一种安全壳内气体浓度监测系统及方法与流程

1.本发明属于安全壳内气体浓度监测技术领域，具体涉及一种安全壳内气体浓度监测系统及方法。


背景技术：

2.福岛核电站事故后，国家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气体浓度的监测是进行氢气风险控制的前提条件。
3.目前核电厂使用的严重事故后安全壳内气体浓度监测系统主要分为壳内监测和壳外监测两种系统。
4.壳内监测系统的优点是测量装置相对简单，只需要在安全壳内安装传感器，然后通过电缆将测得信号传到壳外机柜。但壳内监测系统缺点也很明显，首先是安全壳内传感器暴露在严重事故下的高温、高压、高辐射以及高气溶胶环境下，性能不容易得到保证；其次是其信号传输受限于电缆，需要使用经过严重事故环境条件鉴定的电缆。
5.壳外监测系统是指将安全壳内气体导出到安全壳外，通过布置在安全壳外的传感器对气体浓度进行监测。壳外监测系统避免了严重事故下安全壳内高温、高压、高辐射以及高气溶胶环境对传感器性能的影响。
6.目前壳外监测系统已申请专利(专利申请号201710425110.6)。但该方案的设计仍存在一些问题。首先就是采样气体的保真问题，事故后安全壳内处于一个高温高压的环境，充满了大量的水蒸汽，而水蒸汽在采样至壳外的过程中极易发生冷凝，这会严重影响测量精度。其次是该方案采用的是对安全壳内不同位置的气体浓度依次测量，每个位置的测量存在时间间隔，监测的实时性存在问题。
7.综上所述，亟需设计一种监测系统及方法，来满足安全壳内气体浓度监测的需要，同时解决采样气体保真和实时性问题，从而对氢气燃烧/燃爆风险进行控制。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种安全壳内气体浓度监测系统及方法，能够在防止放射性物质外泄的前提下，对安全壳内不同位置的气体的浓度进行同步监测，同时防止水蒸气冷凝带来的测量误差，解决采样气体的保真问题。
9.为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种安全壳内气体浓度监测系统，其中，包括设置在安全壳内的采样模块和设置在所述安全壳之外的测量模块，所述采样模块用于收集所述安全壳内的样品气体，所述测量模块用于对所述样品气体进行测量分析，所述采样模块和所述测量模块能够防止所述样品气体中的所述水蒸气冷凝。
10.进一步，
11.所述采样模块和所述测量模块之间通过贯穿件和复合管线连接，所述贯穿件穿设在所述安全壳上，所述复合管线位于所述安全壳之外，所述复合管线的顶端与所述贯穿件
连接，所述复合管线的尾端与所述测量模块连接；
12.还包括设置在所述安全壳外的回流模块，所述回流模块与所述测量模块相连，所述测量模块内的所述样品气体通过所述回流模块返回到所述安全壳内，所述安全壳、所述采样模块、所述贯穿件、所述复合管线、所述测量模块和所述回流模块形成闭环；
13.还包括设置在所述安全壳之外的吹扫模块，所述吹扫模块与所述复合管线相连，用于对所述采样模块进行吹扫清洁。
14.进一步，
15.所述采样模块包括若干条采样管线，所述采样管线的顶端设置一个采样头，所述采样头设置在所述安全壳内的不同位置的测量点上；
16.所述采样管线穿过所述贯穿件进入所述复合管线内，所述采样管线的尾端在所述复合管线内与所述测量模块相连；
17.所述采样头设有气溶胶过滤装置、放射性碘吸附装置、防水罩和节流降压装置，所述气溶胶过滤装置和所述放射性碘吸附装置用于气体过滤和放射性去除，所述防水罩用于防止水进入所述采样头，所述节流降压装置用于防止进入所述采样头的水蒸气冷凝。
18.进一步，
19.所述测量模块由若干个并联的测量单元组成，所述测量单元与所述采样管线一一对应；
