[发明专利]一种安全壳内氢气浓度测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种安全壳内氢气浓度测量系统，属于易燃易爆气体浓度测量技术领域。

背景技术

核电厂事故工况下会产生大量氢气，氢气的来源：1）事故早期，锆-水反应高速率地产生氢气。2）事故中后期，水的辐照分解、堆芯融溶物和混凝土的反应，也会产生大量氢气。大量氢气的聚集使安全壳内氢气浓度有超过爆炸限4%的可能，存在爆炸的危险。为避免氢爆燃事故发生，破坏安全壳完整性，需要构建氢气测量系统对安全壳不同位置的氢气聚集状态进行监测，在事故发生后实施有效地干预。

在事故工况下，反应堆放出大量的热量，安全壳内温度的升高伴随着压力的升高。如二代和二代加核电厂事故后温度可达150度，压力可达6bar。安全壳内的气体组成是以空气与水蒸气为主，含有氢气及其他气体的高温高压混合性气体。

由于事故工况下安全壳内气体呈现高温、高压、高放射性的特点，因此对于氢气浓度的测量增加了很大的难度。

对于安全壳氢气浓度，常见的测量方式是将少量的安全壳内气体作为样品气抽出经传输管道送到安全壳外，在安全壳外经过气体预处理后由氢气传感器测量气体中的氢气浓度，测量过程包括：气体预处理、气体浓度分析都在安全壳外完成。这种方式国内外都有应用先例。这种方式由于存在对放射性气体的管路传输，存在响应滞后、存在潜在的放射性泄露风险的缺点。同时由于测量管路的限制，一般布置为单点测量。气体在传输过程状态发生变化，测量结果的准确性受到影响。由于气体预处理和气体传输管路的存在，系统较复杂，耗能设备多、功耗大。

由于抽出式测量系统的上述缺点，特别是日本福岛核事故发生后，研制直接布置在安全壳内测量的氢气传感器受到广泛关注。直接测量系统组成简单，这种方式是传感器在安全壳内直接测量，输出一次测量电信号，快速反应氢气变化，避免滞后。系统只存在电信号的传输，没有气体抽送到安全壳外，便于在安全壳内不同位置安装多个氢气传感器组成多点连续监测系统。通过传输电缆将传感器一次测量信号输出到安全壳外，在安全壳外对测量信号进行变送、处理和显示。目前已应用于核电厂的安全壳壳内监测系统是德国Siemens公司采用热催化原理的WS-85氢气探测系统。WS-85采用的氢气敏感探头由涂有催化剂的铂电极和参比电极组成，通过对探头内铂电极持续通电，保证在接触到氢气和氧气的混合物时，在铂电极表面发生高效的催化化合反应，反应热导致铂电极电阻变化，电阻变化值是氢气存在的特征信号。这一信号被送到惠斯通电桥上完成氢气浓度的分析。

该系统的缺点是：（1）为了启动氢氧高效化合反应，对催化电极需要持续采用外部供电进行加热，在氢气浓度较高时是不安全的，因此只能测量低于氢气爆炸限4%以下的氢气浓度。（2）氢气存在的特征信号是热敏电阻的阻值变化，但是阻值变化不能被直观感受，需要通过惠斯登电桥产生电压来最终进行氢气浓度的分析。（3）系统组成较为复杂、可靠性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全壳内氢气浓度测量系统，所述系统能耗低，组成简单，能够安全可靠地实现核电厂事故工况下安全壳内氢气浓度的连续测量，且测量范围大。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种安全壳内氢气浓度测量系统，所述系统包括：温度采集单元、信号处理单元和氢气浓度显示单元；其中，信号处理单元包括：模拟量输入模块、CPU模块和模拟量输出模块；

温度采集单元、模拟量输入模块、CPU模块、模拟量输出模块和氢气浓度显示单元依次相连；

所述温度采集单元位于核电厂安全壳内，信号处理单元和氢气浓度显示单元集成在核电厂安全壳外的测量柜中；

温度采集单元：采集核电厂安全壳内的环境温度和氢氧化合反应温度，并将温度的电信号输出给信号处理单元中的模拟量输入模块；

模拟量输入模块：接收来自温度采集单元的温度电信号转化成温度值，并输出给CPU模块；

CPU模块：接收来自模拟量输入模块的温度值，先根据式（I）计算氢氧化合反应的温升值，再根据式（II）计算氢气浓度，并将氢气浓度值输出给模拟量输出模块；

AT＝T2-T1                （I）

其中，AT为催化反应的温升值，T1为环境温度，T2为氢氧化合反应温度；