专利名称：一种安全壳内氢气浓度测量系统的制作方法
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钼电极和参比电极组成，通过对探头内钼电极持续通电，保证在接触到氢气和氧气的混合物时，在钼电极表面发生高效的催化化合反应，反应热导致钼电极电阻变化，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不单兀；其中，信号处理单兀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，Tl为环境温度，T2为氢氧化合反应温度；
权利要求
1.一种安全壳内氢气浓度测量系统，其特征在于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，Tl为环境温度，T2为氢氧化合反应温度；
2.根据权利要求I所述的一种安全壳内氢气浓度测量系统，其特征在于所述温度采集单元通过催化式氢气传感器采集核电厂安全壳内的环境温度和氢氧化合反应温度，所述催化式氢气传感器包括催化反应器(I)、防爆器(2)、防护外筒(3)、第一热敏感元件(4)、第一卡套(5)、第二卡套(6)、上花板(7)、定位杆(8)、安装杆(9)、第二热敏感元件(10)、防护保护过滤层(11)、托板(12)和下花板(13); 其中，催化反应器(I)是一端开口的圆筒结构，开口端带有外螺纹；防爆器(2)为一端开口的圆筒结构，开口端带有内螺纹，开口内径与催化反应器(I)开口端外径相配合，筒体内径大于催化反应器(I)的外径；防护保护过滤层(11)为一端开口的圆筒结构，开口端内径与防爆器(2)开口端外径相配合，防护保护过滤层(11)侧壁为由内层侧壁和外层侧壁构成的中间有空隙的双层结构，内层侧壁的内径大于防爆器(2)的外径；托板(12)为圆形板，直径大于防护保护过滤层(11)外层侧壁的外径；防护外筒(3)为两端开口的圆筒结构；上花板(7)的直径与防护外筒(3)的外径相同，下花板(13)的直径与防护外筒(3)的内径相同，上花板(7)和下花板(13)上有均匀分布的通孔，用于气体扩散； 所述催化式氢气传感器中各组件的连接关系如下 上花板(7)位于防护外筒(3)上方，上花板(7)底面与防护外筒(3)筒壁顶端固连，下花板(13)位于防护外筒(3)底部内侧，并与防护外筒(3)筒壁内侧固连；催化反应器(I)装入防爆器(2)内部，催化反应器(I)开口端与防爆器(2)开口端均朝上、且通过螺纹连接，催化反应器(I)底部与防爆器(2)底部留有间隙；防护保护过滤层(11)套装在防爆器(2)外部，且开口端朝上，防护保护过滤层(11)顶部与防暴器顶部固连，防护保护过滤层(11)底部位于防爆器(2)底部下方，并与防爆器(2)底部固连，防护保护过滤层(11)内层侧壁与防爆器(2)的侧壁之间留有空隙；催化反应器(I)、防爆器(2)、防护保护过滤层(11)构成氢气敏感组件；托板(12)位于氢气敏感组件下方，与防护保护过滤层(11)底部固连；氢气敏感组件通过安装杆(9)固定于防护外筒(3)内，安装杆(9)有3个，其顶端与上花板(7)固连，底端与托板(12)固连，3个安装杆(9)均匀分布于氢气敏感组件的外侧； 第一热敏感元件(4)穿过上花板(7)伸入防护外筒(3)内，底端与防护外筒(3)底部之间留有空隙，上端位于防护外筒(3)外部，并通过第一卡套(5)与上花板(7)固连； 定位杆(8)上端与上花板(7)固连，下端与催化反应器(I)开口中心相对，第二热敏感元件(10)穿过上花板(7)伸入防护外筒(3)内，并通过定位杆(8)定位，下端伸入催化反应器(I)内，并与催化反应器(I)底部之间留有空隙，上端位于防护外筒(3)外部，并通过第二卡套(6)与上花板(7)固连。
3.根据权利要求2所述的一种安全壳内氢气浓度测量系统,其特征在于所述第一热敏感元件(4)为热电偶或钼电阻类测温元件；第二敏感元件为热电偶或钼电阻类测温元件。
4.根据权利要求2所述的一种安全壳内氢气浓度测量系统，其特征在于所述催化反应器(I)中装有催化剂，所述催化剂为能够使氢气和氧气在常温下发生反应的催化剂；防护保护过滤层(11)内层侧壁和外层侧壁之间装有填料，所述填料为球状Al2O3、球状SiO2或球状Al2O3和球状SiO2的混合物。
5.根据权利要求2所述的一种安全壳内氢气浓度测量系统,其特征在于所述催化式氢气传感器中除第一热敏感元件(4)和第二热敏感元件(10)外，所有部件的材料均为不锈钢，其中，催化反应器(I)和防爆器(2 )采用不锈钢丝网，防护保护过滤层(11)采用30 100目的不锈钢丝网；第一热敏感元件(4)和第二热敏感元件(10)采用不锈钢外壳。
6.根据权利要求2所述的一种安全壳内氢气浓度测量系统,其特征在于所述催化式氢气传感器还可包括3个耳式支座(15)、3个立式焊接支撑(16)和防淋罩(14)，其中，3个耳式支座(15)—端分别与防护外筒(3)固连，另一端分别与立式焊接支撑(16)固连，构成3组支撑结构，均勻分布于所述防护外筒(3)的外侧；防淋罩(14)直径大于上花板(7)直径，并与防护外筒(3)固连。
7.根据权利要求2所述的一种安全壳内氢气浓度测量系统，其特征在于所述K值根据安全壳内的氢气浓度预估值进行选取，设安全壳内的氢气浓度预估值为C H K值选取规则如下 1)当C馬’为O彡Cfl2’彡4%时，K取60 80 ; 2)当C馬'为4°/o<Cjh ' 彡 10%吋，K 取 40 50 ;3)当C馬1 为 10%< Clli ’ 彡 15 时，K 取 30 40。
全文摘要
本发明公开了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。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。
文档编号G01N25/22GK102928463SQ20121040254
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者罗沙, 覃亮, 祝维燕, 李琳, 黄永生, 牛立宏 申请人:中国船舶重工集团公司第七一八研究所