20.每个所述测量单元包括一条测量管线，所述测量管线的顶端与所述采样管线的尾端在所述复合管线内连接，所述测量管线的尾端与所述回流模块连接；
21.还包括依次串联设置在所述测量管线上的采样阀组、减压阀、气体浓度传感器和流量控制器，所述采样阀组靠近所述测量管线的顶端；所述减压阀和所述流量控制器用于将通过所述测量模块的所述样品气体维持在设定的压力和流量内；所述气体浓度传感器采用耐高温设计；
22.所述测量模块内部设有加热、保温及温控设备，能够对所述测量模块内部环境温度进行监控，自动开启或关闭加热功能，防止进入所述测量模块的所述样品气体中的所述水蒸气冷凝，保证所述气体浓度传感器良好的运行环境及测量的精度；
23.各个所述测量单元中的所述采样阀组在采样测量过程中能够同时开启，以实现多个测量点同时采样测量的功能。
24.进一步，
25.所述气体浓度传感器包括串联布置的氢气分析仪、水蒸气分析仪和氧气分析仪，能够实时测量氢气、水蒸气和氧气的浓度；
26.所述氢气分析仪连接有氢气分析仪信号处理模块，所述水蒸气分析仪连接有水蒸气分析仪信号处理模块，所述氧气分析仪连接有氧气分析仪信号处理模块；
27.所述氢气分析仪、所述水蒸气分析仪和所述氧气分析仪为相应分析仪的浓度测量装置，输出与浓度相关的电信号；
28.所述氢气分析仪信号处理模块、所述水蒸气分析仪信号处理模块和所述氧气分析仪信号处理模块为相应分析仪的信号处理装置，将输出的电信号转换成浓度信号并将所述浓度信号远传。
29.进一步，
30.所述回流模块包括返回管线和依次设置在所述返回管线上的缓冲罐、压缩机和截止阀；
31.所述缓冲罐设置在所述返回管线的顶端，所述测量模块中的所述测量管线的尾端与所述缓冲罐连接，所述返回管线的尾端通过所述复合管线延伸到所述安全壳内；
32.所述压缩机用于将所述样品气体送回到所述安全壳内；
33.所述缓冲罐在采样测量过程中起缓冲作用，辅助稳定测量的压力和流量，所述缓冲罐的底部用于收集所述样品气体中水蒸汽组分的冷凝水。
34.进一步，所述吹扫模块包括高压氮气罐和若干条吹扫管线，所述吹扫管线与所述采样管线一一对应，所述吹扫管线的顶端与所述高压氮气罐连接，所述吹扫管线的尾端与所述复合管线中的所述采样管线相连，所述吹扫管线上设置反吹扫阀组，通过所述反吹扫阀组的开关，向所述采样管线注入高压氮气，实现所述采样管线的清洁；所述吹扫模块能够在采样测量之前和采样测量过程中对所述采样管线进行反吹扫，以防所述采样头发生堵塞的情况。
35.进一步，
36.所述复合管线的最外层为外护套，所述外护套内表面设置第二保温层，所述复合管线的内部空腔的中心位置设置加热电缆，所述采样管线和所述返回管线围绕所述加热电缆进行布置；
37.所述加热电缆用于防止所述样品气体中的所述水蒸气冷凝；所述样品气体是指采样过程中所述复合管线内的所述采样管线和所述返回管线中的样品气体。
38.进一步，
39.所述贯穿件的顶端位于所述安全壳的内表面一侧，并设有封头用于密封所述贯穿件，所述贯穿件的尾端位于所述安全壳的外表面一侧；所述复合管线的顶端连接在所述贯穿件的尾端上；
40.所述贯穿件为圆柱型，最外层为水平套筒，所述水平套筒内表面设置第一保温层，所述第一保温层的长度与所述贯穿件的长度一致；
41.所述贯穿件的内部空腔的中心位置设置加热装置，所述采样管线和所述返回管线围绕所述加热装置进行布置且不与所述第一保温层发生接触；所述加热装置用于防止所述样品气体中的所述水蒸气冷凝；所述样品气体是指采样过程中所述贯穿件内的所述采样管线和所述返回管线中的样品气体；
42.所述加热装置包括加热套管和和设置在所述加热套管内的加热棒，所述加热套管和所述加热棒等长，所述加热套管延伸到所述封头的位置；
43.所述贯穿件的内部空腔中间隔设置若干个管线支架，所述采样管线和所述返回管线通过所述管线支架固定设置在所述贯穿件的内部空腔中且彼此之间互不接触；
