CN113720659A - 核电厂严重事故下安全壳内氢气浓度监测用气体取样过滤装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种核电厂严重事故下安全壳内氢气浓度监测用气体取样过滤装置，主要包括气溶胶过滤段、流量控制单元、气态碘过滤段和锥形出口段。取样过滤装置各部件采用由高压向低压、先过滤固体类放射性气溶胶，再去除放射性气体的运行策略。本发明提出的气体取样过滤装置能够在高温、高湿、高压和强辐照环境下稳定可靠运行，确保对采样气体中的放射性物质高效过滤，与此同时能够根据取样环境压力变化进行流量调节，满足下游氢气浓度分析系统的采样气体流量要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种核电厂严重事故下安全壳内氢气浓度监测用气体取样过滤装置，主要用于核电站发生严重事故时，在氢气浓度监测取样过程中对样品气体中的放射性气溶胶和气态碘进行高效过滤，同时根据上游环境压力的变化进行流量调节，满足氢气浓度分析仪的测量需求，该装置具有耐温、耐湿、耐辐照等优点，并且工作可靠性高，能够有效防止取样过程中放射性物质外泄。
背景技术
当核电厂发生严重事故后，燃料包壳内的放射性气溶胶、单质碘和有机碘等大量的放射性物质会释放到安全壳气空间，此外，高温条件下锆合金包壳还可能会与冷却剂发生锆-水反应产生氢气，并连同冷却剂一同进入安全壳，当氢气浓度超过一定限值后就有可能发生爆炸，严重威胁安全壳的完整性。2011年3月11日，日本福岛第一核电厂发生核事故，事故中氢气爆炸导致1-4号机组反应堆厂房损坏，其中2号机组安全壳发生损坏，导致放射性直接向环境泄漏。
严重事故条件下对安全壳内氢气浓度的有效监测是防氢爆设计中的一项重要措施。在事故情况下，通过氢气测量系统，可以了解安全壳内氢气浓度及其分布情况，进而为采用应对措施和应急计划提供重要信息。目前氢气浓度监测系统主要分为两类：一类是将氢气浓度测量仪表布置在安全壳内，利用数据传输装置将数据传递到主控制室和应急控制中心，这类方法的难点在于氢气测量装置的设计和制造需要满足事故环境条件下高温、高湿和强辐照等严苛要求，特别是对于电子元器件的耐辐照特性带来了巨大挑战；另一类是将安全壳内气体引出到安全壳外，然后利用壳外的测量装置进行分析处理，这类方法规避了测量仪器的辐照损坏风险，但是需要采用可靠的过滤装置对取样气体中的放射性物质进行预过滤，确保样品气体中的放射性物质被包络在安全壳物理边界之内。
自本世纪初开始对核电站用的气体取样装置、系统有所研究。赵立宏等人提出了采用单片机进行智能控制的方式，对取样流量进行控制，同时智能更换用于过滤固体颗粒的滤纸，但这种方式无法保证电子元件在高温、高湿、高放射性环境下正常工作的可靠性，且滤纸的承载能力有限，更换次数频繁，无法应对长时间连续取样的情况。李锦等人发明了核电厂烟囱中放射性惰性气体取样装置，专利号CN201420370020.3，该装置采用气体增压泵、压力表、质量流量控制器、真空泵、阀门等多设备串联方式进行取样，但是该装置无法去除气体中可能含有的放射性物质，且无法适用于高温高湿环境。张军平等人发明了一种可用于压水堆核电站事故后的核取样系统，专利号CN201910294508.X，该系统采用喷射器的引射原理对气体进行取样。该系统缺少对放射性气溶胶、甲基碘、气态单质碘的过滤去除装置，同时将放射性引入安全壳外，增加了放射性外泄的风险，此外该系统管线复杂，安装布置困难。杜杰等人发明了一种用于核电站安全壳内氢气浓度的快速分析装置及方法，专利号CN201810637068.9，该装置的气体取样部分由并联的第一和第二两条进气支路组成。第一进气支路与核电站安全壳连接并伸入安全壳内，第二进气支路连接有标准气罐，第一进气支路与第二进气支路的另一端与氢气浓度测量装置连通。该装置无法对所取样品气体中的放射性气溶胶、甲基碘、气态单质碘进行过滤去除，且将放射性引入安全壳外，增加了放射性外泄的风险。此外该装置采用两级降压的方式，将高压气体转为适用于测量仪器的低压气体，整体装置复杂，体积大，管路繁多。由此可见，现有核电站用的气体取样装置，尚无法同时满足采样气体流量调节、放射性物质过滤以及气体减压的要求，还需要开发专门的核电站严重事故下的氢气浓度监测用气体取样过滤装置。
