一种适用于严重事故条件下安全壳内气溶胶取样装置与测量方法

1.本发明涉及的是一种气溶胶的取样装置与测量方法，具体地说是核电站严重事故条件下气溶胶的取样装置与测量方法。


背景技术：

2.在反应堆发生严重事故时，如堆芯的燃料元件包壳大面积失效，裂变产物会从破损或熔融元件中释放出来，随后，在反应堆冷却剂系统内会有迁移、沉降和再悬浮过程。反应堆冷却剂系统压力边界破损之后，高温高压且含有放射性裂变产物的冷却剂会伴随着破口事故的发生而释放到安全壳内。气溶胶是裂变产物的主要状态之一，随着严重事故的进行会在安全壳内迁移和沉降，一旦安全壳完整性遭到破坏，这些放射性气溶胶将会释放到环境，即使安全壳完整性没被破坏，放射性气溶胶也可能通过安全壳的缝隙泄漏到环境中，给周边人员及环境带来危害。因此，安全壳内放射性气溶胶的输运和沉积规律监测对于事故应急措施的制定具有重要的参考价值。
3.此外，随着严重事故进程的发展，安全壳内气溶胶所处的热工环境有着较大差异，这种环境差异会改变气溶胶的迁移机制与去除速率，如：气溶胶在高温高压低湿条件下，浓度很高，粒径尺寸较大，此时重力沉降与布朗聚合机制占主导；当气溶胶处于高温高压高湿环境时，即使气溶胶浓度很高，粒径尺寸较大，扩散泳的去除速度要远大于重力沉降与布朗聚合所去除的气溶胶量。所以在该条件下扩散泳为气溶胶的主要去除机制。通过上述两种热工条件的比对，可以发现，热工环境的不同，气溶胶所对应的去除机制也存在差异，因此这种复杂环境下的气溶胶行为计算模型也比较缺乏，且现有模型也缺少实验的验证这都给严重事故后源项分析和应急计划区划分带来很大的不确定性。所以需要开展高温高压高湿条件下的气溶胶去除机理实验研究，获得严重事故条件下安全壳内气溶胶行为实验数据和精细化预测模型。
4.无论是安全壳内气溶胶特性的实时监测，还是安全壳模拟环境下气溶胶行为规律的实验研究，都要求对高温高湿环境下的气溶胶进行高精度取样分析。目前对于气溶胶的取样分析方法大致可以归纳为以下三种：荷电撞击取样法、机械滤膜取样法、光学取样分析法。荷电撞击取样法通过使用荷电撞击取样器来完成。进入取样器的颗粒物被荷电器充上一定电量的电荷，之后在低压串联的撞击器内依照空气动力学粒径分级收集。收集传感器上的感应电信号和收集颗粒物的质量浓度成正比，从而可以对不同粒径范围的气溶胶质量浓度进行分析。主机使用条件为样品气体温度小于60℃，湿度范围为0
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90％(水蒸气不能发生凝结)，可以与气溶胶稀释器配合工作，进行高压高湿条件下的气溶胶空气动力学粒径质量浓度的分析，但是气溶胶的稀释过程由于存在若干补气降压的支路，使得回路长度较大，容易造成气溶胶的过度损失，使得经过若干支路降压后的气溶胶样品气体测量浓度偏差较大。机械滤膜取样法通过金属滤膜托和滤膜配合，以实现单次取样。取样后需将金属滤膜托中的滤膜取出，通过扫描电镜或者称重法进行气溶胶粒径尺寸与数量分析。该方法不能实
现连续取样，并且由于滤膜较为脆弱，需要控制金属滤膜拖进出口的取样压差，但该方法可以用于高压高湿度条件下的气溶胶取样工作。最后一种也是适用面最为广泛的一种实时取样方法，光学取样分析法。光学取样分析法可以实现高精度连续取样分析，该方法不仅在核科学领域存在应用，并且在医用防护产品生产领域也有很高的应用面，如可以对医用口罩的气溶胶去除效率进行分析等。光学取样分析法的主要设备为光学颗粒计数器，该设备可以通过对颗粒进行激光照射、测量散射光的能量分布，并分析散射光强度与颗粒粒径的关系，得到颗粒的粒径分布特征。光学粒子计数器在进行粒径测量时，必须保证流经探头的取样气体稳定在5l/min，在常温常压条件下，光学颗粒计数器的主机与探头配合工作可以进行流量的精确控制，然后在高压条件下，尤其是高压气体带水蒸汽的环境，高温可能导致主机损坏，而低温又将引起水蒸汽冷凝，因此主机无法实现探头处取样流量的控制，光学颗粒计数器也无法在高温高压高湿环境下实现气溶胶的实时测量。
