CN105738246B - 用于核电站安全壳事故后水蒸汽在线测量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于核电站安全壳事故后水蒸汽在线测量的装置，包括进气管、标准容器、冷液容器、冷液循环泵、液态水收集器、出气管以及水蒸汽浓度测量装置；所述进气管、冷液循环泵、出气管和水蒸汽浓度测量装置均与标准容器连接；所述冷液容器与冷液循环泵连接，所述液态水收集器通过过水挡气阀门与标准容器连接。本发明设计合理、操作便捷、安全性高，其可以实现精确、快速的核电站安全壳内水蒸汽浓度测量，并为后续取样氢气浓度测量创造合适的测量环境。

Description

用于核电站安全壳事故后水蒸汽在线测量的装置和方法
技术领域
本发明涉及核电站的安保检测领域，具体涉及的是一种用于核电站安全壳事故后水蒸汽在线测量的装置和方法。
背景技术
一直以来，对核电站安全壳内氢气浓度的监测都是必不可少的，日本福岛核事故以后，核电厂安全壳严重事故工况下的氢风险控制更是引起了国内外的高度关注，并且对核电的氢安全装置提出了更高的要求。严重事故状态下，核电站中氢气的来源主要有早期的锆和水反应产氢和中后期的水辐照分解，以及堆芯融溶物和混凝土的反应，由此可以看出，氢气很大一部分来源都跟水有关，水的含量在整个过程中对氢气浓度的影响是非常大的。而伴随这些过程产生的是高温(150℃以上)、高压(5.5bar左右)、高湿(绝对湿度60％左右)、高放射性、高含量毒化气体(CO、碘蒸汽、固体气溶胶、电缆燃烧气体产物等)的安全壳环境，这种恶劣的环境对直接在安全壳内设置测氢仪器提出了非常高的要求，对测量结果的精度造成很大的影响，同时对测氢仪器损害相当严重。因此目前事故状态下氢气浓度测量多以壳内取样、壳外测量为主。
传统的气体测量仪器，色谱、红外、拉曼等在严重事故状态这种高温(150℃以上)高湿(绝对湿度60％)状态下不仅无法进行测量，甚至有可能受到严重损坏，因此有必要对取样气体进行去湿后再测量。由此衍生而来的水蒸汽测量方法多采用测量去湿前和去湿后吸收水分的质量来测算安全壳内水分含量，但是这种方法所存在的最普遍缺陷是测量精度不高。
因此，如何实现事故状态安全壳内水蒸汽浓度的精确、快速地检测方法和装置探索，同时为进一步的氢气浓度监测提供合适的测量环境是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对上述技术不足，本发明提供了一种用于核电站安全壳事故后水蒸汽在线测量的装置和方法，其可以为核电站事故状态下取样水蒸汽浓度监测提供精确、快速的测量。
为实现上述目的，本发明解决问题的技术方案如下：
用于核电站安全壳事故后水蒸汽在线测量的装置，包括进气管、标准容器、冷液容器、冷液循环泵、液态水收集器、出气管以及水蒸汽浓度测量装置，其中：
进气管，用于在线向标准容器内通入安全壳事故状态下包含有水蒸汽的气体；
冷液容器，与标准容器连接，用于盛装作为冷却液的甘油；
冷液循环泵，用于将冷液容器中的冷却液泵出，所述冷液容器通过管路与冷液循环泵入口连接并且该冷液循环泵的出口连接有冷液输运管，该冷液输运管与标准容器外部接触，以形成标准容器外壁循环，使标准容器中的水蒸汽降温冷凝；
液态水收集器，通过过水挡气阀门与标准容器连接，用于收集标准容器中冷凝后的液态水；
出气管，用于排出标准容器中冷凝后的剩余气体；
水蒸汽浓度测量装置，包括测温仪和数字压力表。
进一步地，所述标准容器外部还包裹有隔热保温层。
再进一步地，还包括与冷液容器连接、用于控制该冷液容器内温度的温控仪。
作为优选，所述过水挡气阀门为疏水阀。
具体地说，所述水蒸汽浓度测量装置包括均与标准容器连接的测温仪和数字压力表，同时与测温仪和数字压力表连接的数据采集卡，以及与该数据采集卡连接的PC机。