发明内容
本发明的目的是能够为核电站严重事故下安全壳内氢气浓度取样监测提供放射性物质过滤，并且能够根据取样环境压力变化进行流量控制和调节，取样过滤装置具有稳定的高过滤效率、长时间连续取样工作能力，过滤设备体积小、重量轻，便于工程安装。
本发明的目的是这样实现的：由下至上包括密封连接的气溶胶过滤段、流量控制单元、气态碘过滤段和锥形出口段(1.4)，气溶胶过滤段包括入口筒体段(1.11)、纤维固定段(1.12)、气体预处理纤维(1.13)和精密纤维(1.14)，入口筒体段(1.11)与纤维固定段(1.12)通过凹凸配合，采用焊接方式进行固定连接，入口筒体段(1.11)采用三级台阶式设计，气体预处理纤维(1.13)和精密纤维(1.14)按规律进行多层堆叠；流量控制单元(1.2)包括限流孔板(1.21)、小型单向阀(1.22)和气腔筒体(1.23)，小型单向阀(1.22)与限流孔板(1.21)、限流孔板(1.21)与纤维固定段(1.12)内的凸台均采用焊接方式进行固定连接，气态碘过滤段包括X型载银沸石(1.31)、圆柱筒体(1.32)、固定硬质丝网(1.33)、压紧硬质丝网(1.34)、支撑杆(1.35)，固定硬质丝网(1.33)固定在气腔筒体(1.23)的凸台上，支撑杆(1.35)固定在固定硬质丝网(1.33)的中心，并穿过压紧硬质丝网(1.34)；X型载银沸石(1.31)填充于两丝网之间，并通过螺纹预紧力实现密封和固定，锥形出口段(1.4)的流通截面逐渐收缩设计。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.限流孔板(1.21)上的孔径大小、孔的数量及分布方式决定取样流量的大小以及气腔内的流场分布，同时使流经限流孔板(1.21)的气体的物性参数满足下游高效过滤的要求。
2.X型载银沸石(1.31)的填充厚度不仅满足过滤效率，同时兼顾装置的整体质量最小化的要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对核电厂严重事故下安全壳内氢气浓度监测需求，提出一种气体取样过滤一体式装置，取样过滤装置各部件采用由高压向低压、先过滤固体类放射性气溶胶，再去除放射性气体的运行策略。本发明提出的气体取样过滤装置能够在高温、高湿、高压和强辐照环境下稳定可靠运行，确保对采样气体中的放射性物质高效过滤，与此同时能够根据取样环境压力变化进行流量调节，满足下游氢气浓度分析系统的采样气体流量要求。
本发明体积小、重量轻，便于安装及更换，通过合理的结构设计优化，实现了在气体取样过程中对放射性气溶胶及气态碘的高效去除。通过结构设计，实现了装置的气体反吹功能，提高了装置单次取样时长及使用寿命。
附图说明
图1为核电站严重事故下安全壳内气体过滤取样一体式装置整体结构图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
图1所示为核电站严重事故下安全壳内气体过滤取样一体式装置整体结构图，装置从下往上，分别为气溶胶过滤段、流量控制单元、气态碘过滤段和锥形出口段(1.4)。各部分采用从高压向低压的串联连接方式。
