CN105551535A - 核电站安全壳消氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核电站安全壳消氢系统，其包括：氢气监测子系统，用于监测安全壳内的氢气浓度，并在氢气含量达到或者高于设定的报警值时，发出报警信号；氢气自动添加子系统，用于接收来自氢气监测子系统的报警信号，并根据报警信号向自动氢氧复合子系统中添加氢气并发出点火信号；自动氢氧复合子系统，用于接收来自氢气自动添加子系统的点火信号和添加的氢气，并根据点火信号做好氢氧复合准备，在氢气含量达到燃爆浓度时，通过可控燃烧消减安全壳内的氢气含量。与现有技术相比，本发明通过主动进行自动消氢，将正常运行和基准事故情况下安全壳内的氢气含量控制在安全范围之内，避免发生氢气燃爆事故。

Description

核电站安全壳消氢系统
技术领域
本发明属于核反应堆设计领域，更具体地说，本发明涉及一种可在正常运行和基准事故下自动进行主动消氢的核电站安全壳消氢系统。
背景技术
核电站反应堆正常运行和设计基准事故下，安全壳内会产生一定量的氢气，最终聚集在安全壳穹顶区域。当氢气达到浓度一定程度时(如体积浓度4％以上)，会出现燃爆的风险，给反应堆厂房甚至整个核电站带来严重的安全隐患。因此，必须采用可靠的方法严格控制安全壳内的氢气含量，以消除安全威胁。
安全壳内氢气聚集引发爆炸的风险之前大多停留在理论上，即正常运行时一回路产生的氢气或者严重事故时大量的锆水反应产生的大量氢气可能引起爆炸。对于如何消除这一隐患业内也陆续提出了一些建议和方法，但并没有引起足够的重视。福岛事故中，大量聚集的氢气爆炸直接炸毁安全壳，大家此时才意识到必须用可靠的工程方法实现安全壳内消氢，并将其作为电站核安全监管的要求之一。
安全壳内消氢，最直接的方法是当安全壳内氢气浓度达到或者超过爆炸浓度时，就及时对其进行处理。为此，业内提出了多种方案，包括能动式方案和非能动式方案。
图1所示为非能动式的被动消氢方案，当感应器感应到安全壳内氢气浓度达到4％时，非能动的氢氧复合器就会自动将氢气与氧复合，以达到消氢的目的，控制安全壳内氢气的浓度。但是，非能动式的被动消氢方案中，对非能动氢氧复合器的设备可靠性要求非常高，内部的催化剂不能失效，否则整个系统将不起作用。为了保证氢氧复合器有效，核岛内部需要设置专用的实验间对氢氧复合器定期试验。但是，压水堆运行期间安全壳一般不允许人员进入，因此，定期试验只能在换料大修期间开展。此外，由于安全壳内环境复杂，尤其是事故工况下，内部温度和湿度都比较极端，催化剂失效概率很高，导致非能动式的被动消氢方案的可靠性无法满足安全要求。再者，从以上描述中可以看出，非能动氢氧复合器需要使用专用的催化剂，而且需要定期试验，因此系统运行和维护的成本比较高，经济性不好。
图2所示为能动式的被动消氢方案，当感应器感应到安全壳内氢气浓度达到4％时，系统会在主控室发出报警信号，操纵员根据操作规程启动能动式的氢氧复合器，以达到消氢的目的，控制安全壳内氢气的浓度。但是，从运行原理可以看出，上述能动式的被动消氢方案具有以下明显缺陷：
1)被动式缺陷：即当氢气浓度达到燃爆浓度以上时，系统才会发出报警信号；如果此时安全壳内氢气快速聚集，在操纵员得到信息到采取行动的这一段时间内，安全壳内氢气发生燃爆的风险可能性很高，因此，被动式的消氢方案自身就存在安全隐患；
2)手动式的缺陷：由于三代核电站都要求考虑人因失误，至少保持30分钟操作员不干预的时间，手动式的方案中消氢动作需要操纵员手动启动，如果操纵员因人因失误未启动或者未能及时启动消氢动作，系统即失效，后果很严重！
