安全壳氢浓度监测仪概述和应用

刘德懿　胡梦莹　罗安满　刘列

【摘 要】对核电厂发生严重事故后，安全壳内产生大量氢气时，投運的安全壳大气监测系统中的福岛改进项氢浓度监测仪的原理、安装和调试进行综合论述和系统分析，深入介绍了氢浓度监测仪以及各组成部件的工作原理，详细的阐述了安装过程中遇到的问题、调试方法、调试过程的发现的主要问题以及解决方法，并对调试过程做出经验反馈，为相关核电厂的氢浓度监测仪调试工作提供相关经验。

【关键字】安全壳；氢浓度；测量；调试；应用

中图分类号： TL364.3 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）35-0231-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.100

Review and application of containment hydrogen concentration measuring instrument

LIU De-yi HU Meng-ying LUO An-man LIU Lie

（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd， Safety Analysis Department， Jiaxing Zhejiang 314000， China）

【Abstract】This article disserts and analyzed the principle， installation and debugging of containment hydrogen concentration measuring instrument of Fukushima improvement in the containment atmosphere monitoring system， which puts into operation when a large amount of hydrogen inside the containment after a serious accident of nuclear power plant， introduction into the principle of the hydrogen concentration monitor and each part of hydrogen concentration monitor， describes the problems during installation， debugging method， the main problems found during debugging and solutions， and makes the experience feedback debugging process， provides related experience of debugging of containment hydrogen concentration measuring instrument for others nuclear power plant.

【Key words】Containment； Hydrogen； Measuring； Debugging； Application

0 前言

核电厂发生失水事故后，会发生锆水反应、结构材料腐蚀、堆芯和地坑中的水辐照分解等，将产生大量氢气，并聚集于安全壳的气空间内。在发生压力容器失效的严重事故时，由于堆芯熔融物和混凝土底板的作用，也将产生大量的氢气。安全壳内的氢气聚集将给安全壳的完整性带来巨大的挑战。在原有设计中，并未考虑严重事故下的氢浓度监测，仅设计的安装在安全壳外的用于设计基准事故的氢气浓度监测系统。因此，在在建机组中，为应对法规中严重事故氢气浓度监测的要求增设严重事故氢气监测系统以满足要求。

安全壳内氢气浓度监测系统设计的重要功能包括：严重事故后，测量安全壳内的氢浓度，了解消氢系统的工作情况，用于事故后运行管理，防止氢-氧混合气体着火或发生爆炸而危及安全壳完整性。

1 安全壳氢气浓度监测仪的装置组成及工作原理

1.1 安全壳氢气浓度监测仪的装置组成

单机组安全壳氢浓度监测仪由6只氢气浓度传感器、6组焊接支撑、6组防淋罩组件、12根热电偶引线、2台测量柜、6个转接箱组成。整套装置只有电信号接口，不涉及工艺管路接口。氢气浓度传感器具体配置见图1所示。

氢气浓度传感器安装在RX厂房，热电偶引线分两段通过转接箱连接，连接到电气贯穿件，通过电气贯穿件后一次温度测量信号传输到安全壳外的测量柜中。测量柜安装在LX厂房，测量柜除具备氢气浓度现场指示功能外，还可将氢气浓度转化为4-20mA电流信号传输到主控。

图1 氢气浓度传感器配置图

1.2 安全壳氢气浓度监测仪的组成和工作原理

1.2.1 安全壳氢气浓度监测仪的工作流程

氢气浓度传感器固定安装在安全壳内。在核电厂发生事故后，安全壳内产生大量氢气。含氢空气以自然扩散方式进入氢气传感器。传感器输出一次测量信号到安全壳外的机柜中，柜内的PLC系统完成信号接收和转化后，依据程序算法进行氢气浓度分析，并线性输出4～20mA电流信号到显示仪表，显示仪表依据电流信号实时显示氢气浓度。同时机柜可以4-20mA电流信号的形式，远传输出氢气浓度测量值。

1.2.2 安全壳氢气浓度监测仪的特点

（1）低功耗设计：装置整机功耗≤200W。

（2）安全壳内安装的氢气浓度传感器无需外部供电。

（3）安全壳内安装的氢气浓度传感器无电子元件。装置整机内无任何可动部件。采用热电偶测量温度简单易行。温度测量信号直接表征氢气浓度，没有设置测量用惠斯通电桥。这些设计保证了装置较高的运行可靠性。

