CN111238913A - 一种含水蒸汽的多元气体组分配置装置及配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含水蒸汽的多元气体组分配置装置，包括混合气体配置容器、至少两个纯气体配置容器、压力调节系统、湿度调节系统、注水系统，所述的纯气体配置容器分别与对应的纯气体供应系统连接，纯气体配置容器均接入混合气体配置容器，按照目标样气的组分配置要求，通过专门设计的操作方式将所需量的纯气体送入混合气体配置容器，所述混合气体配置容器分别连接所述压力调节系统和湿度调节系统，混合气体配置容器设有加热器，通过加热器、压力调节系统和湿度调节系统获得所需温度、压力、湿度的目标样气，以满足后续的应用。

Description

一种含水蒸汽的多元气体组分配置装置及配置方法

技术领域

本发明涉及标准气体配置技术，具体涉及一种含水蒸汽的多元气体组分配置装置及配置方法。

背景技术

核电站发生严重事故时，堆芯出现大面积熔化，此时锆金属材质的燃料包壳与水或水蒸气发生锆-水反应，产生大量氢气，氢气进入安全壳后，可能会在隔间内部或安全壳自由空间顶部聚集，当浓度升高到一定数值后，可能发生燃爆，给安全壳施加较高的压力脉冲或热冲击，甚至造成安全壳完整性的丧失，进而造成放射性物质的大规模释放。1979年3月28日，位于美国宾夕法尼亚州哈里斯堡附近的三哩岛核电站2号机组(TMI-2)发生核事故的第二天，该机组安全壳内就发生了剧烈的氢气燃烧，燃烧产生的压力峰值大约为2.8bar，好在压力峰值仅仅持续不到几秒钟。事实上，这次燃烧的约350kg的氢气是整个事故期间唯一的一次严重压力负荷。幸运的是，三哩岛2号机组安全壳经受住了该负荷，未对环境造成重大影响，但引发了有关氢气燃烧的大量研究，即在假想的核电厂严重事故期间研究如何阻止和缓解氢气燃烧。

福岛核电事故后，核安全局组织了对在建和在役核电厂的大检查，随后发布了相应的改进要求。改进要求中明确了要控制严重事故下安全壳内氢气燃烧/燃爆的风险，而严重事故下安全壳内氢气浓度的测量是进行氢气风险控制的前提条件。福岛后投运的电厂根据核安全局的要求均加装了严重事故后安全壳内氢气测量系统。

严重事故工况下，安全壳内的气体组分主要是水蒸汽、空气和氢气，其中水蒸汽的存在会大大抑制氢气的燃烧和燃爆，因此，针对严重事故后安全壳内氢气测量的系统，通常要进行水蒸汽浓度的修正(即通过其他手段获得水蒸汽的浓度)，为此，针对这类仪表的鉴定，需要用到包含一定浓度水蒸汽的混合样气。

目前，常规气体组分测量仪表的鉴定通常采用不包含水蒸汽的标准样气(即组份、浓度已知的混合气体)，因此，针对严重事故后安全壳内氢气测量系统的鉴定，需要具备能够提供一定浓度配比、包含水蒸汽的混合样气配置装置。

考虑到常压下，液态水在汽化时，体积会发生1000倍左右的变化，通过向其他气体中添加适量的液态水，然后加热至所需温度的手段，对液态水质量测量装置的精度要求太高，不易实现。而且，为了鉴定氢气测量系统的精度，通常需要将样气先送入质谱仪或色谱仪中进行测量，测量值作为基准数据，但无论是质谱仪还是色谱仪，均比较昂贵，后期的维护成本也较高。

发明内容

本发明的目的在于针对核电站安全壳内氢气测量系统鉴定的需要，提供一种含水蒸汽的多元气体组分配置装置及配置方法，通过特殊的操作流程获得精确的、一定温度、压力、湿度和气体组分的混合样气。