基于上述结构，本发明还提供该装置的实现方法，包括以下步骤：
(1)进气管将安全壳事故状态下包含有水蒸汽的气体通入至标准容器中，测温仪与数字压力表分别测量气体的温度和压力，并通过数据采集卡传送至PC机中；
(2)开启冷液循环泵，将盛装在冷液容器中的冷却液泵出，并在标准容器外壁循环，对气体中的水蒸汽进行降温，使之冷凝，得到冷凝的液态水，冷凝时间为2min内；同时，测温仪与数字压力表测量冷凝后的气体温度和压力，并通过数据采集卡传送至PC机中；
(3)PC机对接收的水蒸汽温度和压力数据进行处理，并按照下列公式得到出安全壳内的水蒸汽浓度
式中，P1、P2和T1、T2分别为标准容器冷凝前、后气体的压强和温度；
(4)打开过水挡气阀门，将标准容器中的液态水收集到液态水收集器中，然后利用出气管将标准容器中的气体排出。
进一步地，所述步骤(2)中，在利用冷却液冷却水蒸汽的同时，还利用温控仪控制冷液容器内的温度。
本发明的设计原理如下：
假设标准容器容积为1L的不锈钢圆柱体，壁厚2mm，采样气体初始温度为200℃，甘油作为冷却液，体积为5L，气体冷却至20℃时水蒸汽完全冷凝成液态水，则可估算样品气体冷凝成水所需要的时间如下：
标准容器冷却过程中，容器壁及容器内气体的热量传递至甘油，最终达到热量平衡。容器为圆柱体，对于给定的体积，最小表面积的圆柱满足h＝2r，在该条件下散热表面积最小，以此极端条件进行保守估算。
相应物理参数如下：
比热：C甘油＝2.4kJ·kg-1K-1，C不锈钢＝0.5kJ·kg-1K-1，CvH2O＝2.0kJ·kg-1K-1。
水相变潜热r＝2.5×103kJ·kg-1，甘油密度ρ＝1.26g·cm-3。
导热系数：k不锈钢＝16W·m-1K-1，kH2O＝0.63W·m-1K-1；k甘油＝0.28W·m-1K-1。
标准容器的拟定初始参数：气体压力为0.5atm，水蒸汽含量100％。
温度由200℃降至20℃的各部分放热如下：不锈钢容器放热78kJ，气体降温过程非相变温差放热1.4kJ，水蒸汽冷凝相变放热10kJ；热量释放主要来源于不锈钢容器。甘油吸收上述几部分热量，按相似方式计算可得对应温升<10℃，因此可不考虑甘油温升，视为恒温。另外，由于不锈钢的导热率远大于水蒸汽和甘油，因此可认为不锈钢壁的温度可瞬时达到与甘油体系相同的温度。因此只需对容器内气体与容器壁的热量传递过程进行计算即可对采样气体降温速率进行评估。
而气体降温过程通常采用对流传热系数(对流换热系数)来描述。对流换热系数的基本计算公式由牛顿于1701年提出，又称牛顿冷却定律。牛顿指出，流体与固体壁面之间对流传热的热流与它们的温度差成正比，即：
Q＝qA＝AhΔt＝Ah(Tw－Tg)
式中：q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度，单位W·m-2；
Tw、Tg分别为器壁表面和容器内气体的温度，单位K；
A为容器表面积，单位m2；
Q为面积A上的传热热量，单位W；
h称为表面对流传热系数，单位W·m-2K-1
根据总放热量与单位时间对流换热量的商即可得出降温所需时间如下：
容器内气体属于自然对流状态，取10W·m-2K-1作为保守计算的输入值。
Tw视为常温、T∞由初始温度(200℃)降至终态温度(20℃)。采用数值迭代方法求解，可得出采样气体温度降至30℃以下所需时间约1min，降至20℃以下所需时间约2min。可见，采用甘油作为冷却液，并在标准容器外壁循环的方法可以将采样气体温度快速降至常温，从而满足安全壳气体分析快速响应的需求。
而采样气体中水蒸汽的浓度为ηH2O，在同温、同压条件下，气体的体积比等于其物质的量比，因此，假设进入标准容器的样气中的空气物质的量为nAIR，氢气物质的量为nH2，水蒸汽物质的量为nH2O，标准容器的体积为V，P1、P2和T1、T2分别为容器冷凝前后的压强和温度，R为气体常数，经过冷却后，采样气体中的水蒸汽基本被除去，则根据气体PVT算法可得到安全壳内的水蒸汽浓度：
