基於核電站安全殼內的氫氧複合催化板的在線定檢再生裝置及方法與流程

2023-10-26 03:16:52

本發明涉及核電站的安保檢測領域，具體地講，是涉及一種基於核電站安全殼內的在役非能動氫複合器的氫氧複合催化板的在線定檢再生裝置及方法。

背景技術：
日本福島核事故以後，為了避免或降低核電站安全殼內氫氣爆炸的風險，目前國際上和國內的二代和三代核電站均採取了相應的措施作為防範，其中一項重要措施便是在安全殼內分布放置數十個非能動氫複合器(PARs)，在設計基準事故和嚴重事故時不需外接能源，可自動啟動，並將氫氣濃度降低至安全水平以下。非能動氫複合器的基本結構可以概括描述為底部裝填催化劑的豎直通道(俗稱「煙囪」)；其工作原理為，事故發生後，氫分子和空氣中的氧分子在催化劑表面接觸，發生如的強放熱自由基反應，反應釋放的大量熱量加熱豎直通道入口處的空氣，為催化元件周圍的氣流上升提供推動力，熱空氣溫度升高、密度降低而沿通道上升，熱空氣上升後留下的空間由氫氧複合器下部冷空氣流入補充，形成氣體自然擴散循環的「煙囪效應」。當使用活性組分為鉑或鈀的催化劑後，上述反應活化大大減小，從而能夠在低溫條件下開始反應。反應遵循Langmuir–Hinshelwood兩步法機理：首先是反應物向催化劑表面的擴散，然後是吸附在催化劑上的反應物發生反應。如此加速實現了氫氧複合器內外氣體「非能動」對流循環，增加單位時間內流過複合器的氣體，加速了氫氣的催化反應，從而提高複合器的消氫能力，最後反應後的氣體經過氫氧複合器頂部排出。非能動氫複合器與安全殼大氣環境的自然對流循環有效地促進了易燃氣體混合，避免了氫氣的累積。由此可見，催化板是非能動氫複合器的核心部件。在非能動氫複合器的實際使用中，安全殼內存在著複雜的環境條件：溫度最高達到150℃以上、壓力最高達到0.5MPa以上、累積輻照計量大於5×106Gy；安全殼內的氣體包括放射性氣溶膠(>50g/m3)、水蒸汽(最高可達60％)、氫氣(最高可達10％以上)、空氣以及CO等毒化組分。催化板長期處於如此複雜的環境下，可能會導致其性能降低，因此，需要每隔一定時間對安全殼內的複合器催化板進行定期性能檢測，測試其氫氧複合性能是否下降，並對性能不能滿足非能動氫氧複合要求的催化板進行活化再生。目前現有的氫氧複合催化板的定期性能檢測和活化再生的方法和裝置都需要將催化板從安全殼內取出，再分別進行檢測和再生，換句話說，現有的催化板的定檢再生程序都必須等到停堆時才能進行。為了保障發電量和減少輻射，核電機組停堆的時間間隔很長，通常至少一年半以上，而現有的定檢技術無法實時跟蹤非能動氫複合器催化板長期在安全殼內複雜環境條件下的性能變化。另一方面，即使停堆後取出氫氧複合催化板，也有可能致使工作人員遭受放射性物質產生的輻照，影響健康。

技術實現要素：
為克服現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種基於核電站安全殼內非能動氫複合器的氫氧複合催化板的在線定檢再生裝置，主要用以對安全殼內的在役氫氧複合催化板進行氫氧複合性能的在線定期檢測和對性能受環境影響而不能滿足當前需求的催化板進行在線活化再生。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：一種基於核電站安全殼內的氫氧複合催化板的在線定檢再生裝置，包括設置於安全殼壁上的貫穿密封件，穿過貫穿密封件設置的用於檢測催化板溫度的監測系統，穿過貫穿密封件設置的用於通氣的引入氣管，以及在安全殼外設置於引入氣管上的氣路系統。進一步地，所述監測系統包括穿過貫穿密封件伸入安全殼內的熱電偶，以及置於安全殼外與熱電偶連接的數據採集系統，其中，熱電偶的前端固定於安全殼內安裝的非能動氫複合器的氫氧複合催化板上，數據採集系統主要用於採集熱電偶測量的數據，以便工作人員實時分析。