CN106342217B - 一种用于测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过提取安全壳内的气体，测量其中水蒸气所占的体积百分比，然后对气体进行预处理，测量预处理后的气体中氢气体积浓度，然后利用带有环境校正系数k的补偿计算公式，以及测得的水蒸气体积百分比对预处理后测得的氢气体积浓度进行修正，解决了目前国内外采用气体抽出方式测量安全壳内高温高湿气体中组分体积浓度的过程中由于水蒸气冷凝造成的严重测量误差这一关键问题。本技术方案通过工程算法确定安全壳内的氢气体积浓度，消除水蒸气对安全壳内气体抽出式测量方式的影响。特别适用于核电厂事故工况下对安全壳内氢气或其他爆炸性气体组分的体积浓度的准确测量。

Description

一种用于测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法

技术领域

本发明涉及一种测量氢气浓度的方法，特别适用于测量核电厂安全壳内氢气的浓度，属于气体浓度分析测量技术领域。

背景技术

核电厂超基准事故工况和严重事故下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湿混合性气体。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。事故工况下，反应堆放出大量的热量，安全壳内的温度可高达180℃，同时产生大量的水蒸气。水蒸气和氢气的含量随着事故的进程不断变化。为了避免发生破坏安全壳完整性的氢爆燃事故，必须通过测量氢气体积浓度的方式对氢气聚集状态进行监视，以便采取适当的预防措施。

对于类似安全壳的密闭空间，目前有两种测量方式：

一种是将分析传感器直接安装在安全壳内测量氢气浓度，传感器需要耐受安全壳内高温、高压、高湿、高辐照的环境条件，而面对可能产生的各种突发事件的危险，研制高可靠性、高安全性的传感器和在使用中如何进行维护保养都是世界范围内核电领域还待研究和解决的难题，尚没有成熟产品；

另一种是将气体从安全壳内抽出，送到安全壳外的测量系统完成气体预处理和气体浓度分析，测量后的气体无泄漏地返回安全壳。对于氢气类有爆炸危险的气体，选择防爆型分析传感器提高测量的安全性。抽出式浓度测量装置通过结构设计和流程设计可以很好地满足核电站氢气测量安全性和抗震性能的要求，在安全壳外定期的维护、保养可以保证事故发生后执行连续测量功能。本技术方案正是基于此种抽出式浓度测量方式提出的方法。

目前氢气体积浓度的分析方法主要以热导原理、电化学原理、催化反应原理为主。利用这些原理的传感器对测量介质的状态存在局限，温度范围为50℃以下，相对湿度范围为85％RH以下，流量和压力也有限制。国内外目前已安装使用的核电厂抽出式氢气测量装置多采用基于热导、电化学原理的气体分析传感器。

在核电厂工况下，安全壳内气体作为测量介质，为了保证上述分析气体分析传感器的正常工作和准确测量，必须将安全壳内高温高湿并有一定压力的气体进行冷却、降压、除湿等预处理，转变为传感器能够处理的介质后，才能测量氢气体积浓度。相对于安全壳内的高温高湿的“湿态”气体条件(因为其中含有水蒸气)，冷却除湿等预处理后的气体可暂称为“干态”气体(因为冷却后其中水蒸气凝结，所以气体中不含有水蒸气)。抽出式测量装置中安装的常见氢传感器用于分析自然环境条件下氢气组分的体积浓度，也就是“干态”气体中氢气体积浓度，因此要对抽取的含有水蒸气的高温高湿“湿态”被测气体进行预处理，“湿态”气体在预处理中的冷却过程中，随着温度不断降低，被测气体中所含水蒸气不断冷凝。当冷却至10～45℃时，绝大部分的水蒸气转化为液态水被析出，被测气体的总分子个数减少，而被测气体组分中的氢气在降温过程中无变化，分子个数保持不变。因而经过预处理过程，会造成“湿态”和“干态”下测得的氢气体积浓度发生变化，产生测量误差。

