专利名称：可燃气体监测系统及方法
技术领域：
本发明涉及可燃气体的监测系统及方法，更具体地说，涉及一种可应用到核电站 的安全壳内的可燃气体监测的系统及方法。
背景技术：
随着技术的成熟核电站的安全性的不断提高，核电站的建设逐渐的成为国家发展 的重要能源保障。目前的核电站中，核反应堆的结构是在安全壳中形成反应堆堆腔，在堆腔中设置 压力容器。压力容器连接有冷管段和热管段，通过冷管段注入冷却剂，对压力容器进行冷 却，然后通过热管段排出。在核反应堆发生冷管段断裂事故或者严重事故时，需要及时地采取措施，对堆芯 进行有效冷却。然而，由于在发生事故时，安全壳内的环境通常较为恶劣，难以实现对安全 壳内可燃气体的有效监控。另外，在发生满足设计要求的基准事故时，也难以有效的监测安 全壳内的可燃气体的含量，不利于对核反应堆内的有效连续监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种可有效监测可燃气体含量、使用方便可 靠的可燃气体监测系统。本发明所要解决的另一技术问题在于，提供一种可有效监测可燃气体含量、使用 方便可靠的可燃气体监测方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种可燃气体监测系统，包 括具有入口和出口的可燃气体复合装置，用于接入含有可燃气体的气流进行复合反 应；设置在所述出口处的出口电信号监测装置，用于监测所述出口的出口电信号；与所述出口电信号监测装置电连接的数据处理装置，用于根据监测到的所述出口 电信号进行处理，得出与所述出口电信号对应的可燃气体在所述气流中的浓度；以及与所述数据处理装置连接的输出装置，用于输出所述浓度的结果。在本发明的可燃气体监测系统中，所述数据处理装置包括与所述出口电信号监测 装置连接的出口信号采集模块；用于存储电信号与可燃气体浓度对应关系数据的存储模块；与所述输出装置连接的输出模块；以及，与所述出口信号采集模块、存储模块和输出模块连接的数据处理模块，用于对所 述出口信号采集模块得到的出口电信号进行处理并从所述存储模块的对应关系数据中查 找得到对应的可燃气体浓度，并通过所述输出模块输出至所述输出装置。在本发明的可燃气体监测系统中，在所述入口处设有入口电信号监测装置，用于检测所述入口处的入口电信号；该可燃气体监测系统还设有用于监测所述气流所在环境的压力信号的压力监测
直ο在本发明的可燃气体监测系统中，所述数据处理装置包括与所述入口电信号监测 装置连接的入口电信号采集模块；与所述出口电信号监测装置连接的出口电信号采集模块；与所述压力监测装置连接的压力信号采集模块；用于存储电信号与温度对应关系数据的存储模块；与所述输出装置连接的输出模块；以及，与所述入口信号采集模块、出口信号采集模块、压力信号采集模块、存储模块和输 出模块连接的数据处理模块，用于根据所述入口信号采集模块得到的入口电信号、所述出 口信号采集模块得到的出口电信号进行处理并从所述存储模块的对应关系数据中查找得 到对应的入口温度和出口温度，并根据所述入口温度和压力信号计算得到入口处的蒸汽体 积份额，并根据入口温度、出口温度、蒸汽体积份额计算得到氢气浓度。在本发明的可燃气体监测系统中，所述可燃气体复合装置为非能动氢气复合装 置；所述可燃气体为氢气；所述出口电信号监测装置为出口热电偶。在本发明的可燃气体监测系统中，所述入口电信号监测装置为入口热电偶。本发明还提供一种可燃气体监测方法，包括以下步骤；Sl 含有可燃气体的气流从入口进入可燃气体复合装置，并在所述可燃气体复合 装置内进行复合反应，然后从所述可燃气体复合装置的出口排出；S2 监测所述可燃气体复合装置的出口处的出口电信号；S3 根据所监测到的电信号进行处理得到与所述出口电信号对应的可燃气体在所 述气流中的含量，并输出。