（4）温升算法简单、程序实现容易。采用PLC程序分析氢气浓度，比常規仪表采用惠斯登电桥输出信号表征氢气浓度具有快速、稳定的特点。

（5）高测量精度。装置在安全壳内事故工况下0-15%的量程范围内能够保证较高的测量精度。

基于上述特点，该装置低能耗、稳定可靠的特点适合在核电厂事故工况下安全壳内氢气浓度，实现安全、可靠地连续测量。

1.3 氢气浓度传感器工作原理和特点

1.3.1 氢气浓度传感器功能和工作原理

氢气浓度传感器主要由气体分布器、探头、测温热电偶组成。气体分布器为全金属材料制成，为圆柱体结构，上、下两面采用多孔花板设计，对以自然扩散方式进入气体分布器的气体起到降低气速、均匀分布的作用。

图2 氢气浓度传感器示意图

探头内置小球状催化剂，在小球状催化剂的作用下，氢气与氧气发生化合反应，反应放出大量热导致催化剂表面温度上升，称这个温度为催化反应温度，温升为催化反应温升。环境温度和催化反应温度由两只热电偶进行测量。

含氢空气以自然扩散的方式流经氢气浓度传感器，氢气与氧气在催化剂的作用下发生化合反应，化合反应放出大量热量造成催化剂表面温度变化，形成催化反应温升，两只热电偶分别测量环境温度和催化反应温度，输出温度测量信号。

1.3.2 氢气浓度传感器组成

（1）防淋罩组件；（2）气体分布器；（3）探头；（4）热电偶和变径接口；（5）传感器固定架。

1.3.3 氢气浓度传感器基本特点

（1）高温高压条件下正常运行；（2）安全壳内辐照条件对传感器无影响；（3）安全壳内复杂气流对传感器性能无影响；（4）全壳内气溶胶对传感器性能无影响；（5）安全壳内喷淋液对传感器性能无影响。

1.4 测量机柜的组成和功能

1.4.1 测量机柜的结构

测量机柜安装在LX厂房内，通过电缆与安全壳内的氢气浓度传感器相连。测量柜内主要元器件包括：PLC模块、指示仪表、指示灯、断路器、端子排、继电器、线缆。

1.4.2 测量机柜的功能

（1）接收氢气浓度传感器的温度测量信号；

（2）接收安全壳内压力信号；

（3）计算安全壳内氢气浓度

（4）显示安全壳内氢气浓度；

（5）安全壳内氢气浓度以4-20mA电流信号上传；

（6）运行指示；

（7）故障综合信号以无源干触点输出上传。

图3 测量机柜

2 安全壳氢气浓度监测仪现场调试

2.1 安全壳氢气浓度监测仪现场安装问题

氢浓度监测仪共安装在6个位置，位于安全壳大空间和主要的氢气浓度较高的局部隔间，具体测点位置如表1所示。

表1 方家山工程氢气浓度监测点位置

每个氢浓度监测仪分别配有2个热电偶，分别测量反应温度和环境温度，热电偶的两极之间通过热电偶引线和转接箱连接。由于热电偶存在正负极。所以安装时，严格对应正负极，否则会出现机柜指示为负的情况。

氢浓度监测仪是通过探头内置小球状催化剂催化氢气和氧气发生化合反应气体分布器为全金属材料制成，为圆柱体结构，上、下两面采用多孔花板设计，对以自然扩散方式进入气体分布器的气体起到降低气速、均匀分布的作用。103/104/105/106MG安装在氢气易聚集位置，当严重事故发生，造成房间内氢气大量聚集时，即可实现氢浓度监测的作用。而101/102MG安装在安全壳穹顶空间，由于氢气密度较低，当氢气产生后会自动向上聚集到安全壳穹顶，只有当氢气向安全壳顶部大量聚集时，才能实现氢浓度监测的作用。且，如图4所示，101/102MG安装在R812/R822的平台上，由于平台阻挡，无法再氢气向上聚集的过程中，即时监测氢浓度变化，只有当安全壳穹顶空间聚集大量氢气，并向下扩散后，才会起到氢气浓度监测作用。建议将氢浓度监测仪安装在平台边缘，当氢气产生上升时，可以流经氢浓度监测仪，更利于安全壳内氢浓度监测。

图4 101MG现场安装位置

2.2 安全壳氢气浓度监测仪现场调试及问题

2.2.1 安全壳氢浓度监测仪现场调试方法

安全壳氢浓度仪现场调试方法与定期试验方法相同，即人为的形成一个气体流通的测量环境，通过标准气钢瓶来给氢气浓度传感器配气进行检测，通过对比标准气于测量柜的显示浓度来对氢气浓度传感器进行现场调试。

试验流程如图5所示，将定期试验装置通过进气装置与氢气浓度传感器底部相连接，通过标准气钢瓶给氢气浓度传感器配气，通过减压阀调节气体流量为20L/min，这样人为的形成一个自然扩散的测量环境。图6为定期试验装置示意图。