进一步解释，产生该测量误差是因为，安全壳可视为固定容积的密闭空间，某组分的体积浓度由该组分的分子个数与气体总分子个数的比值决定。由于经过预处理过程，气体组成发生了变化(其中水蒸气凝结析出)，很容易推知，“干态”下氢气的体积浓度较安全壳内的高温高湿度环境下的体积浓度是高的，测量结果存在较大误差，测量的准确性无法保证。并且水蒸气的含量直接影响测量的准确性，水蒸气含量越高，测量误差越大，反之，则测量误差越小。在事故状态及高水蒸气含量条件下，失去了测量的意义和目的。

美国Teledyne公司自60年代起专注于采样和分析反应堆事故状态下的气体成分，已开发出225CM系列氢气监测仪，在线分析反应堆安全壳中的氢气，例如监测冷却剂泄露事故(LOCA)或蒸汽管道断裂事故(SLB)时的氢气组分含量。该分析仪在发生事故时和事故后帮助核电厂运行人员确定反应堆损坏程度，从而确定采用哪些处理方案和措施，例如事故时激活氢气复合器和吹扫系统。

225CM氢气监测仪采用将安全壳内气体冷却后进行“干态”浓度测量，尽管装置有很多优点，但是随着研究的不断深入，干法测量的缺点逐步暴露，那就是如前分析所述，“干态”氢气浓度与安全壳内高温高湿条件下真实的氢气浓度具有偏差。资料和试验表明，通过氢气监测仪得到的“干态”氢气浓度与安全壳内实际氢气浓度误差可达2～3倍，表1为验证上述推理的模拟试验，利用密闭试验容器模拟安全壳，并通过设置密闭试验容器内部的环境条件，来模拟安全壳内部的环境情景；所述模拟试验的环境条件包括密闭试验容器内的温度、压力、湿度；所述密闭试验容器中的气体为在预先设置的环境条件下的氢气、水蒸气、氮气的组合气体，该组合气体中的氢气和氮气的体积浓度为预先设置的已知值，用于模拟安全壳内氢气和氮气的浓度，水蒸气通过对密闭试验容器中的水进行加热获得。模拟试验中，在不同的温度、湿度、压力条件下，密闭试验容器内实际氢气浓度已知的情况下，抽取密闭试验容器内的气体，进行冷却、降压、除湿等预处理后，测量其中的氢气体积浓度，可见实测氢气浓度与模拟安全壳内氢气浓度的比值可达2～3，也就是说，测量结果与氢气体积浓度的真实值相比存在较大误差。

表1模拟试验结果

若是根据测量结果采取进一步安全措施的话，易造成误导。例如表1的试验中实测“干态”氢气浓度已经超过氢气的爆炸极限(4％)，而安全壳内的氢气浓度并没有达到爆炸极限，这种测量误差直接导致了虚警。

在一定压力下，随着安全壳内组合气体的环境温度升高，气体中的水蒸汽的比例逐渐增加，越接近饱和水蒸气状态，实测氢气浓度与模拟氢浓度的比值逐渐增大，模拟试验结果见附图1，其中t为模拟试验的温度，b为实测氢气浓度与模拟安全壳内氢气浓度的比值。

核电厂在事故状态下才会对安全壳内氢气含量进行连续监测，如果不能提供准确可靠的氢气浓度信号，将增加核电厂运行人员做出正确判断和操控的难度和时间，甚至做出错误的决策，这是非常危险的。

发明内容

本技术方案旨在提供一种用于测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，通过提取安全壳内的气体，测量其中水蒸气所占的体积百分比，然后对气体进行预处理，测量预处理后的气体中氢气体积浓度，然后利用带有环境校正系数k的补偿计算公式，以及测得的水蒸气体积百分比对预处理后测得的氢气体积浓度进行修正，以解决为了适应气体分析传感器的要求而对被测气体进行的预处理对测量结果的误差影响。本技术方案通过工程算法确定安全壳内的氢气体积浓度，消除水蒸气对安全壳内气体抽出式测量方式的影响。特别适用于核电厂事故工况下对安全壳内氢气或其他爆炸性气体组分的体积浓度的准确测量。

本技术方案所述一种用于测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，首先在不同高温高湿环境条件下多次进行配气测量模拟试验，获得环境校正系数k与环境条件的对应关系；所述环境条件包括但不限于安全壳内的温度、压力、湿度；