本发明的技术方案如下：一种含水蒸汽的多元气体组分配置装置，包括混合气体配置容器、至少两个纯气体配置容器、压力调节系统、湿度调节系统、注水系统，所述的纯气体配置容器分别与对应的纯气体供应系统连接，纯气体配置容器均接入混合气体配置容器，按照目标样气的组分配置要求将所需量的纯气体送入混合气体配置容器，所述混合气体配置容器分别连接所述压力调节系统和湿度调节系统，混合气体配置容器设有加热器，通过加热器、压力调节系统和湿度调节系统获得所需温度、压力、湿度的目标样气。

进一步，如上所述的含水蒸汽的多元气体组分配置装置，其中，所述纯气体配置容器底部设有注水阀和泄放阀，上部连接对应的纯气体供应系统，连接管线上设置有高精度调节阀和防反冲阀，顶部设有可与大气连通的平衡阀，通过注入阀与混合气体配置容器连接。

进一步，如上所述的含水蒸汽的多元气体组分配置装置，其中，所述混合气体配置容器底部设有注水阀和泄放阀，中部与各个纯气体配置容器连接，顶部通过喷淋阀和防反冲阀与压力调节系统连接，通过隔离阀与湿度调节系统连接，混合气体配置容器外部包覆有保温层，底部设置所述加热器。

进一步，如上所述的含水蒸汽的多元气体组分配置装置，其中，所述纯气体配置容器和混合气体配置容器的结构尺寸一致，均配有温度、压力和液位的测量仪表；具体来说，所述纯气体配置容器和混合气体配置容器的外形均存在一定高度的横截面不变的中段，中段底部为容积零点。

进一步，如上所述的含水蒸汽的多元气体组分配置装置，其中，所述湿度调节系统包括提温箱和真空泵，两者通过隔离阀连接，所述提温箱设有电加热装置和温度测量装置，外部设有保温材料，通过调压阀与样气使用场所连接。

进一步，如上所述的含水蒸汽的多元气体组分配置装置，其中，所述压力调节系统包括冷却水箱、喷淋泵和水温调节装置，喷淋泵出口通过回流阀与外部设有保温材料的所述冷却水箱连接。

一种采用上述装置的含水蒸汽的多元气体组分配置方法，包括如下步骤：

(a)根据目标样气的配置要求换算中间样气参数，配置相对湿度为1的、与目标样气相同总绝压、相同体积分数配比的混合气体；

(b)将配置好的混合气体引入湿度调节系统，加热至目标温度，使相对湿度符合目标样气要求，再通过调压阀按照指定压力将样气输送至样气使用场所。

进一步，如上所述的含水蒸汽的多元气体组分配置方法，步骤(a)的具体方法如下：

(a-1)根据目标样气的组分配置要求，计算所需纯气体的量和纯气体的参数(温度、压力、体积)；

(a-2)对混合气体配置容器和纯气体配置容器进行充水，使之均处于水实体状态；

(a-3)按照各自的计算量将各种纯气体分别充入对应的纯气体配置容器，充气过程中打开纯气体配置容器的泄放阀放水；

(a-4)打开纯气体配置容器与混合气体配置容器之间的阀门，分别向各纯气体配置容器充水，使其重新处于水实体状态，从而将各种纯气体依次送入混合气体配置容器，送气过程中打开混合气体配置容器的泄放阀放水；