气溶胶过滤段由入口筒体段(1.11)，纤维固定段(1.12)、气体预处理纤维(1.13)和精密纤维(1.14)组成，各部分之间通过焊接的方式进行连接固定，同时保证了连接部位的密封性。入口筒体段(1.11)与纤维固定段(1.12)通过凹凸配合，采用焊接方式进行固定连接，确保密封性。入口筒体段(1.11)采用三级台阶式设计，用于定位和压紧纤维，确保过滤的可靠性。采用不用规格的气体预处理纤维(1.13)和精密纤维(1.14)按一定规律进行多层堆叠，用于过滤不同粒径的液滴和气溶胶。入口筒体段(1.11)采用三级台阶式设计，用于气体预处理纤维(1.13)和精密纤维(1.14)的放置和定位，每一级台阶高度及纤维固定段(1.12)伸入长度为优化设计后的特定值，一方面避免了因纤维太厚导致的流动阻力太大，另一方面避免了因纤维太薄导致对液滴及气溶胶的低过滤效率。通过对气体流通通道直径的设计，一方面保证了足够的取样流量，同时限制了取样气体的流速，避免高速气流致使纤维破损，另一方面尽可能的增大了纤维的截面积，增加了纤维对液滴和气溶胶的承载能力，增长了整体装置的单次取样持续时间。纤维固定段(1.12)内部下游有一圈环形凸台，用于定位和固定限流孔板(1.21)。气体预处理纤维(1.13)和精密纤维(1.14)采用多级过滤设计，由不同丝径、孔隙率的多种纤维按特定的顺序组合而成，自气体来流方向，按从大粒径到小粒径依次对气体中的液滴和气溶胶进行过滤。一方面扩大了可过滤液滴和气溶胶的尺寸范围，避免含气溶胶的液滴堵塞精密纤维(1.14)，同时提高了对气溶胶的过滤精度及过滤效率，另一方面，为气流反吹功能的实现提供了条件，有利于在反吹气流的条件下，气溶胶从多级纤维中顺利脱落,避免了反吹过程中气溶胶堵塞纤维，提高了装置的使用寿命。
流量控制单元由限流孔板(1.21)、小型单向阀(1.22)和气腔筒体(1.23)组成。小型单向阀(1.22)与限流孔板(1.21)，限流孔板(1.21)与纤维固定段(1.12)内的凸台均采用焊接方式进行固定连接。限流孔板(1.21)上的孔径大小、孔的数量及分布方式决定了取样流量的大小以及气腔内的流场分布，同时使流经限流孔板(1.21)的气体的物性参数满足下游高效过滤的要求。
限流孔板(1.21)上的孔的大小、数量及位置分布经优化设计，能够保证上游气流在孔板处形成临界流动，使得在下游取样环境压力改变或者波动时，尽可能减小对取样流量的影响。在孔板处的节流效应降低了气体压力，一方面满足下游测量仪器正常工作时对气体压力的要求，另一方面也能够使取样气体处于特定过热度的过热状态，以满足下游气态碘过滤段(1.3)对于取样气体热工参数的要求。用于气流反吹的特定孔径能够满足反吹流量的要求，同时对反吹流速做出限制，避免因反吹气流流速过快导致的纤维的破损。气腔筒体(1.23)的长度及内径为特定尺寸，一方面要保证能够容纳小型单向阀(1.22)，同时能使流入筒内的气流充分发展，让流入下游的气体均匀、稳定，且保证特定的气体流速，为气态碘过滤段(1.3)的高效过滤提供条件，另一方面尽量减小气腔筒体(1.23)的尺寸，以降低装置整体的尺寸，减小装置的重量。气腔筒体(1.23)内下游有一圈凸台用于固定硬质丝网(1.33)的定位及放置。
气态碘过滤段由X型载银沸石(1.31)、圆柱筒体(1.32)、固定硬质丝网(1.33)、压紧硬质丝网(1.34)、支撑杆(1.35)组成。固定硬质丝网(1.33)固定在气腔筒体(1.23)的凸台上，支撑杆(1.35)固定在固定硬质丝网(1.33)的中心，并穿过压紧硬质丝网(1.34)。X型载银沸石(1.31)填充于两丝网之间，并通过螺纹预紧力实现密封和固定。X型载银沸石(1.31)的填充厚度不仅满足过滤效率，同时兼顾装置的整体质量最小化的要求。
