安全殼氫濃度監測儀概述和應用

劉德懿　胡夢瑩　羅安滿　劉列

【摘 要】對核電廠發生嚴重事故后，安全殼內產生大量氫氣時，投運的安全殼大氣監測系統中的福島改進項氫濃度監測儀的原理、安裝和調試進行綜合論述和系統分析，深入介紹了氫濃度監測儀以及各組成部件的工作原理，詳細的闡述了安裝過程中遇到的問題、調試方法、調試過程的發現的主要問題以及解決方法，并對調試過程做出經驗反饋，為相關核電廠的氫濃度監測儀調試工作提供相關經驗。

【關鍵字】安全殼；氫濃度；測量；調試；應用

中圖分類號： TL364.3 文獻標識碼： A 文章編號： 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

核電廠發生失水事故后，會發生鋯水反應、結構材料腐蝕、堆芯和地坑中的水輻照分解等，將產生大量氫氣，并聚集于安全殼的氣空間內。在發生壓力容器失效的嚴重事故時，由于堆芯熔融物和混凝土底板的作用，也將產生大量的氫氣。安全殼內的氫氣聚集將給安全殼的完整性帶來巨大的挑戰。在原有設計中，并未考慮嚴重事故下的氫濃度監測，僅設計的安裝在安全殼外的用于設計基準事故的氫氣濃度監測系統。因此，在在建機組中，為應對法規中嚴重事故氫氣濃度監測的要求增設嚴重事故氫氣監測系統以滿足要求。

安全殼內氫氣濃度監測系統設計的重要功能包括：嚴重事故后，測量安全殼內的氫濃度，了解消氫系統的工作情況，用于事故后運行管理，防止氫-氧混合氣體著火或發生爆炸而危及安全殼完整性。

1 安全殼氫氣濃度監測儀的裝置組成及工作原理

1.1 安全殼氫氣濃度監測儀的裝置組成

單機組安全殼氫濃度監測儀由6只氫氣濃度傳感器、6組焊接支撐、6組防淋罩組件、12根熱電偶引線、2臺測量柜、6個轉接箱組成。整套裝置只有電信號接口，不涉及工藝管路接口。氫氣濃度傳感器具體配置見圖1所示。

氫氣濃度傳感器安裝在RX廠房，熱電偶引線分兩段通過轉接箱連接，連接到電氣貫穿件，通過電氣貫穿件后一次溫度測量信號傳輸到安全殼外的測量柜中。測量柜安裝在LX廠房，測量柜除具備氫氣濃度現場指示功能外，還可將氫氣濃度轉化為4-20mA電流信號傳輸到主控。

圖1 氫氣濃度傳感器配置圖

1.2 安全殼氫氣濃度監測儀的組成和工作原理

1.2.1 安全殼氫氣濃度監測儀的工作流程

氫氣濃度傳感器固定安裝在安全殼內。在核電廠發生事故后，安全殼內產生大量氫氣。含氫空氣以自然擴散方式進入氫氣傳感器。傳感器輸出一次測量信號到安全殼外的機柜中，柜內的PLC系統完成信號接收和轉化后，依據程序算法進行氫氣濃度分析，并線性輸出4～20mA電流信號到顯示儀表，顯示儀表依據電流信號實時顯示氫氣濃度。同時機柜可以4-20mA電流信號的形式，遠傳輸出氫氣濃度測量值。

1.2.2 安全殼氫氣濃度監測儀的特點

（1）低功耗設計：裝置整機功耗≤200W。

（2）安全殼內安裝的氫氣濃度傳感器無需外部供電。

（3）安全殼內安裝的氫氣濃度傳感器無電子元件。裝置整機內無任何可動部件。采用熱電偶測量溫度簡單易行。溫度測量信號直接表征氫氣濃度，沒有設置測量用惠斯通電橋。這些設計保證了裝置較高的運行可靠性。

（4）溫升算法簡單、程序實現容易。采用PLC程序分析氫氣濃度，比常規儀表采用惠斯登電橋輸出信號表征氫氣濃度具有快速、穩定的特點。

（5）高測量精度。裝置在安全殼內事故工況下0-15%的量程范圍內能夠保證較高的測量精度。

基于上述特點，該裝置低能耗、穩定可靠的特點適合在核電廠事故工況下安全殼內氫氣濃度，實現安全、可靠地連續測量。

1.3 氫氣濃度傳感器工作原理和特點

1.3.1 氫氣濃度傳感器功能和工作原理

氫氣濃度傳感器主要由氣體分布器、探頭、測溫熱電偶組成。氣體分布器為全金屬材料制成，為圓柱體結構，上、下兩面采用多孔花板設計，對以自然擴散方式進入氣體分布器的氣體起到降低氣速、均勻分布的作用。