在本发明的可燃气体监测方法的所述步骤S2中，还检测所述可燃气体复合装置 的入口处的入口电信号；该步骤S2包括步骤S2-1 通过设置在所述入口处的入口热电偶来探测所述入口 处的入口电信号，并根据入口信号采集模块采集到的所述入口电信号计算得到所述入口处 的入口温度；S2-2 通过设置在所述出口处的出口热电偶来探测所述出口处的电信号，并根据 出口信号采集模块采集到的出口电信号计算得到所述出口处的出口温度。在本发明的可燃气体监测方法中，所述入口热电偶和出口热电偶的电流或电压信 号以1 120秒扫描一次的方式进行连续或间隔采集。在本发明的可燃气体监测方法的所述步骤S3中，包括步骤S3-1 根据得到的入口 处的入口温度，依据水物性表计算得到所述入口处的蒸汽体积份额；S3-2 根据所述入口温度、出口温度、蒸汽体积份额计算得到氢气浓度。实施本发明具有以下有益效果通过电信号监测装置来监测可燃气体复合装置的 出口处的电信号，再由数据处理装置进行处理得到可燃气体在气流中的含量，具有可燃气 体的监测可以不受事故恶劣环境条件的限制，并可同时满足设计基准事故和严重事故的可燃气体的监测，并可实现连续的监测的优点。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图1是本发明可燃气体检测系统的第一实施例的结构示意图；图2是本发明可燃气体检测系统的第二实施例的结构示意图。
具体实施例方式如图1所示，是本发明的可燃气体监测系统的第一实施例，包括可燃气体复合装 置110、出口电信号监测装置、数据处理装置130、以及输出装置140等。该可燃气体监测系 统可应用于核电站的安全壳150内的可燃气体(特别是氢气)的监测；当然，该系统也可以 应用到其他的需要进行可燃气体监控的场合，而不限于核电站的应用。在本实施例中，以应用到核电站的安全壳150内的氢气监测，从而能够监测设计 基准事故和严重事故情况下安全壳150内的氢气浓度，为相关技术人员和操纵员提供事故 处理依据。在本实施例中，该可燃气体复合装置为非能动氢气复合装置110，具有气流入口 111和出口 112。该出口电信号监测装置采用热电偶，包括设置出口 112处的出口热电偶 120，用于检测出口 112处的电信号，该电信号可以为电流信号或电压信号。该非能动氢气 复合装置110和出口热电偶120共同组成氢气测量传感器，该系统可以使用一台或多台氢 气测量传感器，其可以安装在事故情况下局部氢气浓度较高的位置，例如安全壳150顶部、 吊车环廊平台、环吊机构、蒸汽发生器顶部等安全壳150内的相关位置。该出口热电偶120通过导线与数据处理装置130连接，从而将监测到的电信号传 送到数据处理装置130进行处理。在本实施例中，该数据处理装置130设置在安全壳150 外，包括出口信号采集模块131、存储模块132、输出模块133以及数据处理模块134等。当 然，数据处理装置130也可以设置在安全壳150内，其安装位置不受限制。该出口信号采集模块131与出口热电偶120连接，用于采集出口热电偶120的电 信号。例如，以1 120秒扫描一次的方式进行连续或者间隔采集，并将采集到的电信号传 送给数据处理模块134。该存储模块132用于存储电信号与可燃气体浓度对应关系数据，以提供数据处理 模块134根据电信号查找对应可燃气体浓度。如表1所示，是电压与氢气浓度的对应关系 数据表，该表列举出了不同热电偶材质、型号对应的氢气浓度。可以理解的，该对应关系也 可以为电流与氢气浓度的对应关系、也可以采用其他不同的热电偶材质、型号等，而得出不 同的对应关系数据。表中分别给出了采用镍铬硅_镍硅镁热电偶、钨铼热电偶、钼铑3(Γ钼 铑6热电偶分别与氢气浓度的对应关系。其中，可以通过将已知浓度的含氢气流通入可燃 气体复合装置，然后在可燃气体复合装置的出口处检测热电偶的电压(或电流)，来得到表 1中的数据；当然，也可以通过其它的方法得到表1的数据，例如通过计算、多次试验等。表1各种热电偶电压与氢气浓度对应关系表 该数据处理模块134分别与出口信号采集模块131、存储模块132和输出模块133 连接，用于根据出口电信号进行处理，并从存储模块132的对应关系数据中查找得到对应 的可燃气体浓度，并通过输出模块133输出至输出装置140。