可见，现有的消氢方案都存在不足之处，尤其是对于核电站正常运行或者设计基准事故工况下的消氢方案，或者经济上代价高而可靠性不高，或者方案设计存在缺陷，且都是被动式的方案，致使安全隐患仍然没有被彻底消除。
有鉴于此，确有必要提供一种安全可靠的核电站安全壳消氢系统。
发明内容
本发明的发明目的在于：提供一种安全可靠的核电站安全壳消氢系统。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电站安全壳消氢系统，其包括：
氢气监测子系统，用于监测安全壳内的氢气浓度，并在氢气含量达到或者高于设定的报警值时，发出报警信号；
氢气自动添加子系统，用于接收来自氢气监测子系统的报警信号，并根据报警信号向自动氢氧复合子系统中添加氢气并发出点火信号；
自动氢氧复合子系统，用于来自接收氢气自动添加子系统的点火信号和添加的氢气，并根据点火信号做好氢氧复合准备，在氢气含量达到燃爆浓度时，通过可控燃烧消减安全壳内的氢气含量。
优选地，所述氢气监测子系统包括两个或两个以上冗余的监测系列；每一监测系列包括多个用于监测安全壳内氢气含量的传感器和一个用于产生并发出报警信号的仪控信号处理单元。
优选地，所述传感器将测得的氢气含量连续反馈给仪控信号处理单元，仪控信号处理单元对氢气含量数值进行监视，并将氢气浓度传输至主控室和远程停堆站显示；当安全壳内氢气含量达到或者高于设定的报警值时，仪控信号处理单元产生报警信号，并发送到主控室和氢气自动添加子系统，使得主控室报警，同时氢气自动添加子系统启动。
优选地，所述传感器分别位于安全壳内氢气聚集区域的不同位置，仪控信号处理单元位于安全壳外仪控机柜间；传感器和仪控信号处理单元通过信号传输线连接。
优选地，所述氢气自动添加子系统包括两套或两套以上互为备用的氢气自动添加单元，每套氢气自动添加单元均与仪控信号处理单元连接；当在线使用中的氢气自动添加单元接收到来自仪控信号处理单元的报警信号时，将自动启动，向自动氢氧复合子系统中添加适量氢气并同时发出点火信号。
优选地，所述自动氢氧复合子系统包括两套或两套以上互为备用的氢氧复合单元，每套氢氧复合单元包含一个与氢气自动添加单元连接的氢氧复合器和两组设于氢氧复合器内部的能动式点火器。
优选地，当在线使用中的氢氧复合单元接收到氢气自动添加单元的点火信号时，点火器启动，为氢氧复合做好准备；随着氢气添加量的增加，氢氧复合器内的氢气达到燃爆浓度，开始可控燃烧，使得安全壳内的氢气含量开始消减。
优选地，当可控燃烧使得安全壳内的氢气含量达到安全范围时，氢气自动添加子系统和自动氢氧复合子系统自动停止工作，主动消氢动作完成；氢气监测子系统继续对安全壳内的氢气含量进行监测。
优选地，当自动氢氧复合子系统连续运作超过预定时间仍然仍然无法将安全壳内的氢气含量降低至安全范围时，进入严重事故状态；此工况下，氢气监测子系统将自动向主控室和远程停堆站同时发出报警信号，显示安全壳消氢系统功能失效，退出运行；同时，自动关闭氢气自动添加子系统和自动氢氧复合子系统之间设置的安全壳隔离阀，安全壳内的大规模消氢任务转由专设的严重事故消氢系统执行。
优选地，所述设定的报警值为安全壳内氢气体积浓度为3％。
相对于现有技术，本发明核电站安全壳消氢系统具有以下优点：
1)结合核电站正常运行和基准事故工况下的技术条件，采用主动式的全自动方案，在氢气达到爆炸浓度之前主动启动消氢动作，自动地将安全壳内聚集的氢气浓度消减到合理范围，彻底消除了核电站正常运行和基准事故工况下的氢气爆炸风险，改变被动防御的安全缺陷，并克服非能动自动消氢方案的可靠性不高、经济性差的缺陷；
2)通过自动控制系统的运行，可消除人因失误带来的系统失效风险。