在進一步地改進中，所述熱電偶可以根據催化板的數量對應設置多個，也可以採用具有多點測量功能的熱電偶，具體地，熱電偶優選K型熱電偶。為了便於引入的氣體受催化板作用，所述引入氣管的一端伸入並固定於非能動氫複合器的底部，另一端穿過貫穿密封件與氣路系統連通；為了避免供氣溫度降低，所述引入氣管位於安全殼內的部分的外層包覆有隔熱保溫層。為了提高改造後安全殼的密封抗壓能力，所述貫穿密封件包括由水硬性膠凝材料製成的內層，以及包覆在該內層外部並與安全殼連接的法蘭，其中，所述水硬性膠凝材料由CaO粉末與SiO2粉末按物質的量2:1～3:1的比例混合均勻後，加水攪勻並硬化而成。具體地，所述氣路系統包括設置於引入氣管位於安全殼外上的單向閥、開關閥門、壓力計和切換閥門，分別與切換閥門連接的定檢氣路和再生氣路。更進一步地，所述定檢氣路和再生氣路均包括串聯在切換閥門和供氣源之間的氫氣阻火器、單向閥、流量控制器、電磁閥，其中，定檢氣路的供氣源為氫氣體積濃度小於4％的氫氣和空氣的混合氣體，再生氣路的供氣源為氫氣體積濃度小於4％的氫氣和氮氣的混合氣體。為了便於供氣加熱，所述引入氣管位於安全殼外的部分的外層包覆有加熱包層。具體地，所述加熱包層包括設置於引入氣管外壁的電熱絲，將電熱絲和引入氣管外壁包覆的外殼體，以及設置於外殼體內的溫度傳感器。為了防止安全殼內氣體倒流入引入氣管，所述安全殼上還設有壓力計，需在管路壓力大於安全殼內壓力時方能打開閥門引入混合氣體，以保障安全。基於上述裝置的構造，本發明還提供了一種基於核電站安全殼內的氫氧複合催化板的在線定檢方法，包括：(S101)採用上述裝置，將切換閥門調整至定檢氣路連通狀態，並打開各閥門引入定檢混合氣體；(S102)通過引入氣管向非能動氫複合器通入定檢混合氣體，持續至少半小時；(S103)由熱電偶測量的該時間段內的氫氧複合催化板的溫度上升幅度判定該氫氧複合催化板的性能是否正常，若溫度明顯上升，則說明該催化板性能正常，若溫度沒有明顯上升，則說明該催化板被毒化，性能不正常。其中，所謂溫度明顯上升是指溫度上升幅度大於或等於30℃，故溫度上升幅度小於30℃則為沒有明顯上升。基於上述裝置的構造，基於核電站安全殼內的氫氧複合催化板的在線再生方法，包括：(S201)採用上述裝置，將切換閥門調整至再生氣路連通狀態，並打開各閥門引入再生混合氣體；(S202)通過加熱包層設定加熱溫度為250～350℃；(S203)通過引入氣管向非能動氫複合器通入加熱後的再生混合氣體，持續至少一小時，以對被毒化的氫氧複合催化板進行活化再生；(S204)採用前述的在線定檢方法，對再生後的催化板再次進行檢測，如果檢測其性能正常，則可正常使用，如果檢測其性能不正常，則重複對其進行活化再生，若多次活化再生後其性能仍被檢測為不正常，則說明該催化板上的催化劑失效，需待停堆後更換。需要特別說明的，關於向安全殼內通入氫氣混合氣體的安全問題。首先，安全殼內總體積約50000m3，按標準的混合氣體通入流量300L/min計算，氫濃度3％的混合氣體需要持續通入154天才能使安全殼內平均氫濃度達到爆炸極限4％，因此例行定檢再生過程不會造成爆炸威脅；其次，管路上設置的單向閥、壓力計等配件也能有效地保障氫安全；最後，核電機組內必然安裝有安全殼在線測氫裝置，如法國Areva公司的HERMITIS系統，能夠對安全殼內氫氣濃度進行在線檢測，一旦氫濃度上升過快，或接近爆炸極限，即馬上停止通入混合氣體，保障安全。