测量核电厂安全壳内氢气浓度时，包括如下步骤：

1.测量安全壳内部的环境条件，所述环境条件包括但不限于安全壳内的温度、压力、湿度，根据预先获得的环境校正系数k与环境条件的对应关系，确定当前环境条件所对应的环境校正系数k的取值；

2.从安全壳中抽取气体样品，通过测量获得所述气体样品中的水蒸气所占的体积百分比G；

3.将所述气体样品处理至常温常压状态；

4.测量步骤3处理后获得的常温常压下气体的氢气体积浓度P；

5.通过下式，对步骤4获得的氢气体积浓度P进行修正，从而获得安全壳内氢气体积浓度的分析值：

安全壳内氢气体积浓度的分析值＝k×P×(1-G)

其中，k为步骤1确定的环境校正系数。

所述配气测量模拟试验中，利用密闭试验容器模拟安全壳，并通过设置密闭试验容器内部的环境条件，来模拟安全壳内部的环境情景；所述配气测量模拟试验的环境条件包括但不限于密闭试验容器内的温度、压力、湿度；所述密闭试验容器中的气体为在预先设置的环境条件下的氢气、水蒸气、氮气的组合气体，该组合气体中的氢气和氮气的体积浓度为预先设置的已知值，水蒸气通过对密闭试验容器中的水进行加热获得；

在预置的不同环境条件下，获得环境校正系数k的具体方法如下：

在预置的不同环境条件下，从密闭试验容器中抽取组合气体，通过测量获得该气体中水蒸气所占的体积百分比V_G；再将该气体处理至常温常压状态，测量该气体中氢气的体积浓度V_P，然后根据下式计算k的值：

k＝V/[V_P(1-V_G)]

其中，V为密闭试验容器中预置的氢气体积浓度；

通过在不同高温高湿环境条件下多次进行配气测量模拟试验，获得环境校正系数k与安全壳内环境条件的关系；

所述配气测量模拟试验的环境条件，在多次配气测量模拟试验中以不同步长更新。

对比现有技术，本技术方案提供了一种用于测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，通过数据修正处理提高了测量准确性，解决了目前国内外采用气体抽出方式测量安全壳内高温高湿气体中组分体积浓度的过程中由于水蒸气冷凝造成的严重测量误差这一关键问题。具有测量准确度高、实现简单、安全可靠等优点，并且对现有设备改造小(在现有设备上的预处理单元之前增加水蒸气分析传感器)。本方法适用于核电厂超基准事故和严重事故工况下对安全壳环境中氢气或其他组分气体体积浓度的测量，也适用于其它高温高湿度的密闭环境下测量某种组分的体积浓度。

附图说明

图1为在一定压力下，随着环境温度升高，模拟试验实测氢气浓度与模拟氢浓度的比值增长曲线；

图2为使用本技术方案的测量氢气浓度的实施例示意图；

图3为实施例中测量安全壳内氢气浓度的流程示意图；

图4为实施例中微处理器的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明：

一种用于测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，附图2是一个使用本技术方案的测量氢气浓度的实施例，包括取样柜、信号处理柜、标定钢瓶架等设备。水蒸气分析传感器和氢分析传感器安装在取样柜内，为了准确测量水蒸气含量，在水蒸气分析传感器之前的主取样管路应作保温处理，减少水蒸气冷凝。取样柜用于完成气体传输、预处理和水蒸气体积百分比与氢气体积浓度测量；信号处理柜信号处理柜完成信号流路的传输、转换、计算与显示，包括微处理器和显示仪表，显示仪表可以给出测量后并进行了修正的结果，微处理器接收从取样柜传送的一次测量电流信号，将信号进行转换，并内置本技术方案中步骤5所述算法的程序，算法为：安全壳内氢气体积浓度的分析值＝k×P×(1-G)，其中，k为环境校正系数。

