一种严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统及方法与流程

1.本发明属于核安全控制技术领域，具体涉及一种严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统及方法。


背景技术：

2.在核电厂发生严重事故后，安全壳内产生氢气的途径有两种：一种为反应堆堆芯内部会发生大量的锆水反应产生氢气；另一种为反应堆堆芯熔化后，熔融物会掉入堆坑，并与混凝土相互作用产生氢气。发生严重事故后的安全壳内温度和压力会到达较高水平，存在氢气燃烧和燃爆的风险，会对安全壳完整性产生巨大威胁。
3.在日本福岛核电事故后，国家核安全局发布了《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》，里边明确规定：严重事故下，应能全程监测安全壳内氢气浓度并设置相应报警，以便确定核电厂状态和为事故管理期间决策提供尽可能实际的信息。应避免安全壳完整性因局部区域氢气积聚后可能产生的燃烧或爆炸而破坏。氢气浓度监测和控制措施应纳入严重事故管理导则或相关规程。
4.目前，国内外对于严重事故后安全壳内气体浓度测量基本是仅测量某位置的氢气浓度，并没有同时测量该位置水蒸气浓度、氧气浓度和氢气浓度，并对测量结果进行分析，以判断安全壳内该位置的气体可燃性，为严重事故后喷淋系统启动时机提供参考和依据。核电厂应用的严重事故后安全壳内气体浓度监测系统主要基于安全壳外抽气取样和安全壳内直接测量两种原理。其中，法国epr采用了安全壳外抽气取样法，美国ap1000和俄罗斯vver采用了安全壳内直接测量法。国内关于严重事故后安全壳内气体浓度测量的研究也有相关专利申请见报，如安全壳内气体浓度分析方法、装置及气体分析仪(cn103033441a)、安全壳内氢气浓度监测系统(cn102323295a)、可燃气体监测系统及方法(cn103219054a)、一种安全壳内氢气浓度测量系统(cn102928463a)、一种核电站用氢气浓度在线监测装置(cn104914144a)和一种核电氢浓度检测装置(cn101949829a)等。这些专利申请所公开的技术都没有涉及既可以同时测量水蒸气浓度、氧气浓度和氢气浓度，又可以使氢气氧气分离的系统设计，水蒸气浓度、氧气浓度和氢气浓度共同决定气体可燃性，因此，在进行事故后安全壳内气体浓度监测时，需要对水蒸气浓度、氧气浓度和氢气浓度进行同时测量。
5.反应堆严重事故后安全壳内气体浓度监测系统及监测方法(cn107967952a)为申请人之前进行的专利申请，包括置于安全壳内的取样探头，置于安全壳外的灵敏电磁阀、第一储气罐、第二储气罐、气体参数测量系统、高压惰性气罐控制系统、高压惰性气罐、气体冷凝系统、氢气浓度测量分析仪、氧气浓度测量分析仪，以及各连接管线。该系统可以测量水蒸汽浓度、氢气浓度和氧气浓度，其中，采用吸氢渗透式方法测量氢气浓度，并根据氧气具有顺磁性的特点采用磁压式方法测量氧气浓度。但该发明的技术方案并没有将氢气和氧气进行分离，同时含有氢气和氧气的气体依次进入氢气传感器和氧气传感器进行浓度测量，在此过程中存在氢气和氧气混合发生氢气燃烧或燃爆的风险，安全性有待提高。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对核电厂严重事故后测量安全壳内气体浓度的需要，提供一种严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统及方法，可以更有效、精确、安全、便捷地进行严重事故后安全壳内水蒸气浓度、氧气浓度和氢气浓度的测量分析。
7.本发明的技术方案如下：一种严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统，包括设置在完全壳内不同位置的若干个取样探头，每个取样探头分别与安全壳外对应的取样电磁阀连接，取样电磁阀连接水蒸汽分析仪，水蒸汽分析仪经水蒸汽冷凝装置连接气体缓冲存储罐，气体缓冲存储罐上设有压力测量装置，气体缓冲存储罐经测量电磁阀依次连接氧气分析仪、氢气分析仪，氧气分析仪实现氢气与氧气的分离以及氧气浓度的测量，经分离后的氢气进入氢气分析仪进行氢气浓度测量，氧气分析仪通过单向阀连接气液回收罐，氢气分析仪的排气经设在回收管线上的回收泵送回安全壳内部。
8.进一步，如上所述的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统，其中，所述氧气分析仪包括气体入口，气体入口连接气体流动通道，气体流动通道连接石英玻璃管，石英玻璃管外表面缠有锰铜丝和铂丝，锰铜丝和铂丝连接测量电路，石英玻璃管外部设有永磁体，永磁体的长度方向与石英玻璃管轴线平行，石英玻璃管的气体出口x和气体出口y分别位于永磁体的两侧，气体出口x与氢气分析仪连接，气体出口y通过单向阀连接所述气液回收罐。