5.综合上述的气溶胶取样测量设备可以发现，荷电撞击取样器虽然可以进行高压高湿条件下的气溶胶取样工作，但是一方面由于减压支路的存在，使得气溶胶在管道和减压取样时产生较大的损失，另一方面样品气溶胶需要携带电荷，这就使得部分样品气溶胶在与取样管道接触后产生的再悬浮无电荷，气溶胶无法进行取样工作，造成取样样品的损失，因此无法满足事故条件下安全壳内气溶胶浓度的分析工作。对于机械滤膜取样法而言，虽然不会造成取样样品的损失，但是由于其分析过程较为麻烦，并且不能进行连续取样，这会对事故源项的分析工作增加额外的工作量并且不能时时监测事故气溶胶的浓度变化。
6.因此，为解决光学颗粒计数器在高温高压高湿条件下的取样分析的不足，，本发明将提供一种可以使得光学颗粒计数器应用在高温高压高湿条件下的取样测量方案。基本原理是：高温高压高湿的样品气溶胶通过串列减压装置进行降温降压后进入探头进行测量，利用水蒸汽处理单元与纤维过滤单元来使气体组分和纯度满足控制要求，并通过双点位压力传感器和温度传感器与逻辑控制组件配合，实现探头处取样流量的精确控制。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供能解决光学颗粒计数器在高温高压高湿条件下的取样分析不足的一种适用于严重事故条件下安全壳内气溶胶取样装置与测量方法。
8.本发明的目的是这样实现的：
9.本发明一种适用于严重事故条件下安全壳内气溶胶取样装置，其特征是：包括容器、取样管道、串列减压装置、光学颗粒计数器探头、蓄水池、换热水箱，容器通过取样管道连接光学颗粒计数器探头，取样管道上设置串列减压装置，换热水箱与蓄水池通过高度不同的两根管相连通，换热水箱里设置换热管，换热管的一端经光学颗粒计数器探头连接取样管道，换热管的另一端从换热水箱底部伸出，并在伸出的部分设置汽水分离器、精过滤器、流量控制器。
10.本发明一种适用于严重事故条件下安全壳内气溶胶取样装置还可以包括：
11.1、光学颗粒计数器探头下方的换热管上设置止回阀、纤维过滤器。
12.2、还包括第一
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第三截止阀，止回阀与纤维过滤器之间设置第一之路，第一截止阀设置在第一支路上，纤维过滤器下方的换热管上设置第三截止阀，第三截止阀与纤维过滤器之间设置第二支路，第二截止阀设置在第二支路上。
13.3、容器里设置容器内温度传感器、容器内压力传感器，容器与串列减压装置之间的取样管道上设置取样阀，串列减压装置与光学颗粒计数器探头之间的取样管道上设置光学测量压力传感器、光学测量温度传感器。
14.4、所述串列减压装置包括壳体，壳体里依次设置喷嘴、第一缓冲段、缓冲室、第二缓冲段，壳体里还设置自动排气管道，自动排气管道伸出至壳体外部，自动排气管道上设置自动排气阀，缓冲室设置压力传感器。
15.本发明一种适用于严重事故条件下安全壳内气溶胶取样测量方法，其特征是：加热取样管道，使得蒸汽在取样管内不产生冷凝，对光学颗粒计数器的探头进行升温工作，使得探头的工作温度大于样品气体的温度，防止蒸汽冷凝；开启容器内压力传感器、光学测量压力传感器、容器内温度传感器、光学测量温度传感器、流量控制器，开启取样阀样品气体通过串列减压装置，进行降温减压，并依次流经光学测量压力传感器和光学测量温度传感器，当样品气体流经光学颗粒计数器探头时，经过测量光的散射强度得到样品气体内的气溶胶数量与质量浓度；测量完成后的样品气体经过纤维过滤器与换热管后剩洁净、干燥的不凝结气体，最后流经流量控制器排放到大气中。