(a-5)通过控制混合气体配置容器的温度和压力，并保持混合气体配置容器的液位处于容积零点位置，完成混合气体的配置。

进一步，如上所述的含水蒸汽的多元气体组分配置方法，步骤(b)的具体方法如下：

(b-1)利用真空泵将湿度调节系统的提温箱抽成真空，启动提温箱的加热装置，将壁面温度稳定在混合气体温度；

(b-2)将配置好的混合气体引入提温箱中，压力达到目标样气总绝压后，关闭阀门；

(b-3)通过提温箱的加热装置将内部混合气体的温度稳定在目标温度后，将混合气体释放至样气使用场所。

本发明的有益效果如下：(1)本发明提供的含水蒸汽的多元气体组分配置装置，通过高精度机加工工艺制造尺寸一致、外形存在一定高度的横截面不变中段的纯气体配置容器和混合气体配置容器，并配有高精度液位测量装置，以便于精确的控制气体的量；(2)通过特殊设计的操作流程，不引入复杂设备的情况下，利用水的饱和蒸汽压特性精确的配置中间样气；(3)通过特殊设计的湿度控制系统，配置将中间样气调节至所需湿度、温度和压力，以便于获得指定压力、温度、湿度和气体成分体积分数的混合样气；(4)系统经过标定后，可直接提供成分精确的、包含水蒸气的混合样气，用于相关仪表的鉴定，不再需要其他设备提供鉴定的基准数据。

附图说明

图1为本发明具体实施例中三元气体组分配置装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供了一种含水蒸汽的多元气体组分配置装置，包括混合气体配置容器、至少两个纯气体配置容器、压力调节系统、湿度调节系统，所述的纯气体配置容器分别与对应的纯气体供应系统连接，纯气体配置容器均接入混合气体配置容器，所述纯气体配置容器和混合气体配置容器的结构尺寸一致，均配有温度、压力和液位的测量仪表。按照目标样气的组分配置要求将所需量的纯气体送入混合气体配置容器，所述混合气体配置容器分别连接所述压力调节系统和湿度调节系统，混合气体配置容器设有加热器，通过加热器、压力调节系统和湿度调节系统获得所需温度、压力、湿度的目标样气。本发明所述的纯气体是相对于最终的混合气体而言，并不一定是单一组分的气体，例如空气或其它已配制好的均匀气体。

本发明针对上述装置设计了专门的操作流程，利用水的饱和蒸汽压特性精确的配置中间样气，先通过计算将目标样气换算至相同绝压、较低温度、相对湿度为1的中间样气参数，从而进一步获得要配置中间样气需要在纯气体配置容器充入纯气体的参数，根据计算结果配置相对湿度为1的、与目标样气相同总绝压、相同体积分数配比的混合气体(中间样气)，然后调节混合气体的温度、湿度得到目标样气，具体流程如下：

(1)根据目标样气的组分配置要求，计算所需纯气体的量和纯气体的参数(温度、压力、体积)；

(2)对混合气体配置容器和纯气体配置容器进行充水，使之均处于水实体状态；

(3)按照各自的计算量将各种纯气体分别充入对应的纯气体配置容器，充气过程中打开纯气体配置容器的泄放阀放水；

(4)打开纯气体配置容器与混合气体配置容器之间的阀门，分别向各纯气体配置容器充水，使其重新处于水实体状态，从而将各种纯气体依次送入混合气体配置容器，送气过程中打开混合气体配置容器的泄放阀放水；

(5)通过控制混合气体配置容器的温度和压力，并保持混合气体配置容器的液位处于容积零点位置，完成混合气体的配置；

(6)将配置好的混合气体引入湿度调节系统，加热至目标温度，使相对湿度符合目标样气要求，再通过调压阀按照指定压力将样气输送至样气使用场所。

实施例

本实施例以含水蒸汽的三元气体组分(氢气、水蒸汽和空气)配置为例，对装置的结构和操作流程进行详细的说明。本领域的技术人员应该理解，对于其它多元气体组分的混合气体配置(空气本身就可以视为氧气和氮气的混合气体，如需配置更多元混合气体时，可先将其他不可冷凝气体按照相对容积份额配比混合配置完成，将其视为一种均匀气体，再按照样例步骤进行配置)，其原理和流程与该实施例基本一致，本领域的技术人员完全可以根据具体需要进行推导计算，确定纯气体参数和中间样气参数，从而实现目标样气的配置。

如图1所示，本实施例提供了一种含水蒸汽的三元气体组分配置装置，主要包括混合气体配置容器1、电加热器6、纯气体供应系统4和5、纯气体配置容器2和3、压力调节系统(包括冷却水箱8、喷淋泵7和水温调节装置11)、湿度调节系统(包括提温箱9和真空泵10)和众多用于过程控制的阀门。