该数据处理模块134可以根据 出口电信号直接查找对应的可燃气体浓度输出；或者，通过将多次采集的出口电信号取平 均值后，再查找对应的可燃气体浓度输出。另外，如果对应关系数据中没有与出口电信号完 全相同的数据，则可以根据就近原则、或者按设定的规则(如线性)计算得到对应的可燃气 体浓度输出。输出装置140与数据处理装置130连接，用于输出氢气浓度的结果。该输出装置 140可以为显示器、打印机等各种输出设备，其输出的内容可以包括氢气含量、入口 111温 度、出口 112温度等，为相关技术人员和操纵员提供事故处理依据。使用该可燃气体监测系统进行监测时，安全壳150内含有可燃气体的气流从入口 111进入可燃气体复合装置，并在可燃气体复合装置内进行复合反应，然后从可燃气体复合 装置的出口 112排出。具体的，该可燃气体复合装置采用非能动氢气复合装置110，其采用钼铑合金催化剂作为催化媒介113。当流经非能动氢气复合装置110气流中的氢气浓度达到或者超过非 能动氢气复合装置110中的钼铑合金催化剂的启动值时，非能动氢气复合装置110启动。 钯-钼合金催化剂的氢气复合作用启动阈值一般为氢气浓度在0. 1% -2%之间。在氢气浓 度高于4%时可以达到较高的催化复合效果，通常在90%以上，并可以根据钯-钼合金催化 剂的载体结构进行调整，如采用球床结构、蜂窝煤结构、板式结构等。在非能动氢气复合装置110内的氢氧复合为氧化还原反应，属于化学放热。在经 过催化剂的催化后，放热效果将更为集中和显著。流经非能动氢气复合装置110的气流经 过复合作用后，气体温度受放热反应加热作用而升高。通过安装于非能动氢气复合装置110内的热电偶120监测进出口 112处的电信号 (电流或电压信号)，并通过导线经过安全壳贯穿件引出至安全壳150外，输入到数据处理 装置130。通过出口信号采集模块131对出口热电偶120的电信号的采集，例如以1 120 秒扫描一次的方式进行连续或者间隔采集，并传输给数据处理模块134。数据处理模块134 根据采集到出口 112处的电信号，依据热电偶的电信号与可燃气体对应关系的对应关系数 据，查询计算得到气流中可燃气体的浓度。得到氢气的浓度后，可以通过输出装置140，例如显示器、打印机等输出，为相关技 术人员和操纵员提供事故处理依据。如图2所示，是本发明的可燃气体监测系统的第二实施例，包括可燃气体复合装 置、电信号监测装置、数据处理装置230、以及输出装置240等。该可燃气体监测系统可应用 于核电站的安全壳250内的可燃气体(特别是氢气)的监测；当然，该系统也可以应用到其 他的需要进行可燃气体监控的场合，而不限于核电站的应用。在本实施例中，以应用到核电站的安全壳250内的氢气监测，从而能够监测设计 基准事故和严重事故情况下安全壳250内的氢气浓度，为相关技术人员和操纵员提供事故 处理依据。在本实施例中，该可燃气体复合装置为非能动氢气复合装置210，具有气流入口 211和出口 212。该电信号监测装置包括入口电信号监测装置、出口电信号监测装置，可以 采用热电偶，包括分别设置在入口 211处和出口 212处的入口热电偶221和出口热电偶 222，用于检测入口 211和出口 212的电信号。该非能动氢气复合装置210、入口热电偶221 和出口热电偶222共同组成氢气测量传感器，该系统可以使用一台或多台氢气测量传感 器，其可以安装在事故情况下局部氢气浓度较高的位置，例如安全壳顶部、吊车环廊平台、 环吊机构、蒸汽发生器顶部等安全壳250内的相关位置。该入口热电偶221和出口热电偶222通过导线与数据处理装置230连接，从而将 监测到的信号传送到数据处理装置230进行处理。在本实施例中，该数据处理装置230设置 在安全壳250外，可以包括入口电信号采集模块231、出口电信号采集模块232、压力信号采 集模块233、存储模块234、输出模块235以及数据处理模块236。当然，数据处理装置230 也可以设置在安全壳250内，其安装位置不受限制。