CN109855925B - 带标定功能的高温高压高蒸汽浓度气溶胶在线测量装置 - Google Patents

Abstract

一种具有标定功能的高温高压高蒸汽浓度气溶胶的在线测量装置，包括：用于采集待测气溶胶的采样机构、用于过滤已测气溶胶中存在的固体颗粒的高温粒径谱仪、用于防止气溶胶中的水蒸气的冷凝的温度控制装置、用于去除颗粒物的气溶胶过滤装置、流量控制装置以及废气收集装置。本发明结构简单，维护成本低，可实现长期在线测量。

Description

带标定功能的高温高压高蒸汽浓度气溶胶在线测量装置

技术领域

本发明涉及的是一种核电生产安全领域的技术，具体是一种针对温度最高可达200℃，压力最高可达1Mpa，蒸汽浓度份额在0-95％之间的具有标定功能的气溶胶的在线测量装置。

背景技术

气溶胶测量技术在核能领域常用于检测反应堆安全壳中的气溶胶的溶度分布及变化情况以判断是否有放射性的裂变产物泄露，从而保证反应堆安全。反应堆安全壳中的环境不同于普通大气环境，尤其是事故条件下，大量气溶胶随着高温高压水蒸气由管道释放到安全壳中，导致安全壳的气溶胶具有高温、高压、高湿度的特性。现有高温高压用气溶胶测量手段多为离线测量。具体方法为：采样机构通过等速取样探针等速抽取样品，取样气体先经过能耐高温高压的薄膜过滤器吸附气溶胶，然后经过孔板、针阀、热交换器、和冷凝水罐、水分分离器等设备，进而去除水分并降低压力和温度，然后分别用流量计测出各个组分的含量，进而测出气溶胶的浓度。现有技术涉及的结构较多，对滤膜的特性要求较高，操作复杂，无法实现事故条件下安全壳内气溶胶的实时在线检测。由于核电厂气溶胶的高温、高压、高水蒸气浓度的特性，特别是水蒸气的存在，导致目前市面的在线测量装置对抽取的气溶胶直接进行在线测量的误差较大。

除此之外，粒径谱仪在对气溶胶的粒径进行测量前，需要对粒径谱仪进行标定，标定气溶胶所处的环境应尽量接近实际使用工况环境。现有气溶胶粒径谱仪的标定方案只能以无水蒸气标准气溶胶作为标定气溶胶，对于高温高压的水蒸气环境中的气溶胶的标定仍需提出新的方案。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有标定功能的高温高压高蒸汽浓度气溶胶的在线测量装置，结构简单，维护成本低，可实现不同压力、温度、水蒸气浓度下的标定以及可进行长期的在线测量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：标定气溶胶生成系统、气溶胶在线测量系统和气溶胶离线测量系统。

所述的标定气溶胶生成系统用于生成标定所需的特定温度、压力的含高温高压水蒸气的粒径分布已知的标定气溶胶，包括：标定容器、标定气溶胶吹入装置、高温高压水蒸气生成装置、标定容器压力微调装置。

所述的气溶胶在线测量系统包括：用于采集待测气溶胶的采样机构、用于测量气溶胶中固体颗粒粒径及浓度的高温粒径谱仪、用于防止气溶胶中水蒸气冷凝的温度控制装置、第一流量控制装置以及废气收集装置，其中：高温粒径谱仪的输出端与第一流量控制装置相连，温度控制装置设置于高温粒径谱仪和第一取样探头、第二取样探头之间的管道上，管线表面温度受温度控制装置控制，防止气溶胶中的水蒸气冷凝。