纯气体配置容器2、3底部设有注水阀V101、V301和泄放阀V102、V103、V302、V303，上部分别与纯气体供应系统4和5相连，连接管线上设置有高精度调节阀V104、V304和防反冲阀V105、V305，顶部能够通过平衡阀V108、V109和V308、V309实现与大气连通，通过注入阀V106、V107和V306、V307与混合气体配置容器1连通。

混合气体配置容器1底部设有注水阀V201和泄放阀V202、V203，中部与纯气体配置容器2和3通过注入阀V106、V107和V306、V307连通，顶部通过喷淋阀V204和防反冲阀V205与压力调节系统连接，通过隔离阀V208与湿度调节系统连接。混合气体配置容器外部包覆有保温层，底部装有电加热器6。

纯气体配置容器2,3和混合气体配置容器1可以采用不锈钢材质或其他铁基合金材质，耐压不低于2MPa(485K)，且尺寸和外形一致。两种容器均存在一定高度的横截面不变的中段，中段底部为容积零点，以上部分容积经过精确标定与液位示数一一对应，配有高精度温度、压力和液位的测量仪表。

湿度调节系统由提温箱9和真空泵10组成，两者通过隔离阀V210连通。其中，提温箱9为不锈钢材质或其他铁基合金材质，耐压不低于2MPa(485K)，壁面缠有电加热丝(功率10-300W)，且功率可根据内部的温度测量装置示数进行调节，外部包有保温材料，通过调压阀V209与样气使用场所连通；真空泵10的真空度不低于90kPa。

压力调节系统由冷却水箱8、喷淋泵7和水温调节装置11组成。其中，喷淋泵7出口通过回流阀V206与冷却水箱8连通，冷却水箱8外部包有保温材料，底部布置有水温调节装置11(功率100-1000W)，其功率可根据内部的温度测量装置示数进行调节。水温调节装置11可以通过加热把冷却水箱8内的水体温度提高，在面对只需进行微小的压力调整，但冷却水箱中水温较冷的情况时，能够减少系统波动，使压力调节更加平顺。

采用以上装置，通过特殊设计的配气操作流程可获得指定压力、温度、湿度和某气体成分体积分数的混合气体。以氢气、水蒸汽和空气的混合气体为例，若目标样气参数为130℃、总绝压0.675MPa、相对湿度0.5、氢气体积分数10％，配气操作流程如下：

参数说明：

注：P_Steam-α_Air8个参数均为混合气体配置容器中的气体参数；V-T_Air,17个参数为纯气体配置容器中的气体参数；n_Steam-n_Air3个参数为过程不变量。

a)配置相对湿度为1的、相同总绝压、相同体积分数配比的混合气体，即108.2℃、总绝压0.675MPa、相对湿度1、氢气体积分数10％的混合气体；

i.按照如下公式计算所需氢气和空气的量；

P_Air，2V＝n_AirR₀T₂

式中P_Steam、

和P_Air,2分别为最终状态下混合气各组份的分压，P₂为目标样气总绝压，Pa；

α_Air、α_Steam为三种气体的体积分数；V为气体配置空间(即纯气体配置容器2,3的容积零点以上空间)容积，m3；n_Steam、

和n_Air分别为混合气体各组份的物质的量，mol；R₀为普适气体常数；T₂为中间样气温度，K。于是有：

混合前纯气体状态：

P_Air，1V_Air，1＝n_AirR₀T_Air，1

于是有

或

或

式中T₂＝381.15K，P_Steam＝P_sat(T₂)＝0.135MPa，

α_Steam＝20％，α_Air＝70％，目标样气总绝压为P₂＝0.675MPa。

若

(即充入常温气体，25℃)：

如果选择充入常压氢气，即

于是有

如果选择充入常压空气，即P_Air,1＝0.1MPa，于是有V_Air,1＝3.69V，大于容器配气容积，故选择充满高压空气，即V_Air,1＝V，于是有P_Air,1≈0.37MPa。