该入口电信号采集模块231和出口电信号采集模块232分别与入口热电偶221和 出口热电偶222通过导线连接。该存储模块234可以存储有与电流或电压与温度对应关系 表，该对应关系表与采用的热电偶材质、型号等相关。通过采集到入口热电偶221和出口热电偶222的电信号(如电压、或电流)，在电信号与温度对应关系表中查找、计算对应的温 度，从而得到入口 211处和出口 212处的温度。如表2，给出了三种热电偶(镍铬硅-镍硅 镁热电偶、钨铼热电偶、钼铑3(Γ钼铑6热电偶)的电压分别与温度的对应关系表；当然，也 可以是电流与温度的对应关系表。可以理解的，电压值和温度之间对应关系可以通过实验 设定或者通过计算设定。表2三种热电偶的电压与温度的对应关系表 该压力信号采集模块233用于采集安全壳250内的压力信号，并将压力信号传送 到数据处理模块236。可以理解的，可以通过在安全壳250或复合装置210内设置压力传感 装置223，将压力信号传送到压力信号采集模块233进行压力信号的采集。该数据处理模块236与入口电信号采集模块231和压力信号采集模块233连接， 根据得到的入口温度和压力信号来计算得到入口 211处的蒸汽体积份额。具体的，当发生 事故时，安全壳250内的空气湿度为100%，根据监测到气流的入口 211温度，依据水物性表 可以计算得到蒸汽饱和分压Psteam，从而得到=Xsteam = Psteam/P，其中Xsteam为蒸汽体积份额，P为采集到的压力信号。该数据处理模块236同时与入口电信号采集模块231、出口电信号采集模块232和 压力信号采集模块233连接，用于根据入口温度、出口温度、蒸汽体积份额，结合预先设定 的浓度-温度-电流或电压对照关系进行计算得到氢气浓度。可以理解的，具体的浓度-温 度-电流或电压可以根据非能动氢气复合装置210的催化剂载体结构、复合反应速率、氢氧 复合效率等进行设定。输出装置240与数据处理装置230连接，用于输出氢气浓度的结果。该输出装置 240可以为显示器、打印机等各种输出设备，其输出的内容可以包括氢气含量、入口温度、出 口温度等，为相关技术人员和操纵员提供事故处理依据。以下是采用上述可燃气体监测系统进行可燃气体监测的方法的实施例。安全壳 250内含有可燃气体的气流从入口 211进入可燃气体复合装置，并在可燃气体复合装置内 进行复合反应，然后从可燃气体复合装置的出口 212排出。具体的，该可燃气体复合装置采用非能动氢气复合装置210，其采用钼铑合金催化 剂作为催化媒介213。当流经非能动氢气复合装置210气流中的氢气浓度达到或者超过非 能动氢气复合装置210中的钼铑合金催化剂的启动值时，非能动氢气复合装置210启动。 钯-钼合金催化剂的氢气复合作用启动阈值一般为氢气浓度在0. 1% -2%之间。在氢气浓 度高于4%时可以达到较高的催化复合效果，通常在90%以上，并可以根据钯-钼合金催化 剂的载体结构进行调整，如采用球床结构、蜂窝煤结构、板式结构等。在非能动氢气复合装置210内的氢氧复合为氧化还原反应，属于化学放热。在经 过催化剂的催化后，放热效果将更为集中和显著。流经非能动氢气复合装置210的气流经 过复合作用后，气体温度受放热反应加热作用而升高。通过安装于非能动氢气复合装置210 内的入口热电偶221、出口位置处的出口热电偶222监测进入口 211、出口 212的温度变化， 产生电信号(如电流或电压信号)，并通过导线经过安全壳250贯穿件引出至安全壳250 外，输入到数据处理装置230。通过对入口热电偶221、出口热电偶222的电流或电压信号的采集，例如以1 120秒扫描一次的方式进行连续或者间隔采集，并传输给数据处理装置230，进行气流温度 的监测。数据处理装置230的入口电信号采集模块231和出口电信号采集模块232根据采 集到入口 211处和出口 212处的电信号，依据热电偶的电信号与温度的对应关系表，计算得 到入口 211处的气流温度和出口 212处的气流温度。