9.进一步，如上所述的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统，其中，所述氧气分析仪的气体入口连接的气体流动通道为多通道，通道内部装有用于吸附水蒸汽的干燥颗粒，通道后部设有能够自由伸缩的电动阻隔板。
10.进一步，如上所述的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统，其中，所述氧气分析仪的石英玻璃管外表面缠绕的锰铜丝作为精密绕线电阻和采样电阻，铂丝作为测温电阻，并且在石英玻璃管外表面涂有耐高温材料。
11.进一步，如上所述的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统，其中，所述氧气分析仪采用热磁对流的方式测量氧气浓度，其主体部分由热导率低的材料制成，外壳部分由有利于热磁对流散热的材料制成。
12.进一步，如上所述的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统，其中，所述水蒸汽冷凝装置通过置换电磁阀与气体泵的入口连接，气体泵的出口连接所述气液回收罐，所述气体缓冲存储罐内部的气体以及所述水蒸汽冷凝装置内部的冷凝水通过气体泵送至所述气液回收罐内。
13.进一步，如上所述的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统，其中，所述气液回收罐上装有液位计和气液回收罐压力传感器，并分别与排气电磁阀、注气电磁阀和排水电磁阀相连接，排气电磁阀与排水电磁阀分别连接回收管线，气液回收罐内部的气体和冷凝水可以排出至回收管线，并通过所述回收泵送回至安全壳内部。
14.进一步，如上所述的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统，其中，所述气液回收罐内部始终为密封性良好的惰性气体环境。
15.一种采用上述系统的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析方法，包括：
16.安全壳内的气体通过与取样探头连接的取样管线进入水蒸气分析仪，对水蒸气浓度进行测量；
17.水蒸气浓度测量结束后，气体通过取样管线进入水蒸气冷凝装置，气体中的水蒸
气在水蒸气冷凝装置内发生冷凝；
18.冷凝后的气体通过水蒸气冷凝装置的气体出口沿取样管线进入气体缓冲存储罐，当气体缓冲存储罐内压力达到设定值时，停止对安全壳内气体进行取样；
19.气体缓冲存储罐内部的气体通过测量管线进入氧气分析仪内部，实现氢气与氧气的分离，并对氧气浓度进行测量；在氧气分析仪测量过程中，含氧气的气体通过一条管线进入气液回收罐内；
20.不含氧气的气体通过另一条管线进入氢气分析仪，对氢气浓度进行测量；
21.当氢气分析仪完成氢气浓度测量后，气体由设在回收管线上的回收泵送回安全壳内部；
22.气体缓冲存储罐内部的气体和水蒸气冷凝装置内部的冷凝水由气体泵送至气液回收罐内部，气液回收罐内部的气体和冷凝水通过设在回收管线上的回收泵送回至安全壳内部。
23.进一步，如上所述的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析方法，其中，氧气分析仪采用热磁对流的方式测量氧气浓度，氢气分析仪采用热导的方式测量氢气浓度，根据水蒸气、氧气和氢气混合燃烧或燃爆的特性判断所述取样探头位置气体的可燃性，最终通过信号传输电缆将电信号传输至控制室。
24.本发明的有益效果如下：(1)本发明设计的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统可以同时对水蒸气浓度、氧气浓度和氢气浓度进行测量分析，并实时判断气体可燃性，测量对象不仅限于氢气浓度；(2)本发明设计的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统采取先测量氧气浓度，然后对氧气进行收集，再测量氢气浓度，避免氢气氧气混合，大大降低了氢气的燃烧或燃爆风险，提高了系统在测量分析过程中的安全可靠性；(3)本发明设计的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统中的气体泵可以及时将水蒸气冷凝装置内部的冷凝水和气体缓冲存储罐内部的气体送至气液回收罐，实现水蒸气冷凝装置内部的水蒸气的有效回收和气体缓冲存储罐内部气体的有效置换，使测量分析结果更加准确；(4)本发明设计的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统中的气液回收罐在测量分析过程中可以实现已测气体、惰性气体和冷凝水有效回收，并始终提供惰性气体环境，避免了已测气体中的氢气与氧气结合发生燃烧或燃爆风险，提高了系统的安全可靠性。
