一種安全殼內氫氣濃度測量系統的製作方法
2023-05-30 09:48:36 1
專利名稱：一種安全殼內氫氣濃度測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種安全殼內氫氣濃度測量系統，屬於易燃易爆氣體濃度測量技術領域。
背景技術：
核電廠事故工況下會產生大量氫氣，氫氣的來源1)事故早期，鋯-水反應高速率地產生氫氣。2)事故中後期，水的輻照分解、堆芯融溶物和混凝土的反應，也會產生大量氫氣。大量氫氣的聚集使安全殼內氫氣濃度有超過爆炸限4%的可能，存在爆炸的危險。為避免氫爆燃事故發生，破壞安全殼完整性，需要構建氫氣測量系統對安全殼不同位置的氫氣聚集狀態進行監測，在事故發生後實施有效地幹預。在事故工況下，反應堆放出大量的熱量，安全殼內溫度的升高伴隨著壓力的升高。 如二代和二代加核電廠事故後溫度可達150度，壓力可達6bar。安全殼內的氣體組成是以空氣與水蒸氣為主，含有氫氣及其他氣體的高溫高壓混合性氣體。由於事故工況下安全殼內氣體呈現高溫、高壓、高放射性的特點，因此對於氫氣濃度的測量增加了很大的難度。對於安全殼氫氣濃度，常見的測量方式是將少量的安全殼內氣體作為樣品氣抽出經傳輸管道送到安全殼外，在安全殼外經過氣體預處理後由氫氣傳感器測量氣體中的氫氣濃度，測量過程包括氣體預處理、氣體濃度分析都在安全殼外完成。這種方式國內外都有應用先例。這種方式由於存在對放射性氣體的管路傳輸，存在響應滯後、存在潛在的放射性洩露風險的缺點。同時由於測量管路的限制，一般布置為單點測量。氣體在傳輸過程狀態發生變化，測量結果的準確性受到影響。由於氣體預處理和氣體傳輸管路的存在，系統較複雜，耗能設備多、功耗大。由於抽出式測量系統的上述缺點，特別是日本福島核事故發生後，研製直接布置在安全殼內測量的氫氣傳感器受到廣泛關注。直接測量系統組成簡單，這種方式是傳感器在安全殼內直接測量，輸出一次測量電信號，快速反應氫氣變化，避免滯後。系統只存在電信號的傳輸，沒有氣體抽送到安全殼外，便於在安全殼內不同位置安裝多個氫氣傳感器組成多點連續監測系統。通過傳輸電纜將傳感器一次測量信號輸出到安全殼外，在安全殼外對測量信號進行變送、處理和顯示。目前已應用於核電廠的安全殼殼內監測系統是德國Siemens公司採用熱催化原理的WS-85氫氣探測系統。WS-85採用的氫氣敏感探頭由塗有催化劑的鉬電極和參比電極組成，通過對探頭內鉬電極持續通電，保證在接觸到氫氣和氧氣的混合物時，在鉬電極表面發生高效的催化化合反應，反應熱導致鉬電極電阻變化，電阻變化值是氫氣存在的特徵信號。這一信號被送到惠斯通電橋上完成氫氣濃度的分析。該系統的缺點是(1)為了啟動氫氧高效化合反應，對催化電極需要持續採用外部供電進行加熱，在氫氣濃度較高時是不安全的，因此只能測量低於氫氣爆炸限4%以下的氫氣濃度。(2)氫氣存在的特徵信號是熱敏電阻的阻值變化，但是阻值變化不能被直觀感受，需要通過惠斯登電橋產生電壓來最終進行氫氣濃度的分析。(3)系統組成較為複雜、可靠性較差。
發明內容