所述的气溶胶离线测量系统包括温度控制装置、第八截止阀、气溶胶收集装置、第二流量控制装置、第一止回阀、第二止回阀、第一真空泵、废弃收集箱。

所述的标定功能，具体通过以下方式实现：

1)打开第二截止阀、蒸汽发生器，生成高温高压蒸汽。

2)打开第三截止阀，向标定容器中通入适量的高温高压水蒸气，对标定容器进行预热，使所述的标定容器的壁面温度在-摄氏度之间。

3)关闭第三截止阀，打开第一截止阀、第四截止阀，向标定容器中通入粒径分布已知的气溶胶颗粒。

4)关闭第一截止阀、第四截止阀，停止通入气溶胶颗粒。

5)打开第三截止阀，继续向标定容器中通入高温高压蒸汽，对标定容器进行升温升压。

6)待标定回路上的压力测量装置测得的压力值略大于标定压力，关闭第二截止阀、第三截止阀，停止通气。

7)打开电动泄压阀，微调压力容器内的压力至标定压力。

8)打开第五截止阀、第八截止阀，采用气溶胶离线测量系统对标定容器内的标定气溶胶抽取，对标定容器内的气溶胶的粒径分布进行测量。

9)关闭第八截止阀，打开第七截止阀，采用气溶胶在线测量系统对标定容器内的标定气溶胶抽取相同时间，对标定容器内的气溶胶的粒径分布进行测量。

10)对比步骤8和步骤9的测量结果以及标准气溶胶的粒径，完成对高温气溶胶粒径谱仪的标定。

本发明涉及上述气溶胶在线测量系统的控制方法，包括低压控制和高压控制。

技术效果

与现有技术相比，本发明可以在通过调整通入标定容器中的气溶胶以及水蒸气的量配置不同温度、压力、水蒸气浓度的标定气溶胶，对高温粒径谱仪进行标定。此外，本发明可以在不降温条件下测量高水蒸气含量高温高压气溶胶的粒径分布情况及实时浓度变化情况，结构简单，操作方便。与此同时，本发明既可测量高温高压气溶胶，也可测量高温常压气溶胶，既可在线测量，又可离线测量，功能丰富。

附图说明

图1为本发明的带有标定功能的高温高压高蒸汽浓度气溶胶的在线测量装置的结构示意图。

图2为标定容器的结构示意图。

图3为气溶胶在线测量系统结构示意图

图4温度控制装置的结构示意图。

图5为本发明的标定流程图。

图中：1高压瓶、2第一截止阀、3标准气溶胶发生器、4第二截止阀、5蒸汽发生器、6第三截止阀、7第四截止阀、8第一气体流量计、9标定容器、10气溶胶进口、11水蒸气进口、12第二气体流量计、13第一取样探头、14取样管线、15取样口、16第五截止阀、17第二取样探头、18第六截止阀、19管壁、20第七截止阀、21高温气溶胶粒径谱仪、22温度控制装置、23第一流量控制装置、24第八截止阀、25气溶胶收集装置、26第二流量控制装置、27第一止回阀、28第二止回阀、29第一真空泵、30第三止回阀、31第四止回阀、32第二真空泵、33废气收集箱、901泄压口、902安全阀、903温度测量装置、904压力测量装置、905压力控制装置、906电动泄压阀、907气溶胶过滤装置、908阀门、909排水管、221电加热丝、222保温棉、223温度计、224调节器、225电力控制器、231流量计、232调节阀、233反馈调节装置。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种带标定功能的高温高压高蒸汽浓度气溶胶的在线测量装置，包括：标定气溶胶生成系统A、气溶胶在线测量系统B、气溶胶离线测量系统C。

所述的标定气溶胶生成系统A用于生成标定所需的特定温度、压力的含高温高压水蒸气的粒径分布已知的标定气溶胶，包括：标定容器9、标定气溶胶吹入装置、高温高压水蒸气生成装置、标定容器压力微调装置。

所述的标定气溶胶吹入装置通过管道与所述的标定容器9的气溶胶进口10相连，包括：用于提供标定气体中除水蒸气外的其他气体的高压瓶1、用于控制高压瓶的开启、关闭的第一截止阀2、用于生成一定量的粒径分布已知的标准气溶胶颗粒的标准气溶胶发生器3、用于控制标准气溶胶通入标定容器9的开启、关闭的第四截止阀7以及用于记录通入到标定容器的气体量的第一气体流量计8，其中：高压瓶1将标准气溶胶发生器3生成的标准气溶胶吹入标定容器9内，第一截止阀位于高压瓶1、标准气溶胶发生器3之间的管道上，第四截止阀7位于气溶胶进口10附近的管道上。