3)可为核电站事故处理提供相关的信号，给事故处理人员提供有效的信息。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明核电站安全壳消氢系统及其技术效果进行详细说明。
图1是现有非能动式被动消氢方案的流程示意图。
图2是现有能动式被动消氢方案的流程示意图。
图3为本发明核电站安全壳消氢系统的消氢流程示意图。
图4为本发明核电站安全壳消氢系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
请参阅图3和图4所示，本发明核电站安全壳消氢系统包括：氢气监测子系统、氢气自动添加子系统，以及自动氢氧复合子系统。
氢气监测子系统包括一备一用两个冗余的监测系列，每个监测系列包含5个用于监测安全壳10内氢气含量的传感器100和与所有传感器100电连接的仪控信号处理单元102。其中，传感器100位于安全壳10的穹顶、环廊等氢气聚集的区域；仪控信号处理单元102位于安全壳10外仪控机柜间。传感器100通过信号传输线将测得的氢气含量连续反馈给仪控信号处理单元102；仪控信号处理单元102对氢气含量进行监视，并传输至主控室和远程停堆站显示。当氢气含量达到或者高于设定的报警值，例如体积浓度达到或者高于3％时，仪控信号处理单元102产生报警信号，并发送到主控室和氢气自动添加子系统，使得主控室报警，同时氢气自动添加子系统启动。
氢气自动添加子系统包括两套互为备用的氢气自动添加单元200，每套氢气自动添加单元200均与仪控信号处理单元102连接。当在线使用中的氢气自动添加单元200接收到来自仪控信号处理单元102的报警信号时，将自动启动，向自动氢氧复合子系统中添加适量氢气并同时发出点火信号。
自动氢氧复合子系统包括两套互为备用的氢氧复合单元，每套氢氧复合单元包含一个与氢气自动添加单元200连接的氢氧复合器302和两组设于氢氧复合器302内部的能动式点火器300。氢气自动添加单元200和氢氧复合器302之间的连接管线上设有控制管线通断的安全壳隔离阀202。当在线使用中的氢氧复合单元接收到氢气自动添加单元200的点火信号时，点火器300启动，为氢氧复合做好准备；随着氢气添加量的增加，氢氧复合器302内的氢气达到燃爆浓度，开始可控燃烧，使得安全壳10内的氢气含量开始消减；当氢气含量达到安全范围时，氢气自动添加子系统和自动氢氧复合子系统自动停止工作，安全壳隔离阀202关闭，主动消氢动作完成。
之后，氢气监测子系统继续对安全壳10内的氢气含量进行监测；如果安全壳10内的氢气含量再次升高，氢气监测子系统将再次产生报警信号，通过自动触发氢气自动添加子系统和自动氢氧复合子系统，重新将安全壳10内的氢气含量控制在安全范围内。
当本发明核电站安全壳消氢系统的自动氢氧复合子系统连续运作超过预定时间(如3小时)仍然无法将安全壳10内的氢气含量降低至安全范围时，说明核电站已经发生大规模锆水反应，进入严重事故状态。在此工况下，氢气监测子系统的仪控信号处理单元102将自动向主控室和远程停堆站同时发出报警信号，显示安全壳消氢系统功能失效，退出运行。同时，自动关闭相关的安全壳隔离阀202，避免更多的氢气进入安全壳10内或者安全壳10内的放射性物质流出，安全壳10内的大规模消氢任务转由专设的严重事故消氢系统执行。
结合以上描述可以看出，相对于现有技术，本发明核电站安全壳消氢系统至少具有以下优点：
1)结合核电站正常运行和基准事故工况下的技术条件，采用主动式的全自动方案，在氢气达到爆炸浓度之前主动启动消氢动作，自动地将安全壳10内聚集的氢气浓度消减到合理范围，彻底消除了核电站正常运行和基准事故工况下的氢气爆炸风险，改变被动防御的安全缺陷，并克服非能动自动消氢方案的可靠性不高、经济性差的缺陷；