16.本发明一种适用于严重事故条件下安全壳内气溶胶取样测量方法还可以包括：
17.1、气溶胶取样与测量过程中，通过控制流量控制器的开度使得经过光学颗粒计数器探头处的混合气体流量达到预定值，即通过靠近取样管道的容器内温度传感器和容器内压力传感器的参数计算出样品气体的蒸汽份额，之后通过光学测量压力传感器和光学测量温度传感器测量的热工参数来确定此时的混合气体密度值，再结合下游流量控制器测量的不凝性气体流量，获得流经探头的混合气体流量，流量控制器实时的对不凝性气体流量进行调节和控制，保证光学探头处的流量满足测量要求。
18.本发明的优势在于：
19.1、解决了目前高温高湿环境下取样的不足，可以长时间稳定高效的运行，以满足事故条件下安全壳内气溶胶的取样分析工作。
20.2、串列减压装置的使用，可以实现极小甚至无损条件下的气溶胶热态降压。
21.3、采用双点位参数测量技术，使得气溶胶的取样流量控制更加精准。
22.4、纤维过滤器的使用可以实现高温高压条件下的气溶胶去除，并且由于吹扫回路的设计，使得实验设备与管壁面中气溶胶沉积的去除操作难度得到简化。
附图说明
23.图1为本发明的结构示意图；
24.图2为串列减压装置示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
26.结合图1
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2，本发明提供一种容器中处于高温高压，且含有大量水蒸汽条件下的气溶胶取样方法与高精度测量技术。取样与测量回路由容器内温度传感器1、容器内压力传感器2、串列减压装置4、光学测量压力传感器5、光学测量温度传感器6、温度控制器20、光学颗粒计数器的探头7与主机8、纤维过滤单元9、10、11、12、13、水蒸气处理单元14、15、16、17、流
量控制器18、逻辑控制组件19和容器21组成，并通过管道连接。管道相关位置安装取样阀门3。通过上述各单元的串联，可以使得容器内的高温高压样品气体经过串列减压装置实现无损减压后进入探头进行气溶胶浓度的分析。由于流量控制器的工作环境为常温、常压，且无法进行空气
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水蒸汽的混合气体的流量测量，所以样品气体流经探头后需要先进行降温，为了满足降温的需求设计了对应的水蒸气处理单元，该单元可以将高温的样品气体冷却下来。为了防止蒸汽冷却时沉积的气溶胶阻碍样品气体的继续流入，且影响蒸汽冷却单元的工作性能，以及流量控制器的可靠工作，所以在样品气体流经水蒸气处理单元前先要进行气溶胶的去除工作，但是由于此时的气溶胶处于热态含大量水蒸汽环境，普通的玻璃纤维过滤器无法满足工作参数要求，因此采用蓬松金属纤维过滤器，并且根据金属纤维过滤器的特性，为保证过滤器的长时间可靠运行，在纤维过滤器的进出口设计了吹扫回路。