ii.系统充水排气，打开阀门V101、V106、V301、V306以及纯气体配置容器2,3和混合气体配置容器1的排气阀，通过注水系统向纯气体配置容器2,3内部进行充水至3个配气容器均处于水实体状态，关闭所有开启的阀门；

iii.空气配置，打开阀门V103和V104，向空气配置容器2注入常温(可通过注入后静置一段时间获得常温)空气，至其液位下降至容积零点位置，关闭阀门V103，继续充入空气，直至容器内压力达到0.37MPa，关闭阀门V104；

iv.氢气配置，打开阀门V303和V304，向氢气配置容器3注入常温(可通过注入后静置一段时间获得常温)、常压(可通过开启阀门V309获得常压)氢气，至其液位下降至所需位置(该工况为配气容积0.53V位置)，关闭阀门V303和V304；

v.氢气归集，打开阀门V203、V306和V301，通过注水系统向氢气配置容器3内部进行充水，直至其重新处于水实体状态。期间观察混合气体配置容器1的液位，若先降至容积零点位置，则关闭阀门V203，待氢气配置容器3内部为水实体状态时，关闭阀门V306和V301；若氢气配置容器3内部先成为水实体，则关闭阀门V203、V306和V301；

vi.空气归集，若混合气体配置容器1液位已到达容积零点位置，打开阀门V106和V101，通过注水系统向空气配置容器2内部进行充水，直至其重新处于水实体状态；若混合气体配置容器1液位未到达容积零点位置，打开阀门V203、V106和V101通过注水系统向空气配置容器2内部进行充水，直至其重新处于水实体状态，期间，若混合气体配置容器1液位先降至容积零点位置，则关闭阀门V203，待空气配置容器2内部为水实体状态时，关闭阀门V106和V101；若空气配置容器2内部先成为水实体状态，则关闭阀门V203、V106和V101；

vii.混合气体配置，缓慢增加电加热器6功率，期间保持混合气体配置容器1液位处于容积零点位置(液位过高时，可通过打开阀门V203进行泄放；液位过低时，可打开阀门V201，通过注水系统进行充水)，混合气体配置容器1压力过高时，可开启阀门V204，通过压力调节系统的喷淋泵7向容器内注入过冷水，直至混合气体配置容器1配气空间内混合气体温度稳定在108.2℃、压力稳定在0.675MPa时，表明混合气体配置完成(若目标样气相对湿度为1，则可直接通过打开阀门V207释放至样气使用场所)。

b)将配置好的混合气体引入湿度调节系统，加热至目标温度，再通过调压阀V209按照指定压力将样气输送至样气使用场所：

i.提温箱9排空，利用真空泵10将提温箱9抽成真空，启动提温箱9的加热装置，将壁面温度稳定在混合气体温度，即108.2℃；

ii.混合气体转移，开启阀门V208，将配置好的混合气体引入提温箱9中(由于提温箱的体积相对混合气体配置容器配气空间较小，压力变化不明显，或者略微提高混合气体配置容器液位，该液位可实现通过容积测试标定，保证混合气体占据的体积不变)，压力达到0.675MPa后，关闭阀门V208；

iii.混合气体提温，缓慢增加提温箱9加热装置的功率，直至内部混合气体温度稳定在目标温度(本例中为130℃)后，可通过开启调压阀V209(出口压力预选设为目标压力，即0.675MPa)释放至样气使用场所。由于提温箱中导入的是按照计算配置好的中间样气，气体参数除了温度和相对湿度外，均已满足目标样气要求，通过增加温度至目标值，相对湿度会自动满足目标样气要求，此时混合气体的压力会有所升高，但组分配比不会发生变化，经过调压阀(设定值与目标样气所需压力一致)释放后，即与目标样气一致。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种含水蒸汽的多元气体组分配置装置，其特征在于：包括混合气体配置容器(1)、至少两个纯气体配置容器(2、3)、压力调节系统、湿度调节系统、注水系统，所述的纯气体配置容器(2、3)分别与对应的纯气体供应系统(4、5)连接，纯气体配置容器(2、3)均接入混合气体配置容器(1)，按照目标样气的组分配置要求将所需量的纯气体送入混合气体配置容器(1)，所述混合气体配置容器分别连接所述压力调节系统和湿度调节系统，混合气体配置容器设有加热器(6)，通过加热器、压力调节系统和湿度调节系统获得所需温度、压力、湿度的目标样气。