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：(1)本發明基於核電站安全殼進行改進，利用消氫反應的化學原理，通過測量催化板在反應時的溫度變化來判斷其催化性能是否正常，構思新穎巧妙，並利用了貫穿密封件將裝置與安全殼的有機結合，保證了安全殼的抗壓密封性，還通過氣路系統的設置對供氣進行有效的調節控制，充分保障了裝置的使用安全性，由此整體實現了無需取出催化板而直接在安全殼內對催化板進行定檢再生操作的效果，方便實用，不僅能夠明顯提高檢測效率，有效避免了核電站停堆帶來的損失和不利影響，而且極大地減少了工作人員遭受輻照的時間，安全可靠，在本領域有很大的推廣應用價值。(2)本發明通過設置能夠對催化板進行實時在線檢測，以及時準確地發現催化板的性能下降問題，消除催化板的安全隱患，保障核電站設施的安全。(3)通過本發明的使用，不僅工作人員不需要進入安全殼取出催化板進行定檢再生操作，減少在安全殼內受輻照時間，而且也不必擔心取出的催化板沾染放射性物質而對其產生的輻照，極大地保障了工作人員的健康。(4)本發明引入的混合氣體均控制在安全範圍以內，並且結合氣路系統的各種閥門、計量器等配件也能夠充分保障引入混合氣體的氫安全問題。(5)本發明在安全殼外部的引入氣管上設置加熱包層，在活化再生時直接對混合氣體加熱使之達到需要的溫度，並且通過安全殼內的引入氣管上設置的隔熱保溫層減少了溫度在傳輸過程中的損失，促進催化板的還原，提高反應效率。附圖說明圖1為本發明的結構示意圖。圖2為定檢過程中合格催化板的進出口氫濃度變化曲線和溫度變化曲線。上述附圖中，附圖標記對應的部件名稱如下：1-貫穿密封件，2-引入氣管，3-熱電偶，4-加熱包層，5-隔熱保溫層，6-安全殼，7-非能動氫複合器，8-氫氧複合催化板，10-供氣源，11-電磁閥，12-流量控制器，13-單向閥，14-氫氣阻火器，15-切換閥門，16-壓力計，17-開關閥門。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，本發明的實施方式包括但不限於下列實施例。實施例如圖1所示，該基於核電站安全殼內的氫氧複合催化板的在線定檢再生裝置，主要用於直接在安全殼6內對非能動氫複合器7的氫氧複合催化板8進行定期性能檢測和活化再生，是一套非常方便實用的裝置，包括貫穿密封件1、監測系統和氣體引入系統三大部分，氣體引入系統又包括引入氣管2和用於供氣和控制的氣路系統，其中，檢測系統的探測部分和引入氣管均貫穿安全殼壁伸入安全殼內，貫穿密封件直接安裝在安全殼壁上，在前述二者貫穿處與安全殼壁固定連接並使其密封，以保障改進後的安全殼性能。安全殼是現有技術中一個很複雜的構造，因此本發明對安全殼本身不作贅述，只介紹本發明涉及到的相關結構，如用於檢測安全殼內壓的壓力計、用於檢測安全殼內氫氣濃度在線檢測的測氫裝置等。氫氧複合催化板簡稱催化板。上述各部分的具體構造分別如下：監測系統，主要用於檢測氫氧複合催化板的溫度，具體包括穿過貫穿密封件伸入安全殼內的熱電偶3，以及置於安全殼外與熱電偶連接的數據採集系統，其中，為了準確檢測到催化板反應時的溫度變化，熱電偶的前端固定於安全殼內安裝的非能動氫複合器的氫氧複合催化板上，數據採集系統主要用於採集熱電偶測量的數據，以便工作人員實時分析。在進一步地改進中，所述熱電偶可以根據催化板的數量對應設置多個，也可以採用具有多點測量功能的熱電偶，具體地，熱電偶優選K型熱電偶。引入氣管，主要用於將定檢再生用的混合氣體通入催化板處，因此其一端伸入並固定於非能動氫複合器的底部，出氣口朝向催化板，另一端穿過貫穿密封件與氣路系統連通。為了便於供氣加熱，引入氣管位於安全殼外的部分的外層包覆有加熱包層4。具體地，該加熱包層包括設置於引入氣管外壁的電熱絲，將電熱絲和引入氣管外壁包覆的外殼體，以及設置於外殼體內的溫度傳感器，可根據加熱需求設置電熱絲的發熱溫度。