44.所述贯穿件内部设置温控装置，用于对所述贯穿件内部环境温度进行测量，如温度低于要求，则自动开启加热，如温度超过要求，则自动关闭加热。
45.为达到以上目的，本发明还公开了一种用于以上所述的一种安全壳内气体浓度监测系统的一种安全壳内气体浓度监测方法，包括如下步骤：
46.步骤s1，通过所述吹扫模块对所述采样模块的所述采样管线进行清洁；所述贯穿件和所述复合管线进行预热处理；
47.步骤s2，通过所述采样模块对所述安全壳内的气体进行采样，并经过所述贯穿件和所述复合管线将所述样品气体送入所述测量模块进行测量；这一过程通过所述采样模块内的节流降压装置和所述贯穿件、所述复合管线以及所述测量模块内的加热、保温及温控设备来防止所述样品气体中的水蒸气冷凝，解决所述样品气体的保真问题，从而提高测量精度；
48.步骤s3，浓度测量完成后，利用所述回流模块将所述样品气体输送回所述安全壳内，形成闭式循环。
49.本发明的有益效果在于：
50.1.通过采样模块2的节流降压装置使样品气体实现降压达到过热，防止样品气体中的水蒸气在安全壳1内的采样头3中冷凝。
51.2.通过重新设计的贯穿件5，使贯穿件5内部获得全程的加热和保温，防止样品气体中的水蒸气在经过贯穿件5时发生冷凝，并且贯穿件5的加热套管的设计方便了后续加热棒的维修和更换。
52.3.复合管线6的设计在满足加热和保温要求防止水蒸气冷凝的同时，有效降低了加热功率。
53.4.通过回流模块12将样品气体送回安全壳1内，实现了回路的闭合，防止放射性物质外泄。
54.5.通过吹扫模块17对系统进行吹扫，保证了系统管道(采样管线4)的清洁。
55.6.本系统可多组模块并行运行，实现安全壳1内不同位置气体浓度的同步监测。
56.7.本系统实现了样品气体的保真，确保了测量精度并且提高了测量效率和实时性。
附图说明
57.图1是本发明具体实施方式部分所述的一种安全壳内气体浓度监测系统的组成示意图(采样管线4的数量为3条，仅为示意)。
58.图2是本发明具体实施方式部分所述的气体浓度传感器10的示意图。
59.图3是本发明具体实施方式部分所述的贯穿件5的示意图(轴向的剖视图)；
60.图4是本发明具体实施方式部分所述的贯穿件5的示意图(径向的剖视图)；
61.图5是本发明具体实施方式部分所述的复合管线6的示意图(径向的剖视图)；
62.图中：1-安全壳，2-采样模块，3-采样头，4-采样管线，5-贯穿件，6-复合管线，7-测量模块，8-采样阀组，9-减压阀，10-气体浓度传感器，11-流量控制器，12-回流模块，13-缓冲罐，14-压缩机，15-截止阀，16-返回管线，17-吹扫模块，18-反吹扫阀组，19-高压氮气罐，20-封头，21-安全壳内壳(安全壳1为双层结构)，22-管线支架，23-水平套筒，24-安全壳外壳(安全壳1为双层结构)，25-温控装置，26-加热装置(包括加热套管和加热棒)，27-第一保温层，28-第二保温层，29-加热电缆，30-外护套，31-堆芯，32-氢气分析仪，33-水蒸气分析仪，34-氧气分析仪，35-氢气分析仪信号处理模块，36-水蒸气分析仪信号处理模块，37-氧气分析仪信号处理模块。
具体实施方式
63.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
64.如图1所示，本发明提供的一种安全壳内气体浓度监测系统，其中，包括设置在安全壳1内的采样模块2和设置在安全壳1之外的测量模块7，采样模块2用于收集安全壳1内的含有水蒸气的样品气体，测量模块7用于对样品气体进行测量分析，采样模块2和测量模块7能够防止样品气体中的水蒸气冷凝。
65.采样模块2和测量模块7之间通过贯穿件5和复合管线6连接，贯穿件5穿设在安全壳1上，复合管线6位于安全壳1之外，复合管线6的顶端与贯穿件5连接，复合管线6的尾端与测量模块7连接；