X型载银沸石(1.31)的载银率、粒径以及床层厚度的优化选择，一方面满足对放射性气态碘吸附效率的要求，一方面尽量减小气体流动阻力，同时尽量减少沸石的总质量，降低装置成本，使装置更加轻量化。固定硬质丝网(1.33)、压紧硬质丝网(1.34)及支撑杆(1.35)通过组合装配，将X型载银沸石(1.31)压紧、定位。同时，丝网的孔隙率在保证能够阻拦沸石颗粒的同时使流动阻力最小。
锥形出口段(1.4)的流通截面逐渐收缩设计，为特定尺寸的结构设计，一方面使取样气体进入下游设备过程中的流动阻力，同时使反吹气流形成临界流动，起到降压、减速，同时使气体过热的作用。该结构采用优化设计的孔口尺寸、锥角及整体长度。通过对锥角及整体长度的设计，使得取样气体经过一渐变截面积的通道流入下游，降低了气流在不同装置间流动的流动阻力，同时，采用尽可能小的整体长度，降低了装置整体的尺寸和质量，使装置更加便携，降低安装难度。通过对孔口尺寸进行设计，使反吹气流流经孔口时为临界流动，以限制反吹气体流量，防止反吹流量过大，对装置内的部件造成冲击损坏。同时，反吹气流进入锥形出口段(1.4)时，是一个扩压减速的过程，气流会达到一定的过热度，降低了反吹气流的相对湿度，确保反吹气流流经气态碘过滤段(1.3)时X型载沸石(1.31)的干燥程度，保证了X型载沸石(1.31)物理和化学性质，确保了对有毒有害气体的过滤吸收效率。
Claims (3)
1.核电厂严重事故下安全壳内氢气浓度监测用气体取样过滤装置，其特征在于：由下至上包括密封连接的气溶胶过滤段、流量控制单元、气态碘过滤段和锥形出口段(1.4)，气溶胶过滤段包括入口筒体段(1.11)、纤维固定段(1.12)、气体预处理纤维(1.13)和精密纤维(1.14)，入口筒体段(1.11)与纤维固定段(1.12)通过凹凸配合，采用焊接方式进行固定连接，入口筒体段(1.11)采用三级台阶式设计，气体预处理纤维(1.13)和精密纤维(1.14)按规律进行多层堆叠；流量控制单元(1.2)包括限流孔板(1.21)、小型单向阀(1.22)和气腔筒体(1.23)，小型单向阀(1.22)与限流孔板(1.21)、限流孔板(1.21)与纤维固定段(1.12)内的凸台均采用焊接方式进行固定连接，气态碘过滤段包括X型载银沸石(1.31)、圆柱筒体(1.32)、固定硬质丝网(1.33)、压紧硬质丝网(1.34)、支撑杆(1.35)，固定硬质丝网(1.33)固定在气腔筒体(1.23)的凸台上，支撑杆(1.35)固定在固定硬质丝网(1.33)的中心，并穿过压紧硬质丝网(1.34)；X型载银沸石(1.31)填充于两丝网之间，并通过螺纹预紧力实现密封和固定，锥形出口段(1.4)的流通截面逐渐收缩设计。
2.根据权利要求1所述的核电厂严重事故下安全壳内氢气浓度监测用气体取样过滤装置，其特征在于：限流孔板(1.21)上的孔径大小、孔的数量及分布方式决定取样流量的大小以及气腔内的流场分布，同时使流经限流孔板(1.21)的气体的物性参数满足下游高效过滤的要求。
3.根据权利要求1或2所述的核电厂严重事故下安全壳内氢气浓度监测用气体取样过滤装置，其特征在于：X型载银沸石(1.31)的填充厚度不仅满足过滤效率，同时兼顾装置的整体质量最小化的要求。
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| CN202110984372.2A Pending CN113720659A (zh) | 2021-08-25 | 2021-08-25 | 核电厂严重事故下安全壳内氢气浓度监测用气体取样过滤装置 |
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2021
- 2021-08-25 CN CN202110984372.2A patent/CN113720659A/zh active Pending
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