所述的高温高压水蒸气生成装置通过管道与所述的标定容器9的水蒸气进口11相连，包括：第二截止阀4、用于产生标定所需的高温高压水蒸气的蒸汽发生器5、用于控制高温高压水蒸气通入标定容器9的开启、关闭的第三截止阀6、用于记录通入标定容器的水蒸气量的第二气体流量计12，其中：第二截止阀4位于蒸汽发生器5前的管道上，控制蒸汽发生器5的进水。

如图2所示，所述的标定容器9为耐高温高压的压力容器，该压力容器上设有气溶胶进口10、水蒸气进口11、泄压口901、取样口15、安全阀口902、排水管909、用于测量标定容器9内的温度的温度测量装置903，其中：气溶胶进口10、泄压口901、安全阀口902位于标定容器顶部，取样口15位于标定容器中部，排水管909、水蒸气进口11位于标定容器底部，排水管线上设有控制排水开关的阀门908，温度测量装置903位于标定容器9管壁附近。

所述的标定容器压力微调装置通过管道与标定容器9上的泄压口901相连，包括：用于测量标定容器9内的压力的压力测量装置904、压力控制装置905、用于微调标定容器内压力时控制标定容器9向外排出气体量的电动泄压阀906、用于过滤排放气体中的固体颗粒防止高速固体颗粒对电动泄压阀906造成磨损的气溶胶过滤装置907，其中：压力测量装置位于标定容器9内将压力信号传递给压力控制装置905，电动泄压阀906位于与泄压口901相连的管道上，压力控制装置905通过接收、判断压力测量装置905传来的压力信号控制电动泄压阀906的开启幅度，气溶胶过滤装置907位于电动泄压阀906与泄压口901之间的管道上。

所述的气溶胶在线测量系统B包括：用于采集待测气溶胶的采样机构、用于测量气溶胶中固体颗粒粒径及浓度的高温粒径谱仪21、用于防止气溶胶中水蒸气冷凝的温度控制装置22、第一流量控制装置23以及废气收集装置，其中：高温粒径谱仪21的输出端与第一流量控制装置23相连，温度控制装置22设置于高温粒径谱仪21和第一取样探头13、第二取样探头17之间的管道上，管线表面温度受温度控制装置22控制，防止气溶胶中的水蒸气冷凝。

所述的采样机构包括：第一取样探头13、用于抽取待测气溶胶的第二取样探头17以及各自管道上的第五截止阀16、第六截止阀18，其中：第一取样探头13通过取样管线14探入标定容器9中，在标定高温粒径谱仪21时使用，第二取样探头17穿过管壁19。

所述的高温粒径谱仪21为市面上常见的耐高温粒径谱仪，作为优选，可选择PALAS公司的Promo 3000H型号的粒径谱仪。

所述的采样机构的采样功能通过的第二取样探头17实现，第二取样探头17探入容器内部后直接抽取待测气溶胶，待测气溶胶在第二取样探头17中完成定温降压过程；通过与之相连的管道将待测气溶胶通入高温粒径谱仪21中进行测量，高温粒径谱仪21前设有第七截止阀20，用于控制待测气溶胶的进入。

如图3所示，所述的温度控制装置22包括：电加热丝221、保温棉222、用于测量管道内气体的温度的温度计223、调节器224、电力控制器225，其中：温度计223设置于通气管道内部靠近壁面处将温度信号通过线路传递给调节器224；调节器224通过线路控制电力控制器225，调节电流，进而调节所述的电加热丝221的发热功率，进而实现管道的加热及温度控制。

作为优选，所述的调节器224可采用PID调节器。

为了防止热量散失，所述的电加热丝221外包裹有保温棉222。

所述的流量控制装置23包括：流量计231、调节阀232和反馈调节装置233，其中：流量计231分别与高温粒径谱仪21的输出端、反馈调节装置233的输入端以及调节阀232相连，调节阀232的输出端通向所述的废气收集装置，反馈调节装置233通过获取来自流量计231的波动变化信息来控制调节阀232的开度，通过调节阀232的开度可以有效的调节并稳定第一采样探头13、第二采样探头17的抽取气溶胶的流量，进而使抽取气溶胶流量固定。