27.气溶胶取样与测量回路基本原理如下：容器内的高温高压采样气体经过串列减压装置，变为高温低压的样品气体，从而可以满足光学测量探头的测量需求，并经光学探头进行气溶胶粒径分布和浓度的测量，测量后的样品气体经纤维过滤器去除气溶胶后进入水蒸气处理单元，水蒸汽处理单元的主要作用是冷却并分离出混合样品气体中的水蒸汽，以满足后端流量控制器的使用需求。经过水蒸汽处理单元后剩余的不凝结气体进入流量控制器，通过流量控制器的计量并反馈电流信号用于控制取样流量。为了保证光学探头处流量满足测量要求，采用双点位热工参数测量，即在光学探头入口处与容器内均设置了高精度压力传感器和温度传感器，采集的压力信号和温度信号传递至逻辑控制组件，并通过容器内混合气中蒸汽温度和压力之间的对应关系，确定混合气体中蒸汽的摩尔份额，摩尔份额与光学探头处的热工参数的获取，可以得到混合气体的混合密度，再结合下游流量控制器测量的不凝性气体流量，即可获得流经探头的混合气体流量，逻辑控制组件在编写过程中可以设定混合气体流量，这样流量控制器就能够实时的对不凝性气体流量进行调节和控制，保证光学探头处的流量满足测量要求。
28.根据严重事故分析结果可知，严重事故后安全壳内压力较高，有些工况下会超出光学测量仪器的使用条件，从而无法进行监测。而且为满足非能动运行和减少气溶胶损失的需要，在光学测量仪器的前端也无法通过设置阀门的方式来进行减压和流量控制，因此本发明设计了串列减压装置来实现容器内样品气体的取样减压和流量调节。图2中，串列减压装置4由喷嘴24、缓冲段26和27、缓冲室26、压力传感器23自动排气阀22和逻辑控制组件19组成，可以实现样品气体中气溶胶低损耗甚至是无损条件下的降温减压。样品气体通过喷嘴24进行降温减压，之后经过缓冲段25进入缓冲室26，并通过缓冲段27与取样管道连接。缓冲室26中设置有压力传感器23与自动排气阀22，可以通过控制自动排气阀22的开度来控制缓冲室内样品气体的压力值。样品气体经过渐缩喷嘴后，流速达到临界状态，为了达到减压的效果，需要再配置渐扩喷嘴，并且为了减少样品气体经过喷嘴后的流质震荡问题特此设计了储气腔，再经结构与工艺的优化，将渐扩喷嘴与储气腔结合形成了图2中的缓冲室26。为了保证样品气体在串列减压装置中流过时气溶胶的损失量达到最小，所以储气腔设计的几何形状与渐扩喷嘴喷出的气流流场相同，并且为了元件的安装简便、降低设备的加工工艺，设计了缓冲段25、27。根据临界理论的分析可知，当上游压力变化时，喷嘴出来的流量值也会变化，使得缓冲室26的压力升高，为了解决喷嘴流量与流量控制器的取样流量不匹配的问题，在缓冲室中设计安装有压力传感器23与自动排气阀22，并将其与逻辑控制组
件19相连，使得当上游压力变化时，可以通过逻辑控制组件19中设定的压力值调节自动排气阀的开度来控制缓冲室内样品气体的压力值。
29.取样回路的实际使用过程中，流量控制器18是及其重要的一部分，根据其工作条件可知，该控制器需要在常温常压干空气条件下工作，并且通过控制器的气体中不能含有气溶胶等微小颗粒物，无论违背了任何一条使用条件，都会对流量控制器18造成不可逆的损害。针对流量控制器18的使用条件与样品气体中的参数差异，设计使用了去除气溶胶等微小颗粒物的纤维过滤单元9、10、11、12、13与可以满足流量控制器18在常温常压干空气条件下使用的水蒸气处理单元14、15、16、17。
30.图1中的纤维过滤单元9、10、11、12、13由止回阀9、纤维过滤器11和截止阀10、12、13组成。由于回路中的样品气溶胶为高温高压状态，为了对其进行高效去除设计了纤维过滤器，即通过法兰与纤维毡的组合来实现气溶胶的高温高压条件下的去除。但是由于实际使用过程中纤维毡表面容易堆积一些气溶胶，这些气溶胶会阻碍样品气体的流通速率。为了解决这个问题，在纤维过滤单元中安装有吹扫回路，及关闭回路阀门13，开启自动排气阀门10、12，并补充一路吹扫气流使其进入自动排气阀门12反向吹扫纤维过滤器，使得吹扫气体可以携带气溶胶从自动排气阀门10离开此回路。