圖2 氫氣濃度傳感器示意圖

探頭內置小球狀催化劑，在小球狀催化劑的作用下，氫氣與氧氣發生化合反應，反應放出大量熱導致催化劑表面溫度上升，稱這個溫度為催化反應溫度，溫升為催化反應溫升。環境溫度和催化反應溫度由兩只熱電偶進行測量。

含氫空氣以自然擴散的方式流經氫氣濃度傳感器，氫氣與氧氣在催化劑的作用下發生化合反應，化合反應放出大量熱量造成催化劑表面溫度變化，形成催化反應溫升，兩只熱電偶分別測量環境溫度和催化反應溫度，輸出溫度測量信號。

1.3.2 氫氣濃度傳感器組成

（1）防淋罩組件；（2）氣體分布器；（3）探頭；（4）熱電偶和變徑接口；（5）傳感器固定架。

1.3.3 氫氣濃度傳感器基本特點

（1）高溫高壓條件下正常運行；（2）安全殼內輻照條件對傳感器無影響；（3）安全殼內復雜氣流對傳感器性能無影響；（4）全殼內氣溶膠對傳感器性能無影響；（5）安全殼內噴淋液對傳感器性能無影響。

1.4 測量機柜的組成和功能

1.4.1 測量機柜的結構

測量機柜安裝在LX廠房內，通過電纜與安全殼內的氫氣濃度傳感器相連。測量柜內主要元器件包括：PLC模塊、指示儀表、指示燈、斷路器、端子排、繼電器、線纜。

1.4.2 測量機柜的功能

（1）接收氫氣濃度傳感器的溫度測量信號；

（2）接收安全殼內壓力信號；

（3）計算安全殼內氫氣濃度

（4）顯示安全殼內氫氣濃度；

（5）安全殼內氫氣濃度以4-20mA電流信號上傳；

（6）運行指示；

（7）故障綜合信號以無源干觸點輸出上傳。

圖3 測量機柜

2 安全殼氫氣濃度監測儀現場調試

2.1 安全殼氫氣濃度監測儀現場安裝問題

氫濃度監測儀共安裝在6個位置，位于安全殼大空間和主要的氫氣濃度較高的局部隔間，具體測點位置如表1所示。

表1 方家山工程氫氣濃度監測點位置

每個氫濃度監測儀分別配有2個熱電偶，分別測量反應溫度和環境溫度，熱電偶的兩極之間通過熱電偶引線和轉接箱連接。由于熱電偶存在正負極。所以安裝時，嚴格對應正負極，否則會出現機柜指示為負的情況。

氫濃度監測儀是通過探頭內置小球狀催化劑催化氫氣和氧氣發生化合反應氣體分布器為全金屬材料制成，為圓柱體結構，上、下兩面采用多孔花板設計，對以自然擴散方式進入氣體分布器的氣體起到降低氣速、均勻分布的作用。103/104/105/106MG安裝在氫氣易聚集位置，當嚴重事故發生，造成房間內氫氣大量聚集時，即可實現氫濃度監測的作用。而101/102MG安裝在安全殼穹頂空間，由于氫氣密度較低，當氫氣產生后會自動向上聚集到安全殼穹頂，只有當氫氣向安全殼頂部大量聚集時，才能實現氫濃度監測的作用。且，如圖4所示，101/102MG安裝在R812/R822的平臺上，由于平臺阻擋，無法再氫氣向上聚集的過程中，即時監測氫濃度變化，只有當安全殼穹頂空間聚集大量氫氣，并向下擴散后，才會起到氫氣濃度監測作用。建議將氫濃度監測儀安裝在平臺邊緣，當氫氣產生上升時，可以流經氫濃度監測儀，更利于安全殼內氫濃度監測。

圖4 101MG現場安裝位置

2.2 安全殼氫氣濃度監測儀現場調試及問題

2.2.1 安全殼氫濃度監測儀現場調試方法

安全殼氫濃度儀現場調試方法與定期試驗方法相同，即人為的形成一個氣體流通的測量環境，通過標準氣鋼瓶來給氫氣濃度傳感器配氣進行檢測，通過對比標準氣于測量柜的顯示濃度來對氫氣濃度傳感器進行現場調試。