本發明的目的在於提供 一種安全殼內氫氣濃度測量系統，所述系統能耗低，組成簡單，能夠安全可靠地實現核電廠事故工況下安全殼內氫氣濃度的連續測量，且測量範圍大。本發明的目的由以下技術方案實現一種安全殼內氫氣濃度測量系統，所述系統包括溫度採集單元、信號處理單元和氫氣濃度顯不單兀；其中，信號處理單兀包括模擬量輸入模塊、CPU模塊和模擬量輸出模塊；溫度採集單元、模擬量輸入模塊、CPU模塊、模擬量輸出模塊和氫氣濃度顯示單元依次相連；所述溫度採集單元位於核電廠安全殼內，信號處理單元和氫氣濃度顯示單元集成在核電廠安全殼外的測量櫃中；溫度採集單元採集核電廠安全殼內的環境溫度和氫氧化合反應溫度，並將溫度的電信號輸出給信號處理單元中的模擬量輸入模塊；模擬量輸入模塊接收來自溫度採集單元的溫度電信號轉化成溫度值，並輸出給CPU模塊；CPU模塊接收來自模擬量輸入模塊的溫度值，先根據式(I)計算氫氧化合反應的溫升值，再根據式(II)計算氫氣濃度,並將氫氣濃度值輸出給模擬量輸出模塊；AT = T2-T1(I)其中，AT為催化反應的溫升值，Tl為環境溫度，T2為氫氧化合反應溫度；
權利要求
1.一種安全殼內氫氣濃度測量系統，其特徵在於所述系統包括溫度採集單元、信號處理單元和氫氣濃度顯示單元；其中，信號處理單元包括模擬量輸入模塊、CPU模塊和模擬量輸出模塊； 溫度採集單元、模擬量輸入模塊、CPU模塊、模擬量輸出模塊和氫氣濃度顯示單元依次相連； 所述溫度採集單元位於核電廠安全殼內，信號處理單元和氫氣濃度顯示單元集成在核電廠安全殼外的測量櫃中； 溫度採集單元採集核電廠安全殼內的環境溫度和氫氧化合反應溫度，並將溫度的電信號輸出給信號處理單元中的模擬量輸入模塊； 模擬量輸入模塊接收來自溫度採集單元的溫度電信號轉化成溫度值，並輸出給CPU模塊； CPU模塊接收來自模擬量輸入模塊的溫度值，先根據式(I)計算氫氧化合反應的溫升值，再根據式(II)計算氫氣濃度，並將氫氣濃度值輸出給模擬量輸出模塊； AT = T2-T1(I) 其中，AT為催化反應的溫升值，Tl為環境溫度，T2為氫氧化合反應溫度；
2.根據權利要求I所述的一種安全殼內氫氣濃度測量系統，其特徵在於所述溫度採集單元通過催化式氫氣傳感器採集核電廠安全殼內的環境溫度和氫氧化合反應溫度，所述催化式氫氣傳感器包括催化反應器(I)、防爆器(2)、防護外筒(3)、第一熱敏感元件(4)、第一卡套(5)、第二卡套(6)、上花板(7)、定位杆(8)、安裝杆(9)、第二熱敏感元件(10)、防護保護過濾層(11)、託板(12)和下花板(13); 其中，催化反應器(I)是一端開口的圓筒結構，開口端帶有外螺紋；防爆器(2)為一端開口的圓筒結構，開口端帶有內螺紋，開口內徑與催化反應器(I)開口端外徑相配合，筒體內徑大於催化反應器(I)的外徑；防護保護過濾層(11)為一端開口的圓筒結構，開口端內徑與防爆器(2)開口端外徑相配合，防護保護過濾層(11)側壁為由內層側壁和外層側壁構成的中間有空隙的雙層結構，內層側壁的內徑大於防爆器(2)的外徑；託板(12)為圓形板，直徑大於防護保護過濾層(11)外層側壁的外徑；防護外筒(3)為兩端開口的圓筒結構；上花板(7)的直徑與防護外筒(3)的外徑相同，下花板(13)的直徑與防護外筒(3)的內徑相同，上花板(7)和下花板(13)上有均勻分布的通孔，用於氣體擴散； 所述催化式氫氣傳感器中各組件的連接關係如下 上花板(7)位於防護外筒(3)上方，上花板(7)底面與防護外筒(3)筒壁頂端固連，下花板(13)位於防護外筒(3)底部內側，並與防護外筒(3)筒壁內側固連；催化反應器(I)裝入防爆器(2)內部，催化反應器(I)開口端與防爆器(2)開口端均朝上、且通過螺紋連接，催化反應器(I)底部與防爆器(2)底部留有間隙；防護保護過濾層(11)套裝在防爆器(2)外部，且開口端朝上，防護保護過濾層(11)頂部與防暴器頂部固連，防護保護過濾層(11)底部位於防爆器(2)底部下方，並與防爆器(2)底部固連，防護保護過濾層(11)內層側壁與防爆器(2)的側壁之間留有空隙；催化反應器(I)、防爆器(2)、防護保護過濾層(11)構成氫氣敏感組件；託板(12)位於氫氣敏感組件下方，與防護保護過濾層(11)底部固連；氫氣敏感組件通過安裝杆(9)固定於防護外筒(3)內，安裝杆(9)有3個，其頂端與上花板(7)固連，底端與託板(12)固連，3個安裝杆(9)均勻分布於氫氣敏感組件的外側； 