31.图1中的水蒸气处理单元14、15、16、17由换热水箱14、蓄水池15、汽水分离器16和精密过滤器17组成。通过设定采样流量与样品气体的最高热工参量，计算出所需换热管的管长，将换热管放入换热水箱14内部使得换热水箱14内部的冷却水全部淹没换热管。换热水箱14与蓄水池15通过高度不同的两根圆管相连，当取样回路工作时，样品气体的温度传递给换热水箱14内的冷却水，使得换热水箱14内的冷却水温升高并与蓄水箱15内的水形成温度差，在密度差的作用下，使得两个水箱内部的水可以自然流动。样品气体经过换热水箱14后会使得水蒸气冷凝成水滴，再经过汽水分离器16与精密过滤器17的双重作用，去除样品气体中的水滴，仅剩不凝结气体。
32.图1中的控制单元有温度控制器20和逻辑控制组件19两部分，其中温度控制器20用于控制样品气体经过探头前的取样管道温度，逻辑控制组件19采用双点位数据采集方式，并经过内部的控制程序控制流量控制器18的开启程度。流量控制的方案和原理如下：首先为了防止光学颗粒计数器的探头处混合样品气体携带小液滴，污染探头镜片，影响取样精度，所以要确保经过探头处的样品气体处于过热状态。管道的温度参数可以通过温度控制器20进行设定。由于样品气体处于过热状态后无法通过光学测量压力传感器5和光学测量温度传感器6来计算出此时的样品气体蒸汽份额，所以特提出双点位控制思想，即通过靠近取样管道的容器内温度传感器1和容器内压力传感器2来计算出样品气体的蒸汽份额，之后通过光学测量压力传感器5和光学测量温度传感器6测量的热工参数来确定此时的混合气体密度值，之后通过不凝结气体的质量守恒来计算出，保证满足探头处取样流量时的流量控制器18的开度值。
33.如图1所示，该回路由容器内温度传感器1、容器内压力传感器2、串列减压装置4、光学测量压力传感器5、光学测量温度传感器6、温度控制器20、光学颗粒计数器的探头7与主机8、高温高压气溶胶去除单元9、10、11、12、13、水蒸气处理单元14、15、16、17、流量控制器18、逻辑控制组件19和容器21组成，并通过管道连接。管道相关位置安装取样阀门。传感器1、2、5、6、流量控制器18与逻辑控制组件19相连接，即可将采集与控制信号接入逻辑控制
组件19中，这样取样回路便连接成为一个整体。
34.根据图1所示的一种适用于严重事故条件下安全壳内气溶胶取样与测量技术流程图，总体工作过程如下所述。开启温度控制器20，加热取样管道，使得蒸汽在取样管内不产生冷凝，通过光学颗粒计数器的主机8对光学颗粒计数器的探头7进行升温工作，使得探头的工作温度大于样品气体的温度，防止蒸汽冷凝。开启压力传感器2、5、温度传感器1、6、流量控制器18和逻辑控制组件19，准备进行取样混合流量的控制工作。开启取样阀3样品气体通过串列减压装置4，进行降温减压，并依次流经光学测量压力传感器5和光学测量温度传感器6。当样品气体流经光学颗粒计数器的探头时，经过测量光的散射强度可以得到样品气体内的气溶胶数量与质量浓度。测量完成后的样品气体经过纤维过滤单元9、10、11、12、13与水蒸气处理单元14、15、16、17后仅剩洁净、干燥的不凝结气体，最后流经流量控制器18排放到大气中。气溶胶取样与测量技术中需要通过控制流量控制器18的开度使得经过光学颗粒计数器探头7处的混合气体流量达到预定值，即通过靠近取样管道的容器内温度传感器1和容器内压力传感器2的参数传递使得逻辑控制组件19计算出样品气体的蒸汽份额，之后通过光学测量压力传感器5和光学测量温度传感器6测量的热工参数来确定此时的混合气体密度值，再结合下游流量控制器测量的不凝性气体流量，即可获得流经探头的混合气体流量，逻辑控制组件在编写过程中可以设定混合气体流量，这样流量控制器就能够实时的对不凝性气体流量进行调节和控制，保证光学探头处的流量满足测量要求。