所述的流量计231优选采用用于测量高温气体的差压层流式流量计。

所述的废气收集装置包括：第三止回阀30、第四止回阀31、第二真空泵32以及废气收集箱33，其中：废气收集箱33通过第三止回阀30和第二真空泵32与流量控制装置的输出端相连，流量控制装置23与废气收集箱33之间进一步设有第四止回阀32，在低压条件下第四止回阀32关闭，第三止回阀30、第二真空泵31开启；在高压条件下第四止回阀32开启，第二止回阀30、第二真空泵31关闭。

所述的气溶胶离线测量系统C包括温度控制装置22、第八截止阀24、气溶胶收集装置25、第二流量控制装置26、第一止回阀27、第二止回阀28、第一真空泵29、废弃收集箱33。

所述的气溶胶离线测量系统C与所述的气溶胶在线测量系统B结构相似，仅仅将线路中的所述的高温粒径谱仪21替换成气溶胶收集装置25，其他结构连接及使用方式与气溶胶在线测量系统B相同。

进一步地，所述的气溶胶收集装置25可以是撞击取样器，也可以是耐高温滤膜。

如图5所示，本装置的标定功能，具体通过以下方式实现：

1)打开第二截止阀4、蒸汽发生器5，生成高温高压蒸汽。

2)打开第三截止阀6，向标定容器9中通入适量的高温高压水蒸气，对标定容器9进行预热，使所述的标定容器9的壁面温度在70-90摄氏度之间。

3)关闭第三截止阀6，打开第一截止阀2、第四截止阀7，向标定容器9中通入粒径分布已知的气溶胶颗粒。

4)关闭第一截止阀2、第四截止阀7，停止通入气溶胶颗粒。

5)打开第三截止阀6，继续向标定容器9中通入高温高压蒸汽，对标定容器进行升温升压。

6)待标定回路上的压力测量装置904测得的压力值略大于标定压力，关闭第二截止阀4、第三截止阀6，停止通气。

7)打开电动泄压阀906，微调压力容器内的压力至标定压力。

8)打开第五截止阀16、第八截止阀24，采用气溶胶离线测量系统C对标定容器9内的标定气溶胶抽取1-10分钟，对标定容器9内的气溶胶的粒径分布进行测量。

9)关闭第八截止阀24，打开第七截止阀20，采用气溶胶在线测量系统B对标定容器9内的标定气溶胶抽取相同时间，对标定容器9内的气溶胶的粒径分布进行测量。

10)对比第8、第9步的测量结果以及标准气溶胶的粒径，完成对高温气溶胶粒径谱仪的标定。

本实施例涉及上述气溶胶在线测量系统的控制方法，包括低压控制和高压控制，其中：

高压控制是指：当压力容器内的压力较高时，第四止回阀32开启，第二止回阀30、第二真空泵31关闭，通过调整调节阀232的开度，调节取样管线14中的压力，通过管道与容器内的压力差抽取容器内的气溶胶气体。抽样气溶胶在采样探头处实现等温降压。降压后的气溶胶气体通过受温度控制装置22控制壁面温度的取样管线14进入高温粒径谱仪21进行粒径分布及浓度的测量。测量后的气溶胶被流量计231测得流量，并将流量信号传递给反馈调节装置233，进而判断气体流量是否在预定范围之内，发出调控信号控制调节阀232的开度，进而保证气体流量的稳定。通过流量控制装置的气体排入废气收集箱33。

低压控制是指：当压力容器内的压力较低时，第四止回阀32关闭，第三止回阀30、第二真空泵31开启，在管道内提供负压，抽取待测气溶胶。待测气体流量通过流量计231和第二真空泵31之间的配合进行控制，控制取样流量的稳定。温度控制装置22控制从壁面到真空泵之间的所有管道的温度的稳定，补偿温度损失，用以防止整个测量过程中水蒸汽冷凝。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种具有标定功能的高温高压高蒸汽浓度气溶胶的在线测量装置，其特征在于，包括：标定气溶胶生成系统、气溶胶在线测量系统和气溶胶离线测量系统，其中：