為了避免供氣溫度降低，引入氣管位於安全殼內的部分的外層包覆有隔熱保溫層5，其由隔熱保溫材料製成。氣路系統，主要用於控制供氣和保證安全，具體包括設置於引入氣管位於安全殼外上的單向閥13、開關閥門17、壓力計16和切換閥門15，分別與切換閥門連接的定檢氣路和再生氣路。其中，所述定檢氣路和再生氣路均包括串聯在切換閥門和供氣源10之間的氫氣阻火器14、單向閥13、流量控制器12、電磁閥11，其中，定檢氣路的供氣源為氫氣體積濃度小於4％的氫氣和空氣的混合氣體，再生氣路的供氣源為氫氣體積濃度小於4％的氫氣和氮氣的混合氣體。通常為保障安全，在通入氣體需使管路壓力大於安全殼內壓力，即引入氣管上設置的壓力計的讀數大於安全殼上設置的壓力計的讀數。上述在描述中涉及的「串聯」的含義與電路布置中的對應概念雷同。貫穿密封件，主要用於密封熱電偶和引入氣管貫穿安全殼的位置，以保證安全殼的抗壓密封性，具體包括由水硬性膠凝材料製成的內層，以及包覆在該內層外部並與安全殼連接的法蘭，其中，所述水硬性膠凝材料由CaO粉末與SiO2粉末按物質的量2:1～3:1的比例混合均勻後，加入適量水攪勻(按前述比例通常約為2～3物質的量，根據實際粘稠度判定，不限於此)，並在一段時間(至少半小時，根據實際粘稠度確定)後硬化得到。由於水硬性膠凝材料具有強度高、粘附性好的特性，可以緊密填充在熱電偶和引入氣管貫穿的空隙處，確保密封效果，進而提升整個裝置的抗壓和抗高溫性能。基於上述裝置的構造，本實施例提供了如下在線定檢方法和在線再生方法：該基於核電站安全殼內的氫氧複合催化板的在線定檢方法，包括：(S101)採用上述裝置，將切換閥門調整至定檢氣路連通狀態，打開該氣路的電磁閥引入定檢混合氣體，當引入氣管上的壓力計讀數達到要求後，打開開關閥門使定檢混合氣體進入安全殼內；其中，定檢混合氣體為氫濃度為2.5％的低濃度氫空混合氣；(S102)通過引入氣管向非能動氫複合器通入定檢混合氣體，控制氣體通入流量維持在300L/min左右，持續至少半小時；(S103)由熱電偶測量的該時間段內的氫氧複合催化板的溫度上升幅度判定該氫氧複合催化板的性能是否正常，若溫度明顯上升(變化幅度≥30℃)，則說明該催化板性能正常，若溫度沒有明顯上升(變化幅度小於30℃)，則說明該催化板被毒化，性能不正常。如圖2所示，為典型的向催化板通入2.5％的氫空混合氣的溫度變化曲線，由圖中可以看出即使在低氫濃度下，性能正常的催化板也能在半小時內上升約60℃，溫度變化明顯。當檢測出的性能不正常(被毒化)的催化板數量會致使設備存在安全威脅時，可採用如下方法對被毒化的催化板進行活化再生，具體地，該基於核電站安全殼內的氫氧複合催化板的在線再生方法，包括：(S201)採用前述裝置，將切換閥門調整至再生氣路連通狀態，打開該氣路的電磁閥引入再生混合氣體，當引入氣管上的壓力計讀數達到要求後，打開開關閥門使再生混合氣體進入安全殼內；其中，再生混合氣體為氫濃度為3％的低濃度氫氮混合氣；(S202)通過加熱包層設定加熱溫度為250～350℃，優選為300℃；(S203)通過引入氣管向非能動氫複合器通入加熱後的再生混合氣體，控制氣體通入流量維持在300L/min左右，持續至少一小時，以對被毒化的氫氧複合催化板進行活化再生；(S204)為確保再生效果，採用前述的在線定檢方法，對再生後的催化板再次進行檢測，如果檢測其性能正常，則可正常使用，如果檢測其性能不正常，則重複對其進行活化再生，若多次活化再生後其性能仍被檢測為不正常，則說明該催化板上的催化劑失效，需待停堆後更換。上述實施例僅為本發明的優選實施例，並非對本發明保護範圍的限制，但凡採用本發明的設計原理，應用於其他安全殼內裝置的性能檢測和維護上的技術方案，以及在此基礎上進行非創造性勞動而作出的變化，均應屬於本發明的保護範圍之內。