35.如图2所示，串列减压装置4由喷嘴24、缓冲段26和27、缓冲室26、压力传感器23、自动排气阀22和逻辑控制组件19组成。喷嘴24、缓冲段26和27和缓冲室26为一体的加工设备，并在缓冲室26侧端预留2个支路，其中一个通过螺纹连接固定压力传感器23，另一个支路通过直通与自动排气阀22连接。样品气体通过喷嘴24进行降温减压，之后经过缓冲段25进入缓冲室26，并通过缓冲段2与取样管道连接。缓冲室26中设置有压力传感器23与自动排气阀22，可以通过逻辑控制组件19中的设定值控制自动排气阀22的开度来控制缓冲室内样品气体的压力值。串列减压装置4可以实现样品气体中气溶胶低损耗条件下的降温减压。
36.如图1所示，纤维过滤单元9、10、11、12、13由止回阀9、纤维过滤器11和截止阀10、12、13组成，各部件之间通过法兰与管道连接。由于回路中的样品气溶胶为高温高压状态，为了对其进行高效去除设计了纤维过滤器，即通过法兰与纤维毡的组合来实现气溶胶的高温高压条件下的去除。但是由于实际使用过程中纤维毡表面容易堆积一些气溶胶，这些气溶胶会阻碍样品气体的流通速率。为了解决这个问题，在纤维过滤单元中安装有吹扫回路，及关闭回路阀门13，开启自动排气阀门10、12，并补充一路吹扫气流使其进入自动排气阀门12反向吹扫纤维过滤器，使得吹扫气体可以携带气溶胶从自动排气阀门10离开此回路。
37.如图1所示，水蒸气处理单元14、15、16、17由换热水箱14、蓄水池15、汽水分离器16和精密过滤器17组成。换热水箱14与蓄水池15之间通过管道与法兰连接，换热水箱14内的换热管通过穿板卡套与换热水箱14的壁面连接，换热管与汽水分离器16和精密过滤器17之间通过卡套直通与外螺纹直通连接。水蒸气处理单元14、15、16、17在使用中通过设定采样流量与样品气体的最高热工参量，计算出所需换热管的管长，将换热管安装在换热水箱14内部使得换热水箱14内部的冷却水全部淹没换热管。换热水箱14与蓄水池15通过高度不同的两根圆管相连，当取样回路工作时，样品气体的温度传递给换热水箱14内的冷却水，使得换热水箱14内的冷却水温升高并与蓄水箱15内的水形成温度差，在密度差的作用下，使得
两个水箱内部的水可以自然流动。样品气体经过换热水箱14后会使得水蒸气冷凝成水滴，再经过汽水分离器16与精密过滤器17的双重作用，去除样品气体中的水滴，仅剩不凝结气体。
38.图1中的控制单元有温度控制器20和逻辑控制组件19两部分，其中温度控制器20用于控制样品气体经过探头前的取样管道温度，逻辑控制组件19采用双点位数据采集方式，并经过内部自主研发的控制程序控制流量控制器18的开启程度。温度控制器20由pid温控仪、加热带、管道外表面接触热电偶与管道保温层组成。使用时可以设定温度值，通过与取样管道外表面接触的热电偶反馈控制取样管道外的加热带加热功率，使得管道外表面的温度与设定温度一致。逻辑控制组件19由温度采集卡、电流采集卡、电流控制卡与集成控制器组成，各部分之间通过信号线连接。逻辑控制组件19实现流量控制的方案和原理如下：首先为了防止光学颗粒计数器的探头处混合样品气体携带小液滴，污染探头镜片，影响取样精度，所以要确保经过探头处的样品气体处于过热状态。管道的温度参数可以通过温度控制器20进行设定。由于样品气体处于过热状态后无法通过光学测量压力传感器5和光学测量温度传感器6来计算出此时的样品气体蒸汽份额，所以特提出双点位控制思想，即通过靠近取样管道的容器内温度传感器1和容器内压力传感器2来计算出样品气体的蒸汽份额，之后通过光学测量压力传感器5和光学测量温度传感器6测量的热工参数来确定此时的混合气体密度值，之后通过不凝结气体的质量守恒来计算出，保证满足探头处取样流量时的流量控制器18的开度值。