附图说明
25.图1为本发明具体实施例中严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统组成结构示意图；
26.图2为本发明具体实施例中氧气分析仪结构示意图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.示例性的本发明的严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统的组成如图1所示，包括取样探头1a、1b、1c、1d、取样电磁阀2a、2b、2c、2d、水蒸气分析仪3、水蒸气电子冷凝
28通过气体单向阀19与气液回收罐10相连接。在氧气分析仪8测量过程中，含氧气的气体最终通过气体出口y 28和气体单向阀19沿管线进入气液回收罐10内部，最终实现全部氧气的回收。不含氧气的气体通过气体出口x 25沿取样管线进入氢气分析仪9内部，对氢气浓度进行测量。氢气分析仪9采用热导的方式测量氢气浓度，原理是基于不同气体的导热系数不同，热导传感器的热丝具有电阻随温度变化的特性，电流通过热丝后热丝被加热，气体的热导作用使热丝的部分热量被带走，导致热丝温度下降，热丝电阻和通过电流发生变化，最终得到气体浓度。氢气的热导系数远远大于其他气体，具有极强的导热性，可以认为热丝热量全部被氢气带走，可以通过这样的方式测量氢气浓度。在无氧气的条件下测量氢气浓度，提高了氢气分析仪9在氢气浓度测量过程中的安全性。
31.当氢气分析仪9完成氢气浓度测量后，回收电磁阀20和回收泵17依次打开，气体流过回收电磁阀20，最终由回收泵17将气体送回安全壳内部，形成气体浓度闭式循环测量。本实施例中，当气体缓冲存储罐压力传感器6的测量值达到1bar时，测量电磁阀7关闭。在严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统完成一组水蒸气浓度、氧气浓度和氢气浓度测量后，置换电磁阀18和气体泵12依次打开，气体缓冲存储罐5内部的气体和水蒸气电子冷凝装置4内部的冷凝水流过置换电磁阀18，最终由气体泵12将气体和冷凝水送至气液回收罐10内部，当气体缓冲存储罐压力传感器6的测量值达到近0bar时，气体泵12和置换电磁阀18依次关闭，完成气体缓冲存储罐5和水蒸气电子冷凝装置4内部的气体和冷凝水置换和气液回收罐10内部的气体和冷凝水收集。
32.气液回收罐10上装有液位计11和气液回收罐压力传感器13，并分别与排气电磁阀14、注气电磁阀15和排水电磁阀16相连接，气液回收罐10内部的气体和冷凝水可以及时排出至回收管线内部，最终通过回收泵17送回至安全壳内部。当液位计11的测量值达到一定值时，排水电磁阀16打开，气液回收罐10内部的冷凝水排出至回收管线内部。当气液回收罐压力传感器13的测量值达到一定值时，排气电磁阀14打开，气液回收罐10内部的气体排出至回收管线内部。通过排气电磁阀14和排水电磁阀16进入回收管线内部的冷凝水和气体最终由回收泵17送回至安全壳内部，可以有效避免放射性排放。气液回收罐10内部始终为惰性气体环境(绝对压力不高于0.2bar)且气密性良好，可以自动打开注气电磁阀15向气液回收罐10内部补充相同惰性气体(如氩气、氮气等)，以提供良好的惰性气体环境，防止氢气与氧气混合导致氢气发生燃烧或燃爆，提高了严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统的安全性。
33.严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统对水蒸气浓度、氧气浓度和氢气浓度的测量结果进行分析，并根据水蒸气、氧气和氢气混合燃烧或燃爆的特性判断在取样探头1a位置气体的可燃性，最终通过信号传输电缆将电信号传输至控制室，以使控制室的操作人员及时采取有效安全缓解措施，保证严重事故后安全壳的完整性。
34.严重事故后安全壳内气体浓度测量分析系统的取样探头1b、1c、1d连接的三路水蒸气浓度、氧气浓度和氢气浓度测量原理及流程与取样探头1a所述相同，不再重复介绍。
35.对于本领域技术人员而言，显然本发明的结构不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围
内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
36.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。