2)通过自动控制系统的运行，可消除人因失误带来的系统失效风险。
3)可为核电站事故处理提供相关的信号，给事故处理人员提供有效的信息。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种核电站安全壳消氢系统，其特征在于，包括：
氢气监测子系统，用于监测安全壳内的氢气浓度，并在氢气含量达到或者高于设定的报警值时，发出报警信号；
氢气自动添加子系统，用于接收来自氢气监测子系统的报警信号，并根据报警信号向自动氢氧复合子系统中添加氢气并发出点火信号；
自动氢氧复合子系统，用于接收来自氢气自动添加子系统的点火信号和添加的氢气，并根据点火信号做好氢氧复合准备，在氢气含量达到燃爆浓度时，通过可控燃烧消减安全壳内的氢气含量。
2.根据权利要求1所述的核电站安全壳消氢系统，其特征在于：所述氢气监测子系统包括两个或两个以上冗余的监测系列；每一监测系列包括多个用于监测安全壳内氢气含量的传感器和一个用于产生并发出报警信号的仪控信号处理单元。
3.根据权利要求2所述的核电站安全壳消氢系统，其特征在于：所述传感器将测得的氢气含量连续反馈给仪控信号处理单元，仪控信号处理单元对氢气含量数值进行监视，并将氢气浓度传输至主控室和远程停堆站显示；当安全壳内氢气含量达到或者高于设定的报警值时，仪控信号处理单元产生报警信号，并发送到主控室和氢气自动添加子系统，使得主控室报警，同时氢气自动添加子系统启动。
4.根据权利要求2所述的核电站安全壳消氢系统，其特征在于：所述传感器分别位于安全壳内氢气聚集区域的不同位置，仪控信号处理单元位于安全壳外仪控机柜间；传感器和仪控信号处理单元通过信号传输线连接。
5.根据权利要求2所述的核电站安全壳消氢系统，其特征在于：所述氢气自动添加子系统包括两套或两套以上互为备用的氢气自动添加单元，每套氢气自动添加单元均与仪控信号处理单元连接；当在线使用中的氢气自动添加单元接收到来自仪控信号处理单元的报警信号时，将自动启动，向自动氢氧复合子系统中添加适量氢气并同时发出点火信号。
6.根据权利要求5所述的核电站安全壳消氢系统，其特征在于：所述自动氢氧复合子系统包括两套或两套以上互为备用的氢氧复合单元，每套氢氧复合单元包含一个与氢气自动添加单元连接的氢氧复合器和两组设于氢氧复合器内部的能动式点火器。
7.根据权利要求6所述的核电站安全壳消氢系统，其特征在于：当在线使用中的氢氧复合单元接收到氢气自动添加单元的点火信号时，点火器启动，为氢氧复合做好准备；随着氢气添加量的增加，氢氧复合器内的氢气达到燃爆浓度，开始可控燃烧，使得安全壳内的氢气含量开始消减。
8.根据权利要求7所述的核电站安全壳消氢系统，其特征在于：当可控燃烧使得安全壳内的氢气含量达到安全范围时，氢气自动添加子系统和自动氢氧复合子系统自动停止工作，主动消氢动作完成；氢气监测子系统继续对安全壳内的氢气含量进行监测。
9.根据权利要求1所述的核电站安全壳消氢系统，其特征在于：当自动氢氧复合子系统连续运作超过预定时间仍然仍然无法将安全壳内的氢气含量降低至安全范围时，进入严重事故状态；此工况下，氢气监测子系统将自动向主控室和远程停堆站同时发出报警信号，显示安全壳消氢系统功能失效，退出运行；同时，自动关闭氢气自动添加子系统和自动氢氧复合子系统之间设置的安全壳隔离阀，安全壳内的大规模消氢任务转由专设的严重事故消氢系统执行。
10.根据权利要求1所述的核电站安全壳消氢系统，其特征在于：所述设定的报警值为安全壳内氢气体积浓度为3％。
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