浅谈高温气冷堆核电站气体湿度监控装置设计

2024-03-18胡润勇向友洪程杰肖习鹏王建宇

中国设备工程 2024年5期

胡润勇，向友洪，程杰，肖习鹏，王建宇

（中国核动力研究设计院，四川成都 610041）

1 概述

高温气冷堆核电站气体湿度监控装置是针对高温气冷堆核电堆型的专用设备，该设备实时测量一回路气体湿度，并将测量结果变换成反应堆保护系统可识别的信号送到反应堆保护系统。当发生蒸汽发生器管道破口事故导致水进入一回路系统，一回路气体湿度将增大，湿度监测装置可在10s 内响应湿度变化，及时触发保护动作。采用氦气作为一回路冷却剂的高温气冷堆属于第四代核反应堆，我国在该先进反应堆型的科研和工程实践领域处于国际领先水平。与现役国内外核电站主要采用水作为一回路冷却剂不同，高温气冷堆采用氦气作为冷却剂，在运行时需要严格控制一回路冷却剂中的水分含量，当水分含量较高时发出停堆信号以避免反应堆安全事故。

气体取样装置在工业领域有广泛的应用，赵立宏等研制了用于核电站安全监测的启动气体取样装置，监测空气中的N-13 成分，该装置从安全壳中抽取气体，然后进行气体放射性检测。刘建成等设计研制了煤矿瓦斯气体自动取样装置，针对实验室方法检测井下瓦斯气体浓度时对气体体积取样误差大和取样数值不能实时显示等缺点，采用先进的液位传感技术，实现了瓦斯气体取样的实时控制和显示。

一回路冷却气体具有放射性，取样气体不允许排放到空气中。气体湿度监控装置利用一回路管道不同位置的压差保持气体的循环，从压力较高的管道处取样，完成测量后返回压力较低的管道处，实现气体湿度的实时测量。由于一回路气体为高压气体，因此，气体湿度监控装置不仅要实现快速准确的湿度测量，而且必须保证可靠的密闭性能。适用于高压工况的湿度传感器种类有多孔氧化铝或孔硅传感器和高分子薄膜传感器。在高纯气体、天然气化工等低湿度测量领域，采用多孔氧化铝或多孔硅湿度传感器能够得到较高的测量精度，传感器参数特性与气体露点相关，在环境湿度测量领域，高分子薄膜湿度传感器响应快，测量精度及长期稳定性都较好，传感器参数特性与气体相对湿度相关。以上两种类型的传感器均可以耐受高压环境工况，传感器的输出信号与气体中水气分压有关。

中国在高温气冷堆的研究和建设上处于世界领先地位，目前还暂无成熟的国内外使用经验供参考。现有工业系统湿度在线测量系统是无法直接用在高温气冷堆核电上，其存在两大不匹配性。

（1）现有湿度测量装置的测量及处理均基于软件，但软件没有V&V 认证，不满足核电站安全级设备软件必须通过V&V 认证的要求。

（2）现有的测量方式是降压测量，测量后的气体不能返回主管道，无法实现一回路放射性气体零排放要求。

2 总体设计

高温气冷堆核电站气体湿度监控装置由冷却控制单元、过滤单元、取样单元和湿度测量单元组成。冷却控制单元对一回路高温取样气体进行降温，降至其设计温度范围，使取样单元内的温度在传感器适宜工作温度范围内。冷却控温既可防止取样气体温度过高导致湿度传感器损坏，也可避免温度过低导致取样气体凝露。此处的一定温度范围为略高于取样单元内的温度在传感器适宜工作温度范围，因为在传输过程中其存在温降。冷却控制单元与取样单元之间的压力管中设置有过滤单元。冷却控制单元冷却后的取样气体经过滤单元以除去气体中的微小颗粒，过滤单元封装在压力管内，保证了气密性。气体中的微小颗粒黏附在传感器上，将导致传感器测量精度下降，影响传感器的使用寿命。采用过滤单元过滤微小颗粒，保证了取样气体的洁净度，可以有效提高传感器的使用寿命。湿度测量单元采用纯硬件电路结构实现，湿度信号的采集和转换，相比现有的软件形式，其满足了安全级设备的可靠性要求。气体湿度监控装置的总体结构图如图1 所示，图中左侧为冷却单元，中部为过滤单元，右侧为取样单元。

图1 气体湿度监控装置的总体结构图

3 冷却单元设计

冷却控制单元包括套管式换热器2、均连接在套管式水冷换热器2 冷却介质通路的自然空冷换热器1 和冷却剂流量控制装置，冷却剂流量控制装置包括用于采集取样单元温度信息的测温元件，均设置在套管式换热器冷却介质通路上的循环泵3 和温度控制阀4，测温元件的信号驱动温度控制阀4 的阀位移动。温度调节采用PID 控制方式，工作原理如图2 所示，输入端为温度设定目标值，温度控制单元对比测温元件测量值与设定目标值，通过调整控制参数（比例增益、积分增益/时间、微分增益/时间）让冷却单元达到最佳的控温效果。

图2 冷却单元温度PID 调节示意图

取样气体经套管式换热器进行降温，用于气体冷却的冷却介质由循环泵3 驱动循环流动并通过自然空冷换热器1 进行散热。套管式换热器的冷却能力通过温度控制阀调节，通过采集取样单元内温度后进行反馈控制，将取样单元的温度控制在传感器适宜工作温度范围内。冷却控制单元采用套管式冷却结构，其冷却效率高，可以减少换热管长度，加快了测量响应时间，温度控制阀采用换热器恒温控制阀。

4 取样单元设计

取样单元包括取样单元包括依次连接的取样腔室19、密封腔室18，感湿元件26 的感应端置于取样室19内，密封腔室18 上设置有用于将感湿元件的信号线接到信号转换电路的贯穿接头23。密封腔室与取样腔室之间采用焊接固定，贯穿接头与密封腔室之间采用卡套密封，在保证密封的前提下实现与感湿元件的信号连接和引出，连接可靠，维修性好。感湿元件的感应端置于取样室内，感湿元件的输出信号线经贯穿接头传输到外部的湿度测量单元信号转换电路，并最终提供给反应堆保护系统。取样单元结构如图3 所示，密封腔室扩大了密封边界的设计，并辅助采用成熟的焊接、弹性金属密封工艺，保证了整个系统的高密封性要求。

图3 取样单元结构图

感湿元件的电信号与被测量气体的湿度相关，信号转换电路根据湿度-电信号曲线进行信号变换电路设计，采用纯硬件电路将测量气体的湿度值变换为反应堆保护系统所需的电流或其他信号，采用纯硬件电路，避免了软件难以验证可靠性的问题，能够有效提高湿度测量的响应时间。湿度测量的信号变换电路示意图如图4 所示，基于湿度传感器信号选择分段硬件放大电路，对于低湿和高湿的气体，均能满足测量精度需求。