66.还包括设置在安全壳1外的回流模块12，回流模块12与测量模块7相连，测量模块7内的样品气体完成浓度测量后进入回流模块12，通过回流模块12返回到安全壳1内，安全壳1、采样模块2、贯穿件5、复合管线6、测量模块7和回流模块12形成闭环，使得被测的样品气体测量完成后重新返回安全壳1内，防止放射性物质外泄；贯穿件5、复合管线6、测量模块7均设计有加热、保温和温控设备，使伴热温度超过水的饱和温度，以防采样过程中其内部的样品气体发生水蒸气的冷凝；
67.还包括设置在安全壳1之外的吹扫模块17，吹扫模块17与复合管线6相连，用于对采样模块2进行吹扫清洁。
68.采样模块2包括若干条采样管线4，采样管线4的顶端设置一个采样头3，采样头3设置在安全壳1内的不同位置的测量点上，对安全壳1内的气体进行同时采样；
69.采样管线4穿过贯穿件5进入复合管线6内(采样管线4的位于安全壳1之外的部分全部设置在复合管线6内)，采样管线4的尾端在复合管线6内与测量模块7相连；
70.采样头3设有气溶胶过滤装置、放射性碘吸附装置、防水罩和节流降压装置，气溶胶过滤装置和放射性碘吸附装置用于气体过滤和放射性去除(过滤掉采样气体中的气溶胶及放射性物质)，防水罩用于防止水进入采样头3(过滤掉采样气体中的水)，节流降压装置用于对采样气体进行降压，使采样气体处于过热状态，防止进入采样头3的采样气体中的水蒸气冷凝。
71.测量模块7由若干个并联的测量单元组成，测量单元与采样管线4一一对应；
72.每个测量单元包括一条测量管线，测量管线的顶端与采样管线4的尾端在复合管线6内连接，测量管线的尾端与回流模块12连接；
73.还包括依次串联设置在测量管线上的采样阀组8、减压阀9、气体浓度传感器10和流量控制器11，采样阀组8靠近测量管线的顶端；减压阀9和流量控制器11用于将通过测量模块7的样品气体维持在设定的压力和流量内；气体浓度传感器10采用耐高温设计；
74.测量模块7内部设有加热、保温及温控设备，能够对测量模块7内部环境温度进行监控，自动开启或关闭加热功能，防止进入测量模块7的样品气体中的水蒸气冷凝，保证气体浓度传感器10良好的运行环境及测量的精度；
75.各个测量单元中的采样阀组8在采样测量过程中能够同时开启，以实现多个测量点同时采样测量的功能。
76.气体浓度传感器10(如图2所示)包括串联布置的氢气分析仪32、水蒸气分析仪33和氧气分析仪34，能够实时测量氢气、水蒸气和氧气的浓度；
77.氢气分析仪32连接有氢气分析仪信号处理模块35，水蒸气分析仪33连接有水蒸气分析仪信号处理模块36，氧气分析仪34连接有氧气分析仪信号处理模块37；
78.氢气分析仪32、水蒸气分析仪33和氧气分析仪34为相应分析仪的浓度测量装置，输出与浓度相关的电信号；
79.氢气分析仪信号处理模块35、水蒸气分析仪信号处理模块36和氧气分析仪信号处理模块37为相应分析仪的信号处理装置，将输出的电信号转换成浓度信号并将浓度信号远传。
80.回流模块12包括返回管线16和依次设置在返回管线16上的缓冲罐13、压缩机14和截止阀15；
81.缓冲罐13设置在返回管线16的顶端，测量模块7中的测量管线的尾端与缓冲罐13连接，返回管线16的尾端通过复合管线6延伸到安全壳1内；
82.压缩机14用于将样品气体送回到安全壳1内；
83.缓冲罐13在采样测量过程中起缓冲作用，辅助稳定测量的压力和流量，缓冲罐13的底部用于收集样品气体中水蒸汽组分的冷凝水。
84.吹扫模块17包括高压氮气罐19和若干条吹扫管线，吹扫管线与采样管线4一一对应，吹扫管线的顶端与高压氮气罐19连接，吹扫管线的尾端与复合管线6中的采样管线4相连，吹扫管线上设置反吹扫阀组18，通过反吹扫阀组18的开关，向采样管线4注入高压氮气，实现采样管线4的清洁；吹扫模块17能够在采样测量之前和采样测量过程中对采样管线4进行反吹扫，以防采样头3发生堵塞的情况。