所述的标定气溶胶生成系统用于生成标定所需的特定温度、压力的含高温高压水蒸气的粒径分布已知的标定气溶胶，包括：标定容器、标定气溶胶吹入装置、高温高压水蒸气生成装置、标定容器压力微调装置；

所述的气溶胶在线测量系统包括：用于采集待测气溶胶的采样机构、用于测量气溶胶中固体颗粒粒径及浓度的高温粒径谱仪、用于防止气溶胶中水蒸气冷凝的温度控制装置、第一流量控制装置以及废气收集装置，其中：高温粒径谱仪的输出端与第一流量控制装置相连，温度控制装置设置于高温粒径谱仪和第一取样探头、第二取样探头之间的管道上，管线表面温度受温度控制装置控制，防止气溶胶中的水蒸气冷凝；

所述的气溶胶离线测量系统包括温度控制装置、第八截止阀、气溶胶收集装置、第二流量控制装置、第一止回阀、第二止回阀、第一真空泵、废弃收集箱；

所述的高温高压水蒸气生成装置通过管道与所述的标定容器的水蒸气进口相连，包括：第二截止阀、用于产生标定所需的高温高压水蒸气的蒸汽发生器、用于控制高温高压水蒸气通入标定容器的开启、关闭的第三截止阀、用于记录通入标定容器的水蒸气量的第二气体流量计，其中：第二截止阀位于蒸汽发生器前的管道上，控制蒸汽发生器的进水；

所述的采样机构包括：第一取样探头、用于抽取待测气溶胶的第二取样探头以及各自管道上的第五截止阀、第六截止阀，其中：第一取样探头通过取样管线探入标定容器中，在标定高温粒径谱仪时使用，第二取样探头穿过管壁；

所述的采样机构的采样功能通过的第二取样探头实现，第二取样探头探入容器内部后直接抽取待测气溶胶，待测气溶胶在第二取样探头中完成定温降压过程；通过与之相连的管道将待测气溶胶通入高温粒径谱仪中进行测量，高温粒径谱仪前设有第七截止阀，用于控制待测气溶胶的进入；

所述的废气收集装置包括：第三止回阀、第四止回阀、第二真空泵以及废气收集箱，其中：废气收集箱通过第三止回阀和第二真空泵与流量控制装置的输出端相连，流量控制装置与废气收集箱之间进一步设有第四止回阀，在低压条件下第四止回阀关闭，第三止回阀、第二真空泵开启；在高压条件下第四止回阀开启，第二止回阀、第二真空泵关闭；

所述的标定气溶胶吹入装置通过管道与所述的标定容器的气溶胶进口相连，包括：用于提供标定气体中除水蒸气外的其他气体的高压瓶、用于控制高压瓶的开启、关闭的第一截止阀、用于生成一定量的粒径分布已知的标准气溶胶颗粒的标准气溶胶发生器、用于控制标准气溶胶通入标定容器的开启、关闭的第四截止阀以及用于记录通入到标定容器的气体量的第一气体流量计，其中：高压瓶将标准气溶胶发生器生成的标准气溶胶吹入标定容器内，第一截止阀位于高压瓶、标准气溶胶发生器之间的管道上，第四截止阀位于气溶胶进口附近的管道上；