冷却前 P1V＝(nAIR+nH2+nH2O)RT1 (1)
冷却后 P2V＝(nAIR+nH2)RT2 (2)
由(1)(2)可得：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明在取样氢气测量回路上设置了水蒸汽冷凝循环系统(冷液循环泵、冷液容器)，并对标准容器中气体冷凝前、后的温度和压强进行检测，然后通过数据分析得到安全壳内的水蒸汽浓度，这相较于常规的通过质量差推算水蒸汽浓度的方式更为快速、精确。
(2)本发明采用甘油作为循环冷却液，其冷凝过程不到2min，便可实现水蒸汽浓度的快速测量和水蒸汽的去除，并同时对样品气体进行降温除湿，从而为后续氢气浓度测量提供有利的测量环境。
(3)本发明采用液态水收集器对冷凝的液态水进行收集后，然后集中处理，可实现液态水的快速处置。
(4)本发明采用疏水阀作为过水挡气阀门，可快速将标准容器中的凝结水、空气和二氧化碳气体尽快排出至液态水收集器中，并最大限度地防止蒸汽的泄漏。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，附图标记对应的零部件名称为：
1-进气管，2-测温仪，3-数字压力表，4-冷液循环泵，5-温控仪，6-冷液容器，7-液态水收集器，8-过水挡气阀门，9-隔热保温层，10-标准容器，11-出气管，12-数据采集卡，13-PC机。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1所示，本发明提供了一种可以在线测量安全壳事故后的水蒸汽浓度的装置，其包括进气管1、冷液循环泵4、冷液容器6、液态水收集器7、标准容器10、出气管11以及水蒸汽浓度测量装置。
所述的进气管1与标准容器10连接，其用于在线向标准容器内通入安全壳事故后产生的包含有水蒸汽的气体。所述冷液容器6中盛装有用作冷却液的甘油，该冷液容器6通过管道与冷液循环泵4泵入口连接，而冷液循环泵4的泵出口连接有冷液输运管，该冷液输运管与标准容器10外壁接触，然后回连于冷液容器6。冷液循环泵4用于将冷液容器中的冷却液泵出，并在标准容器外壁循环，以使标准容器中的水蒸汽降温冷凝。
所述液态水收集器7通过一过水挡气阀门8与标准容器10连接，用于收集标准容器10中冷凝后的液态水。本实施例中，所述的过水挡气阀门8优选为疏水阀。所述的出气管11与标准容器10连接，用于排出标准容器10中冷凝后的剩余气体。
所述的水蒸汽浓度测量装置用于测量标准容器10中冷凝前后的水蒸汽浓度，其包括均与标准容器10连接的测温仪2和数字压力表3，同时与测温仪2和数字压力表3连接的数据采集卡12，以及与该数据采集卡12连接的PC机13。
此外，为了控制和保持冷液容器6中的冷却液温度，所述的冷液容器6还连接有一控温仪5。而在标准容器10降温的过程中，为防止其因受到外界影响而导致温度回升，本发明还设置了一隔热保温层9，该隔热保温层9包裹在标准容器10外，而冷液输运管则布置在该隔热保温层9中。
本发明采用了壳内取样、壳外测量的方式来推算事故状态下安全壳内的水蒸汽浓度，其测量过程如下：
首先，进气管1将安全壳事故状态下包含有水蒸汽的气体通入至标准容器10中，此时，测温仪2与数字压力表3分别测量气体的温度和压力，并通过数据采集卡12传送至PC机13中。接着，开启冷液循环泵4，将盛装在冷液容器6中的冷却液泵出，并经由冷液输运管在标准容器外壁循环，从而对气体中的水蒸汽进行降温(本实施例中，水蒸汽由200℃降至20℃)，使之冷凝，得到冷凝的液态水，冷凝时间为2min内。然后测温仪2与数字压力表3测量冷凝后的气体温度和压力，并通过数据采集卡12传送至PC机13中。