调试步骤：（1） 按照图5连接好试验流程；（2）给测量柜通电，检查测量柜仪表是否正常；（3）打开标准气钢瓶，通过调节减压阀来控制气体流量为20L/min，这时开始计时，30分钟后记录测量柜上仪表的显示值，包括氢气浓度，氢气浓度传感器的环境和反应温度；（4）通过对比标准气与测量柜得到的浓度值来判断氢气浓度传感器的测量性能是否完好。

图5 安全壳氢气浓度监测仪调试方法

图6 定期试验装置示意图

2.2.2 现场调试出现的问题

问题1 调试用标准气的选择。

氢浓度监测仪的量程范围为0～10%，安全壳大气监测系统1E级氢浓度测量装置的调试方法为标定零点和10%满量程进行标定，选用的气体为高纯氮气和氢气体积浓度为10%的氢氮混合气进行标定。但根据氢浓度监测仪的工作原理，即在催化剂作用下，氢气和氧气发生化合反应发热，对发热量进行测量后，得出氢气浓度。选用氢氮混合气无法进行标定。故只能选择氢气和空气的混合气，但如果选用氢气体积浓度为10%的氢气空气混合气，则远超过氢气的爆炸极限（氢气的爆炸极限为空气中氢气的体积浓度为4.0%～75.6%），如现场遇明火，就极易发生爆炸，故无法选用气体积浓度为10%的氢气空气混合气。

根据氢浓度监测仪的变化曲线为线性，并且氢浓度监测仪的报警值为4.1%，参照秦山300MW机组的氢浓度监测仪的标定方法（选用氢气体积浓度为1.0%和4.0%的氢气空气混合气进行标定），准备选用普通空气和氢气体积浓度为4.1%的氢气空气混合气进行线性标定和报警值的测试。但由于调试期间，交叉作业较多，且1.3/104/105/106MG安装位置空间较密闭，如选用氢气体积浓度为4.1%的氢气空气混合气，依旧存在遇明火着火的危险，从调试安全的角度出发，放弃氢气体积浓度为4.1%的氢气空气混合气。

最后，根据线性曲线和现场实际情况，决定选用氢气体积浓度分别为2.0%和3.0%的氢气和空气混合气进行标定，并且采用模拟信号，模拟氢气体积浓度4.1%对报警值进行测试。试验过程中，注意交叉作业风险，并投运安全壳连续通风系统进行通风，保证试验人员和设备的安全。最后试验结果满足精度误差≤3%的验收准则。

问题2 测量机柜量程与KIC量程不匹配的问题。

现场调试过程中发现，现场测量机柜101/102AR上显示的氢浓度与主控制室KIC显示的氢浓度不一致，且偏差较大，在完成就地仪表与测量机柜的标定试验后，对仪控回路进行检查发现，机柜上氢浓度测量儀的氢浓度量程为0～15%，而KIC显示量程的0～20%，4～20mA经过测量机柜传输至KIC后，由于量程不同，造成相同电流的不同显示，且偏差较大。在修改KIC显示量程后，重新对101MG进行标定，结果测量柜与KIC显示一致，问题得到良好的解决。

以上两个问题是氢浓度监测仪现场调试中出现的问题，经过与相关配合人员和设备厂家的良好沟通和交流，问题得到的良好的解决，是的氢浓度监测仪的现场调试工作圆满完成。

3 结论

在核事故中，安全壳内氢浓度测量仪可以在防止放射性物质泄露，保证人员和财产安全方面起到重要的作用。在福岛核事故后，针对安全壳氢浓度测量的工作尤为引人注意。安全壳氢浓度检测仪的调试工作虽然看上去很简单，但氢浓度监测仪在核电厂安全运行的重要作用使得调试工作不能存在一点马虎和瑕疵，所以，调试过程中需要面面俱到，力求完美，为核电厂的安全运行做出贡献。

【参考文献】

[1]罗莎，安全壳内氢气浓度测量技术及其应用综述，船舶科学与技术：2017.07，第35卷 第7期：P8-P11.

[2]邓坚，秦山二期核电厂严重事故下安全壳内氢气浓度分布及风险初步分析，核动力工程，2008.04，第29卷 第2期：P78-P84.

[3]肖建军，严重事故下安全壳内氢气浓度场分布影响因素的初步研究，核动力工程，2007.02，第28卷 第1期：P99-P104.

[4]安全壳氢浓度监测仪技术规格书 QFX57122018B30444DS Rev.A.

[5]安全壳氢浓度监测改进调试大纲 QFX26FDG005B21145SS Rev.A.

[6]安全壳氢浓度监测改进定期试验导则 QFX39FDG005B21145GN Rev.A.