第一熱敏感元件(4)穿過上花板(7)伸入防護外筒(3)內，底端與防護外筒(3)底部之間留有空隙，上端位於防護外筒(3)外部，並通過第一卡套(5)與上花板(7)固連； 定位杆(8)上端與上花板(7)固連，下端與催化反應器(I)開口中心相對，第二熱敏感元件(10)穿過上花板(7)伸入防護外筒(3)內，並通過定位杆(8)定位，下端伸入催化反應器(I)內，並與催化反應器(I)底部之間留有空隙，上端位於防護外筒(3)外部，並通過第二卡套(6)與上花板(7)固連。
3.根據權利要求2所述的一種安全殼內氫氣濃度測量系統,其特徵在於所述第一熱敏感元件(4)為熱電偶或鉬電阻類測溫元件；第二敏感元件為熱電偶或鉬電阻類測溫元件。
4.根據權利要求2所述的一種安全殼內氫氣濃度測量系統，其特徵在於所述催化反應器(I)中裝有催化劑，所述催化劑為能夠使氫氣和氧氣在常溫下發生反應的催化劑；防護保護過濾層(11)內層側壁和外層側壁之間裝有填料，所述填料為球狀Al2O3、球狀SiO2或球狀Al2O3和球狀SiO2的混合物。
5.根據權利要求2所述的一種安全殼內氫氣濃度測量系統,其特徵在於所述催化式氫氣傳感器中除第一熱敏感元件(4)和第二熱敏感元件(10)外，所有部件的材料均為不鏽鋼，其中，催化反應器(I)和防爆器(2 )採用不鏽鋼絲網，防護保護過濾層(11)採用30 100目的不鏽鋼絲網；第一熱敏感元件(4)和第二熱敏感元件(10)採用不鏽鋼外殼。
6.根據權利要求2所述的一種安全殼內氫氣濃度測量系統,其特徵在於所述催化式氫氣傳感器還可包括3個耳式支座(15)、3個立式焊接支撐(16)和防淋罩(14)，其中，3個耳式支座(15)—端分別與防護外筒(3)固連，另一端分別與立式焊接支撐(16)固連，構成3組支撐結構，均勻分布於所述防護外筒(3)的外側；防淋罩(14)直徑大於上花板(7)直徑，並與防護外筒(3)固連。
7.根據權利要求2所述的一種安全殼內氫氣濃度測量系統，其特徵在於所述K值根據安全殼內的氫氣濃度預估值進行選取，設安全殼內的氫氣濃度預估值為C H K值選取規則如下 1)當C馬』為O彡Cfl2』彡4%時，K取60 80 ; 2)當C馬'為4°/o<Cjh ' 彡 10%吋，K 取 40 50 ;3)當C馬1 為 10%< Clli 』 彡 15 時，K 取 30 40。
全文摘要
本發明公開了一種安全殼內氫氣濃度測量系統，屬於易燃易爆氣體濃度測量技術領域。所述系統包括溫度採集單元、信號處理單元和氫氣濃度顯示單元；其中，信號處理單元包括模擬量輸入模塊、CPU模塊和模擬量輸出模塊；溫度採集單元、模擬量輸入模塊、CPU模塊、模擬量輸出模塊和氫氣濃度顯示單元依次相連。所述系統能耗低，組成簡單，能夠安全可靠地實現核電廠事故工況下安全殼內氫氣濃度的連續測量。
文檔編號G01N25/22GK102928463SQ20121040254
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者羅沙, 覃亮, 祝維燕, 李琳, 黃永生, 牛立宏 申請人:中國船舶重工集團公司第七一八研究所