本实施例中，首先需要通过在不同的高温高湿环境条件下多次进行配气测量模拟试验来建立环境校正系数k与安全壳内环境条件的关系，具体方法为：

在预置的不同环境条件下，从密闭试验容器中抽取组合气体，通过测量获得该气体中水蒸气所占的体积百分比V_G；再将该气体处理至常温常压状态，测量该气体中氢气的体积浓度V_P，然后根据下式计算k的值：

k＝V/[V_P(1-V_G)]

其中，V为密闭试验容器中预置的氢气体积浓度。

通过在不同高温高湿环境条件下多次进行配气测量模拟试验，获得环境校正系数k与安全壳内环境条件的关系；建立环境校正系数k与安全壳内环境条件的关系数据库并存入微处理器，表2为该数据库中的部分试验数据。

表2配气测量模拟试验数据

表2的试验数据表明k值与气体中水蒸气的饱和程度相关。在一定的环境压力下，环境温度与水蒸气饱和温度每降低5℃，k的值增加0.05，环境温度接近或等于该压力下的水蒸气饱和温度时，k＝1。在温度超过水蒸气饱和温度的情况下，k值取1。

利用本技术方案测量氢气浓度时，包括如下步骤：

1.测量安全壳内部的环境条件，所述环境条件包括但不限于安全壳内的温度、压力、湿度，然后将测得的安全壳内环境条件参数发送给微处理器，通过微处理器内模糊数据查询的方式确定当前环境条件所对应的环境校正系数k的取值；

2.从安全壳中抽取气体样品，通过水蒸气分析传感器获得所述气体样品中的水蒸气所占的体积百分比G，并发送至微处理器进行存储；

3.将所述气体样品进行降温和减压处理，至常温常压状态；

4.利用氢分析传感器测量步骤3获得的常温常压下气体的氢气体积浓度P，并发送至微处理器进行存储；

5.微处理器将当前述存储的测量结果转换为工程值，然后运行下式程序，对步骤4获得的氢气体积浓度P进行修正，从而获得安全壳内氢气体积浓度的分析值：

安全壳内氢气体积浓度的分析值＝k×P×(1-G)

其中，k为步骤1确定的环境校正系数。

本实施例中，测量安全壳内氢气浓度的流程见附图3，其中微处理器的工作流程示意图见附图2。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法，其特征在于，预先在不同高温高湿环境条件下进行三次以上配气测量模拟试验，获得环境校正系数k与环境条件的对应关系；所述环境条件包括但不限于密闭试验容器内内的温度、压力、湿度；

测量核电厂安全壳内氢气浓度包括如下步骤：

(1)测量安全壳内部的环境条件，所述环境条件包括但不限于安全壳内的温度、压力、湿度；然后根据预先获得的环境校正系数k与环境条件的对应关系，确定当前环境条件所对应的环境校正系数k的取值；

(2)从安全壳中抽取气体样品，通过测量获得所述气体样品中的水蒸气所占的体积百分比G；

(3)将所述气体样品处理至常温常压状态；

(4)测量步骤3处理后获得的常温常压下气体的氢气体积浓度P；

(5)通过下式，对步骤4获得的氢气体积浓度P进行修正，从而获得安全壳内氢气体积浓度的分析值：

安全壳内氢气体积浓度的分析值＝k×P×(1-G)

其中，k为步骤1确定的环境校正系数；

所述配气测量模拟试验中，利用密闭试验容器模拟安全壳，并通过设置密闭试验容器内部的环境条件，来模拟安全壳内部的环境情景；所述配气测量模拟试验的环境条件包括但不限于密闭试验容器内的温度、压力、湿度；所述密闭试验容器中的气体为在预先设置的环境条件下的氢气、水蒸气、氮气的组合气体，该组合气体中的氢气和氮气的体积浓度为预先设置的已知值，水蒸气通过对密闭试验容器中的水进行加热获得；

在预置的不同环境条件下，进行三次以上配气测量模拟试验，获得环境校正系数k，方法如下：

在预置的不同环境条件下，从密闭试验容器中抽取气体，通过测量获得该气体中水蒸气所占的体积百分比V_G；再将该气体处理至常温常压状态，测量该气体中氢气的体积浓度V_P，然后根据下式获得k值：

k＝V/[V_P(1-V_G)]

其中，V为密闭试验容器中预置的氢气体积浓度。