PC机接收数据后，按照编入的公式：计算出安全壳内的水蒸汽浓度，并实时显示。
最后，打开过水挡气阀门8，将标准容器10中的液态水收集到液态水收集器中，然后利用出气管11将标准容器10中的气体排出。
本发明通过对事故状态下安全壳内的样品气体进行取样，进而通过样品气体降温冷凝和计算，对样品气体中的水蒸汽含量进行了较为精确地测量。同时，本发明还对取样气体进行降温除湿，为后续的氢气浓度的测量提供了良好的测量环境。本发明测量过程简单、响应时间短、测算结果准确、测量环境安全，为事故状态恶劣环境下的水蒸汽浓度和后续氢气浓度的实时监测提供了可靠的保障。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.用于核电站安全壳事故后水蒸汽在线测量的装置，其特征在于，包括进气管(1)、标准容器(10)、冷液容器(6)、冷液循环泵(4)、液态水收集器(7)、出气管(11)以及水蒸汽浓度测量装置，其中：
进气管，用于在线向标准容器内通入安全壳事故状态下包含有水蒸汽的气体；
冷液容器，与标准容器连接，用于盛装作为冷却液的甘油；
冷液循环泵，用于将冷液容器中的冷却液泵出，所述冷液容器通过管路与冷液循环泵入口连接并且该冷液循环泵的出口连接有冷液输运管，该冷液输运管与标准容器外部接触，以形成标准容器外壁循环，使标准容器中的水蒸汽降温冷凝；
液态水收集器，通过过水挡气阀门与标准容器连接，用于收集标准容器中冷凝后的液态水；
出气管，用于排出标准容器中冷凝后的剩余气体；
水蒸汽浓度测量装置，包括测温仪和数字压力表。
2.根据权利要求1所述的用于核电站安全壳事故后水蒸汽在线测量的装置，其特征在于，所述标准容器(10)外部还包裹有隔热保温层(9)。
3.根据权利要求2所述的用于核电站安全壳事故后水蒸汽在线测量的装置，其特征在于，还包括与冷液容器(6)连接、用于控制该冷液容器内温度的温控仪(5)。
4.根据权利要求1所述的用于核电站安全壳事故后水蒸汽在线测量的装置，其特征在于，所述过水挡气阀门为疏水阀。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的用于核电站安全壳事故后水蒸汽在线测量的装置，其特征在于，所述水蒸汽浓度测量装置包括均与标准容器(10)连接的测温仪(2)和数字压力表(3)，同时与测温仪(2)和数字压力表(3)连接的数据采集卡(12)，以及与该数据采集卡(12)连接的PC机(13)。
6.一种权利要求5所述的装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)进气管将安全壳事故状态下包含有水蒸汽的气体通入至标准容器中，测温仪与数字压力表分别测量气体的温度和压力，并通过数据采集卡传送至PC机中；
(2)开启冷液循环泵，将盛装在冷液容器中的冷却液泵出，并在标准容器外壁循环，对气体中的水蒸汽进行降温，使之冷凝，得到冷凝的液态水，冷凝时间为2min内；同时，测温仪与数字压力表测量冷凝后的气体温度和压力，并通过数据采集卡传送至PC机中；
(3)PC机对接收的水蒸汽温度和压力数据进行处理，并按照下列公式得到出安全壳内的水蒸汽浓度
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式中，P1、P2和T1、T2分别为标准容器冷凝前、后气体的压强和温度；
(4)打开过水挡气阀门，将标准容器中的液态水收集到液态水收集器中，然后利用出气管将标准容器中的气体排出。
7.根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在利用冷却液冷却水蒸汽的同时，还利用温控仪控制冷液容器内的温度。
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