部中央位置的疏水阀1.17进行排水，防止由于液位过高造成的气体湿度过大。来自冷凝器出口的不凝性气体样品从凝液罐气空间侧壁引出，经管道进入采样系统。支撑架1.16焊接在罐体底部，对凝液罐1.15起稳固支撑作用。

气体采集部分主要包括负压操作箱1.23、汽水分离装置1.19、可拆卸密封接头1.21、耐压采样钢瓶1.24以及可调式浮子流量计1.26等，除了浮子流量计外，该部分的其余部件均放置在负压操作箱1.23内部。负压操作箱1.23采用有机玻璃制成，能够承受一定的压力，可视化的设计提升了实验人员在取样过程中的可操作性，操作箱侧面设有两个操作通道2.1，通道口处用丁基橡胶手套进行密封，允许操作人员以非接触方式对采样钢瓶1.24进行操作。在操作通道下部还有若干吸气口2.2均匀分布在负压操作箱1.23水平方向上，为箱内稳定负压提供必要的空气流量。从凝液罐1.15中出来的气体首先进入汽水分离装置1.19，除去样品气体中携带的少量水分，所述的汽水分离装置1.19为波纹板结构，气体中的水分在流经波纹形通道时更容易损失动量，从而实现了气液分离，分离出来的水依靠重力作用，经重力下泄管线1.20回流至凝液罐1.15。干燥的样品气体经由可拆卸密封接头1.21进入采样钢瓶1.24中，采样钢瓶1.24本体带有前后截止阀，用于控制钢瓶前后气体的通断。取样初期的气体主要用于管路及钢瓶内的气体置换，待置换完全后方可采集，取样过程排出的气体经由流量计1.26后进入水洗塔被吸收。

废气回收部分主要由风机1.32、负压管线1.33、水洗塔1.30和气体分配管1.28等部分组成。风机1.32在取样过程中连续运行，经过负压管线1.33对负压操作箱形成持续的抽吸作用，并将气体排至水洗塔1.30，水洗塔1.30内装有一定浓度的碱性硫代硫酸钠溶液，主要吸收来自负压管线和废气排放管线1.34两部分的废气。废气在与水洗塔1.30内的溶液接触之前，先通过气体分配管1.28，气体分配管1.28浸没在水洗塔内液位以下，其结构为横向的主气管上焊接有许多支管，支管上均匀开有一定数量的气孔，限制了排放气流的气泡直径，增大气液接触面积，改善溶液对气体的去除效果。

系统的具体实施步骤为：将取样钢瓶1.24放置于负压操作箱1.23内，通过可拆卸密封接头1.21与取样管道进行连接，打开前后截止阀1.22和1.25，并将三通阀1.18旋至取样回路，保证钢瓶前后处于通气状态。接通电加热带电源和风机电源，加热功率根据管路内的气体参数进行设置，打开冷凝器1.5冷却水进出口开关，使冷凝器1.5处于工作状态。关闭耐高温减压阀1.3，并缓慢打开采样管道上的截止阀1.2，根据实际使用要求，调节减压阀1.3后压力，并同时监测凝液罐1.15内的压力和温度，保证过滤前后取样回路中两凝液罐内的压力和温度相同，改变冷凝器1.5内的冷却水流量，确保样品混合汽中蒸汽的充分凝结。调节浮子式流量计1.26，设定取样流量，待流量稳定后等待气体连续流通5分钟，保证管路和钢瓶内的气体被置换完全。取样时，首先关闭采样钢瓶上的后截止阀1.25，样品气体不再从钢瓶1.24内流出，待钢瓶内压力达到所需数值时，迅速关闭前截止阀1.22，并依次关闭截止阀1.2和耐高温减压阀1.3。在将钢瓶拆卸之前要对凝液罐1.15进行泄压，缓慢将三通阀1.18旋至泄压管线，当罐内压力降至常压时方可拆卸钢瓶前后密封接头1.21，并从负压操作箱1.23中取出钢瓶送至测量系统。取样结束后关闭电加热带电源和风机电源，将冷凝器冷却水流量调至零点。取样过程中，实验回路上下游的两个取样点采用相同的操作步骤，并保证同时操作，使取得样品的物理参数保持一致。

Claims (9)

1.适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统，其特征是：包括混合气体降压部分、混合气体降温冷凝部分、气体采集部分、废气回收部分；混合气体降压部分包括依次相连的取样段、加热段、连接段；混合气体降温冷凝部分包括相连通的冷凝器和凝液罐，连接段连通冷凝器；气体采集部分包括依次相连的汽水分离装置、采样钢瓶、流量计，汽水分离装置、采样钢瓶安装在负压操作箱里，汽水分离装置通过重力下泄管线连通凝液罐；废气回收部分包括水洗塔、风机，水洗塔里设置气体分配管，风机通过负压管线分别连通负压操作箱和气体分配管，流量计通过第一废气排气管线连通气体分配管，凝液罐和气体分配管通过第二废气排气管线相连通，汽水分离装置还通过管路连通第二废气排气管线。

2.根据权利要求1所述的适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统，其特征是：气体分配管上布置支管，支管上均匀设置气孔。

3.根据权利要求1或2所述的适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统，其特征是：所述的取样段的端部为倒L形的取样入口，加热段上设置第一截止阀，连接段上设置压力调节阀，加热段和连接段上均缠绕加热带。

4.根据权利要求1或2所述的适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统，其特征是：所述的凝液罐上设置测温装置和压力表，下端上设置疏水阀。

5.根据权利要求3所述的适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统，其特征是：所述的凝液罐上设置测温装置和压力表，下端上设置疏水阀。

6.根据权利要求1或2所述的适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统，其特征是：所述的负压操作箱材料为可视的有机玻璃，负压操作箱侧面设有两个操作通道，操作通道口处用橡胶手套密封，操作通道下部还均匀设置有吸气口；汽水分离装置与采样钢瓶之间依次设置前可拆卸密封接头、前截止阀，采样钢瓶与流量计之间依次设置后截止阀、后可拆卸密封接头。

7.根据权利要求3所述的适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统，其特征是：所述的负压操作箱材料为可视的有机玻璃，负压操作箱侧面设有两个操作通道，操作通道口处用橡胶手套密封，操作通道下部还均匀设置有吸气口；汽水分离装置与采样钢瓶之间依次设置前可拆卸密封接头、前截止阀，采样钢瓶与流量计之间依次设置后截止阀、后可拆卸密封接头。

8.根据权利要求4所述的适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统，其特征是：所述的负压操作箱材料为可视的有机玻璃，负压操作箱侧面设有两个操作通道，操作通道口处用橡胶手套密封，操作通道下部还均匀设置有吸气口；汽水分离装置与采样钢瓶之间依次设置前可拆卸密封接头、前截止阀，采样钢瓶与流量计之间依次设置后截止阀、后可拆卸密封接头。

9.根据权利要求5所述的适用于高压蒸汽管路环境下的甲基碘气体采样系统，其特征是：所述的负压操作箱材料为可视的有机玻璃，负压操作箱侧面设有两个操作通道，操作通道口处用橡胶手套密封，操作通道下部还均匀设置有吸气口；汽水分离装置与采样钢瓶之间依次设置前可拆卸密封接头、前截止阀，采样钢瓶与流量计之间依次设置后截止阀、后可拆卸密封接头。

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