2.如权利要求1所述的含水蒸汽的多元气体组分配置装置，其特征在于：所述纯气体配置容器(2、3)底部设有注水阀和泄放阀，上部连接对应的纯气体供应系统(4、5)，连接管线上设置有高精度调节阀和防反冲阀，顶部设有可与大气连通的平衡阀，通过注入阀与混合气体配置容器(1)连接。

3.如权利要求1所述的含水蒸汽的多元气体组分配置装置，其特征在于：所述混合气体配置容器(1)底部设有注水阀和泄放阀，中部与各个纯气体配置容器(2、3)连接，顶部通过喷淋阀和防反冲阀与压力调节系统连接，通过隔离阀与湿度调节系统连接，混合气体配置容器(1)外部包覆有保温层，底部设置所述加热器(6)。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的含水蒸汽的多元气体组分配置装置，其特征在于：所述纯气体配置容器(2、3)和混合气体配置容器(1)的结构尺寸一致，均配有温度、压力和液位的测量仪表。

5.如权利要求4所述的含水蒸汽的多元气体组分配置装置，其特征在于：所述纯气体配置容器(2、3)和混合气体配置容器(1)的外形均存在一定高度的横截面不变的中段，中段底部为容积零点。

6.如权利要求1所述的含水蒸汽的多元气体组分配置装置，其特征在于：所述湿度调节系统包括提温箱(9)和真空泵(10)，两者通过隔离阀连接，所述提温箱(9)设有电加热装置和温度测量装置，外部设有保温材料，通过调压阀与样气使用场所连接。

7.如权利要求1所述的含水蒸汽的多元气体组分配置装置，其特征在于：所述压力调节系统包括冷却水箱(8)、喷淋泵(7)和水温调节装置(11)，喷淋泵(7)出口通过回流阀与外部设有保温材料的所述冷却水箱(8)连接。

8.一种采用权利要求1-7中任意一项所述装置的含水蒸汽的多元气体组分配置方法，包括如下步骤：

(a)根据目标样气的配置要求换算中间样气参数，配置相对湿度为1的、与目标样气相同总绝压、相同体积分数配比的混合气体；

(b)将配置好的混合气体引入湿度调节系统，加热至目标温度，使相对湿度符合目标样气要求，再通过调压阀按照指定压力将样气输送至样气使用场所。

9.如权利要求8所述的含水蒸汽的多元气体组分配置方法，其特征在于：步骤(a)的具体方法如下：

(a-1)根据目标样气的组分配置要求，计算所需纯气体的量和纯气体的参数；

(a-2)对混合气体配置容器和纯气体配置容器进行充水，使之均处于水实体状态；

(a-3)按照各自的计算量将各种纯气体分别充入对应的纯气体配置容器，充气过程中打开纯气体配置容器的泄放阀放水；

(a-4)打开纯气体配置容器与混合气体配置容器之间的阀门，分别向各纯气体配置容器充水，使其重新处于水实体状态，从而将各种纯气体依次送入混合气体配置容器，送气过程中打开混合气体配置容器的泄放阀放水；

(a-5)通过控制混合气体配置容器的温度和压力，并保持混合气体配置容器的液位处于容积零点位置，完成混合气体的配置。

10.如权利要求8或9所述的含水蒸汽的多元气体组分配置方法，其特征在于：步骤(b)的具体方法如下：

(b-1)利用真空泵将湿度调节系统的提温箱抽成真空，启动提温箱的加热装置，将壁面温度稳定在混合气体温度；

(b-2)将配置好的混合气体引入提温箱中，压力达到目标样气总绝压后，关闭阀门；

(b-3)通过提温箱的加热装置将内部混合气体的温度稳定在目标温度后，将混合气体释放至样气使用场所。

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