85.如图5所示，复合管线6采用多并一设计，复合管线6的最外层为外护套30，用于防止管道磨损；外护套30内表面设置第二保温层28，用于防止热量散失；复合管线6的内部空腔的中心位置设置加热电缆29，采样管线4和返回管线16围绕加热电缆29进行紧密布置；
86.加热电缆29使伴热温度超过水的饱和温度，用于防止样品气体中的水蒸气冷凝，满足样品气体的保真要求，并最大程度降低加热功率；样品气体是指采样过程中复合管线6内的采样管线4和返回管线16中的样品气体。
87.如图3、图4所示，贯穿件5的顶端位于安全壳1的内表面一侧，并设有封头20用于密封贯穿件5，封头20作为壳内和壳外的隔离，保证贯穿件5全程可加热；贯穿件5的尾端位于安全壳1的外表面一侧；复合管线6的顶端连接在贯穿件5的尾端上；
88.贯穿件5为圆柱型，最外层为水平套筒23，水平套筒23穿过安全壳1实现壳内与壳外的联通(图3中的安全壳1为双层结构，水平套筒23穿过安全壳内壳21和安全壳外壳24)；水平套筒23内表面设置第一保温层27，第一保温层27的长度与贯穿件5的长度一致；
89.贯穿件5的内部空腔的中心位置设置加热装置26，采样管线4和返回管线16围绕加热装置26进行布置且不与第一保温层27发生接触；加热装置26使伴热温度超过水的饱和温度，用于防止样品气体中的水蒸气冷凝；样品气体是指采样过程中贯穿件5内的采样管线4和返回管线16中的样品气体；
90.加热装置26包括加热套管和和设置在加热套管内的加热棒，加热套管和加热棒等长，加热套管延伸到封头20的位置；加热棒沿加热套管从安全壳1外插入，检修时可直接拔出进行维修或更换
91.贯穿件5的内部空腔中间隔设置若干个管线支架22，采样管线4和返回管线16通过
管线支架22固定设置在贯穿件5的内部空腔中且彼此之间互不接触(各自独立安装)；
92.贯穿件5内部设置温控装置25，用于对贯穿件5内部环境温度进行测量，如温度低于要求，则自动开启加热，如温度超过要求，则自动关闭加热。
93.安全壳内气体浓度监测系统运行前会开启预热模式，贯穿件5的加热装置26内的加热棒开启，通过热辐射的方式对贯穿件5进行整体加热，并通过温控装置25对贯穿件5的内部温度进行测量和控制。另一方面，通过第一保温层27防止热量散失，保证运行期间贯穿件5内的采样管线4中的样品气体内的水蒸气不发生冷凝。复合管线6运行前也需要进行预热处理.
94.本发明还公开了一种用于以上所述的一种安全壳内气体浓度监测系统的一种安全壳内气体浓度监测方法，包括如下步骤：
95.步骤s1，通过吹扫模块17对采样模块2的采样管线4进行清洁；贯穿件5和复合管线6进行预热处理；
96.步骤s2，通过采样模块2对安全壳1内的气体进行采样，并经过贯穿件5和复合管线6将样品气体送入测量模块7进行测量；这一过程通过采样模块2内的节流降压装置和贯穿件5、复合管线6以及测量模块7内的加热、保温及温控设备来防止样品气体中的水蒸气冷凝，解决样品气体的保真问题，从而提高测量精度；
97.步骤s3，浓度测量完成后，利用回流模块12将样品气体输送回安全壳1内，形成闭式循环。
98.安全壳内气体浓度监测系统可通过设置多组模块并行运行，实现安全壳1内不同位置的气体浓度高精度同步监测。
99.本发明提供的一种安全壳内气体浓度监测系统的实际应用：
100.在核电站严重事故发生时，该监测系统投入运行，首先通过吹扫模块17对安全壳1内的采样模块2进行反吹扫，以清洁采样管线4；然后安全壳1外的测量模块7内的采样阀组8，回流模块12内的压缩机14、截止阀15同时开启，多路采样管线4同时开始采样测量；测量完成的采样气体通过回流模块12内的压缩机14打回安全壳1内，保证闭路循环，从而防止放射性物质的外泄。
101.本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。