所述的标定功能，具体通过以下方式实现：

1)打开第二截止阀、蒸汽发生器，生成高温高压蒸汽；

2)打开第三截止阀，向标定容器中通入适量的高温高压水蒸气，对标定容器进行预热，使所述的标定容器的壁面温度在-摄氏度之间；

3)关闭第三截止阀，打开第一截止阀、第四截止阀，向标定容器中通入粒径分布已知的气溶胶颗粒；

4)关闭第一截止阀、第四截止阀，停止通入气溶胶颗粒；

5)打开第三截止阀，继续向标定容器中通入高温高压蒸汽，对标定容器进行升温升压；

6)待标定回路上的压力测量装置测得的压力值略大于标定压力，关闭第二截止阀、第三截止阀，停止通气；

7)打开电动泄压阀，微调压力容器内的压力至标定压力；

8)打开第五截止阀、第八截止阀，采用气溶胶离线测量系统对标定容器内的标定气溶胶抽取，对标定容器内的气溶胶的粒径分布进行测量；

9)关闭第八截止阀，打开第七截止阀，采用气溶胶在线测量系统对标定容器内的标定气溶胶抽取相同时间，对标定容器内的气溶胶的粒径分布进行测量；

10)对比步骤8和步骤9的测量结果以及标准气溶胶的粒径，完成对高温气溶胶粒径谱仪的标定。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的标定容器为耐高温高压的压力容器，该压力容器上设有气溶胶进口、水蒸气进口、泄压口、取样口、安全阀口、排水管、用于测量标定容器内的温度的温度测量装置，其中：气溶胶进口、泄压口、安全阀口位于标定容器顶部，取样口位于标定容器中部，排水管、水蒸气进口位于标定容器底部，排水管线上设有控制排水开关的阀门，温度测量装置位于标定容器管壁附近。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的标定容器压力微调装置包括：用于测量标定容器内的压力的压力测量装置、压力控制装置、用于微调标定容器内压力时控制标定容器向外排出气体量的电动泄压阀、用于过滤排放气体中的固体颗粒防止高速固体颗粒对电动泄压阀造成磨损的气溶胶过滤装置，其中：压力测量装置位于标定容器内将压力信号传递给压力控制装置，电动泄压阀位于与泄压口相连的管道上，压力控制装置通过接收、判断压力测量装置传来的压力信号控制电动泄压阀的开启幅度，气溶胶过滤装置位于电动泄压阀与泄压口之间的管道上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的温度控制装置包括：电加热丝、保温棉、用于测量管道内气体的温度的温度计、调节器、电力控制器，其中：温度计设置于通气管道内部靠近壁面处将温度信号通过线路传递给调节器；调节器通过线路控制电力控制器，调节电流，进而调节所述的电加热丝的发热功率，进而实现管道的加热及温度控制。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的流量控制装置包括：流量计、调节阀和反馈调节装置，其中：流量计分别与高温粒径谱仪的输出端、反馈调节装置的输入端以及调节阀相连，调节阀的输出端通向所述的废气收集装置，反馈调节装置通过获取来自流量计的波动变化信息来控制调节阀的开度，通过调节阀的开度可以有效的调节并稳定第一采样探头、第二采样探头的抽取气溶胶的流量，进而使抽取气溶胶流量固定。

6.一种基于上述任一权利要求所述在线测量装置中气溶胶在线测量系统的控制方法，其特征在于，包括低压控制和高压控制：

高压控制是指：当压力容器内的压力较高时，第四止回阀开启，第二止回阀、第二真空泵关闭，通过调整调节阀的开度，调节取样管线中的压力，通过管道与容器内的压力差抽取容器内的气溶胶气体，抽样气溶胶在采样探头处实现等温降压，降压后的气溶胶气体通过受温度控制装置控制壁面温度的取样管线进入高温粒径谱仪进行粒径分布及浓度的测量，测量后的气溶胶被流量计测得流量，并将流量信号传递给反馈调节装置，进而判断气体流量是否在预定范围之内，发出调控信号控制调节阀的开度，进而保证气体流量的稳定，通过流量控制装置的气体排入废气收集箱；

低压控制是指：当压力容器内的压力较低时，第四止回阀关闭，第三止回阀、第二真空泵开启，在管道内提供负压，抽取待测气溶胶，待测气体流量通过流量计和第二真空泵之间的配合进行控制，控制取样流量的稳定，温度控制装置控制从壁面到真空泵之间的所有管道的温度的稳定，补偿温度损失，用以防止整个测量过程中水蒸汽冷凝。

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