在得到入口 211处的气流温度后，由数据处理模块236根据得到的入口温度和压 力信号来计算得到入口 211处的蒸汽体积份额。具体的，当发生事故时，安全壳250内的空 气湿度为100%，根据监测到气流的入口 211温度，依据水物性表可以计算得到蒸汽饱和分 压Psteam，从而得到Xst_ = Pst_/P，其中Xsteam为蒸汽体积份额，P为采集到的压力信号。然后，由数据处理模块236根据得到的入口温度、出口温度、蒸汽体积份额等，依 据浓度-温度对照关系进行计算及数据处理，得出当前的氢气浓度。下面给出的是一个浓 度-温度的对照关系的实例，当然，也可以根据的公式进行计算得出相应的浓度-温度的对 应关系。氢氧复合反应的化学式为2H2+02 = 2H20+2QKX，在lbar，25°C时，若复合产物H2O为 气体，Q = 242kJ/mol。
假定1)反应前混合气体总摩尔数N1,空气摩尔数，水蒸汽摩尔数 “彻 ，氢气摩尔数nH，气温=T1，气体压力PIt)2)氢氧反应后(假设复合产物H2O为气体)氢氧反应效率因子η，气体总摩 尔数-.Nf = Ni-〒，空气摩尔数柳，水蒸汽摩尔数⑩ …，气温TF，压力PF， 空气摩尔分子量Mto，空气比定容热容Cvto,水蒸汽摩尔分子量Msteam,水蒸汽比定容热容 Cvsteam，氢气摩尔分子量Mh2，氢气比定容热容CvH2，每摩尔氢气参与反应产生热QKX。
得到以下关系式 假定氢氧完全复合，氢氧复合的效率因子η = 1，最终得到燃烧后的压力表达式， 其中，代表燃烧后剩余空气升高1K(°C )所需总能量，Qsteaffl代表燃烧后剩余水蒸汽升高 IK(0C)所需总能量 其中
假定燃烧前水蒸汽、空气的体积份额分别为XH、Xstom，公式⑶可以转换为
AT =
_xHQRx__,、
-Xh(5 )
(卜 Xh - Xsteam “ ~γ·) . MAir . CVAir + (xsteam + xh)' MSteam ■ cVsteam由气体的热力特性可知，随着温度的升高，WaA^和增大，燃烧后空气 的摩尔质量也会有所减小，假定采用以下相关参数值MAir = 28g/molMsteam = 18g/molmH2 = 2g/molCvaif =711.756J/(kg*K)Cysteara =1591J/(kg*K)Qex = 242kJ/mol (产物为气体)
经过分析计算可以得到如表1所示的氢燃增温计算结果t 表1 氢燃增温分析(单位摄氏度，燃烧产物为气体)
11 具体的数据对应关系根据催化剂载体结构、氢气浓度、复合反应速率、氢氧复合效 率等有所不同，实际取非能动氢气复合装置210试验结果的经验对照表。当通过计算得到氢气的浓度后，可以通过输出装置240，例如显示器、打印机等输 出，为相关技术人员和操纵员提供事故处理依据。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体 实施方式，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员 在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多 形式，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
一种可燃气体监测系统，其特征在于，包括具有入口和出口的可燃气体复合装置，用于接入含有可燃气体的气流进行复合反应；设置在所述出口处的出口电信号监测装置，用于监测所述出口的出口电信号；与所述出口电信号监测装置电连接的数据处理装置，用于根据监测到的所述出口电信号进行处理，得出与所述出口电信号对应的可燃气体在所述气流中的浓度；以及与所述数据处理装置连接的输出装置，用于输出所述浓度的结果。