試驗流程如圖5所示，將定期試驗裝置通過進氣裝置與氫氣濃度傳感器底部相連接，通過標準氣鋼瓶給氫氣濃度傳感器配氣，通過減壓閥調節氣體流量為20L/min，這樣人為的形成一個自然擴散的測量環境。圖6為定期試驗裝置示意圖。

調試步驟：（1） 按照圖5連接好試驗流程；（2）給測量柜通電，檢查測量柜儀表是否正常；（3）打開標準氣鋼瓶，通過調節減壓閥來控制氣體流量為20L/min，這時開始計時，30分鐘后記錄測量柜上儀表的顯示值，包括氫氣濃度，氫氣濃度傳感器的環境和反應溫度；（4）通過對比標準氣與測量柜得到的濃度值來判斷氫氣濃度傳感器的測量性能是否完好。

圖5 安全殼氫氣濃度監測儀調試方法

圖6 定期試驗裝置示意圖

2.2.2 現場調試出現的問題

問題1 調試用標準氣的選擇。

氫濃度監測儀的量程范圍為0～10%，安全殼大氣監測系統1E級氫濃度測量裝置的調試方法為標定零點和10%滿量程進行標定，選用的氣體為高純氮氣和氫氣體積濃度為10%的氫氮混合氣進行標定。但根據氫濃度監測儀的工作原理，即在催化劑作用下，氫氣和氧氣發生化合反應發熱，對發熱量進行測量后，得出氫氣濃度。選用氫氮混合氣無法進行標定。故只能選擇氫氣和空氣的混合氣，但如果選用氫氣體積濃度為10%的氫氣空氣混合氣，則遠超過氫氣的爆炸極限（氫氣的爆炸極限為空氣中氫氣的體積濃度為4.0%～75.6%），如現場遇明火，就極易發生爆炸，故無法選用氣體積濃度為10%的氫氣空氣混合氣。

根據氫濃度監測儀的變化曲線為線性，并且氫濃度監測儀的報警值為4.1%，參照秦山300MW機組的氫濃度監測儀的標定方法（選用氫氣體積濃度為1.0%和4.0%的氫氣空氣混合氣進行標定），準備選用普通空氣和氫氣體積濃度為4.1%的氫氣空氣混合氣進行線性標定和報警值的測試。但由于調試期間，交叉作業較多，且1.3/104/105/106MG安裝位置空間較密閉，如選用氫氣體積濃度為4.1%的氫氣空氣混合氣，依舊存在遇明火著火的危險，從調試安全的角度出發，放棄氫氣體積濃度為4.1%的氫氣空氣混合氣。

最后，根據線性曲線和現場實際情況，決定選用氫氣體積濃度分別為2.0%和3.0%的氫氣和空氣混合氣進行標定，并且采用模擬信號，模擬氫氣體積濃度4.1%對報警值進行測試。試驗過程中，注意交叉作業風險，并投運安全殼連續通風系統進行通風，保證試驗人員和設備的安全。最后試驗結果滿足精度誤差≤3%的驗收準則。

問題2 測量機柜量程與KIC量程不匹配的問題。

現場調試過程中發現，現場測量機柜101/102AR上顯示的氫濃度與主控制室KIC顯示的氫濃度不一致，且偏差較大，在完成就地儀表與測量機柜的標定試驗后，對儀控回路進行檢查發現，機柜上氫濃度測量儀的氫濃度量程為0～15%，而KIC顯示量程的0～20%，4～20mA經過測量機柜傳輸至KIC后，由于量程不同，造成相同電流的不同顯示，且偏差較大。在修改KIC顯示量程后，重新對101MG進行標定，結果測量柜與KIC顯示一致，問題得到良好的解決。

以上兩個問題是氫濃度監測儀現場調試中出現的問題，經過與相關配合人員和設備廠家的良好溝通和交流，問題得到的良好的解決，是的氫濃度監測儀的現場調試工作圓滿完成。

3 結論

在核事故中，安全殼內氫濃度測量儀可以在防止放射性物質泄露，保證人員和財產安全方面起到重要的作用。在福島核事故后，針對安全殼氫濃度測量的工作尤為引人注意。安全殼氫濃度檢測儀的調試工作雖然看上去很簡單，但氫濃度監測儀在核電廠安全運行的重要作用使得調試工作不能存在一點馬虎和瑕疵，所以，調試過程中需要面面俱到，力求完美，為核電廠的安全運行做出貢獻。

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