2.根据权利要求1所述的可燃气体监测系统，其特征在于，所述数据处理装置包括与 所述出口电信号监测装置连接的出口信号采集模块；用于存储电信号与可燃气体浓度对应关系数据的存储模块； 与所述输出装置连接的输出模块；以及，与所述出口信号采集模块、存储模块和输出模块连接的数据处理模块，用于对所述出 口信号采集模块得到的出口电信号进行处理并从所述存储模块的对应关系数据中查找得 到对应的可燃气体浓度，并通过所述输出模块输出至所述输出装置。
3.根据权利要求1所述的可燃气体监测系统，其特征在于，在所述入口处设有入口电 信号监测装置，用于检测所述入口处的入口电信号；该可燃气体监测系统还设有用于监测所述气流所在环境的压力信号的压力监测装置。
4.根据权利要求3所述的可燃气体监测系统，其特征在于，所述数据处理装置包括与 所述入口电信号监测装置连接的入口电信号采集模块；与所述出口电信号监测装置连接的出口电信号采集模块； 与所述压力监测装置连接的压力信号采集模块； 用于存储电信号与温度对应关系数据的存储模块； 与所述输出装置连接的输出模块；以及，与所述入口信号采集模块、出口信号采集模块、压力信号采集模块、存储模块和输出模 块连接的数据处理模块，用于根据所述入口信号采集模块得到的入口电信号、所述出口信 号采集模块得到的出口电信号进行处理并从所述存储模块的对应关系数据中查找得到对 应的入口温度和出口温度，并根据所述入口温度和压力信号计算得到入口处的蒸汽体积份 额，并根据入口温度、出口温度、蒸汽体积份额计算得到氢气浓度。
5.根据权利要求1-4任一项所述的可燃气体监测系统，其特征在于，所述可燃气体复 合装置为非能动氢气复合装置；所述可燃气体为氢气；所述出口电信号监测装置为出口热电偶。
6.根据权利要求3或4所述的可燃气体监测系统，其特征在于，所述入口电信号监测装 置为入口热电偶。
7.一种可燃气体监测方法，其特征在于，包括以下步骤；51含有可燃气体的气流从入口进入可燃气体复合装置，并在所述可燃气体复合装置 内进行复合反应，然后从所述可燃气体复合装置的出口排出；52监测所述可燃气体复合装置的出口处的出口电信号；53根据所监测到的电信号进行处理得到与所述出口电信号对应的可燃气体在所述气 流中的含量，并输出。
8.根据权利要求7所述的可燃气体监测方法，其特征在于，所述步骤S2中，还检测所述可燃气体复合装置的入口处的入口电信号；该步骤S2包括步骤S2-1 通过设置在所述入口处的入口热电偶来探测所述入口处的 入口电信号，并根据入口信号采集模块采集到的所述入口电信号计算得到所述入口处的入 口温度；52-2通过设置在所述出口处的出口热电偶来探测所述出口处的电信号，并根据出口 信号采集模块采集到的出口电信号计算得到所述出口处的出口温度。
9.根据权利要求8所述的可燃气体监测方法，其特征在于，所述入口热电偶和出口热 电偶的电流或电压信号以1 120秒扫描一次的方式进行连续或间隔采集。
10.根据权利要求8或9所述的可燃气体监测方法，其特征在于，所述步骤S3包括步 骤S3-1 根据得到的入口处的入口温度，依据水物性表计算得到所述入口处的蒸汽体积份 额；53-2根据所述入口温度、出口温度、蒸汽体积份额计算得到氢气浓度。
全文摘要
本发明涉及可应用到核电站的安全壳内的可燃气体监测系统及方法。该系统包括具有入口和出口的可燃气体复合装置、设置在出口处的出口电信号监测装置、与出口电信号监测装置连接的数据处理装置，用于根据监测到的出口电信号进行处理，得出与出口电信号对应的可燃气体在气流中的浓度；以及与数据处理装置连接的输出装置，用于输出浓度的结果。通过电信号监测装置来监测可燃气体复合装置的出口处的电信号，再由数据处理装置进行处理得到可燃气体在气流中的含量，具有可燃气体的监测可以不受事故恶劣环境条件的限制，并可同时满足设计基准事故和严重事故的可燃气体的监测，并可实现连续监测的优点。
文档编号G01N27/00GK101915786SQ201010234910
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者姜晓玲, 林继铭, 肖洲, 葛珍珍, 骆邦其 申请人:中科华核电技术研究院有限公司;中国广东核电集团有限公司