劉德懿　胡夢(mèng)瑩　羅安滿　劉列

【摘 要】對(duì)核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故后，安全殼內(nèi)產(chǎn)生大量氫氣時(shí)，投運(yùn)的安全殼大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的福島改進(jìn)項(xiàng)氫濃度監(jiān)測(cè)儀的原理、安裝和調(diào)試進(jìn)行綜合論述和系統(tǒng)分析，深入介紹了氫濃度監(jiān)測(cè)儀以及各組成部件的工作原理，詳細(xì)的闡述了安裝過程中遇到的問題、調(diào)試方法、調(diào)試過程的發(fā)現(xiàn)的主要問題以及解決方法，并對(duì)調(diào)試過程做出經(jīng)驗(yàn)反饋，為相關(guān)核電廠的氫濃度監(jiān)測(cè)儀調(diào)試工作提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵字】安全殼；氫濃度；測(cè)量；調(diào)試；應(yīng)用

中圖分類號(hào)： TL364.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(fā)生失水事故后，會(huì)發(fā)生鋯水反應(yīng)、結(jié)構(gòu)材料腐蝕、堆芯和地坑中的水輻照分解等，將產(chǎn)生大量氫氣，并聚集于安全殼的氣空間內(nèi)。在發(fā)生壓力容器失效的嚴(yán)重事故時(shí)，由于堆芯熔融物和混凝土底板的作用，也將產(chǎn)生大量的氫氣。安全殼內(nèi)的氫氣聚集將給安全殼的完整性帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。在原有設(shè)計(jì)中，并未考慮嚴(yán)重事故下的氫濃度監(jiān)測(cè)，僅設(shè)計(jì)的安裝在安全殼外的用于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的氫氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此，在在建機(jī)組中，為應(yīng)對(duì)法規(guī)中嚴(yán)重事故氫氣濃度監(jiān)測(cè)的要求增設(shè)嚴(yán)重事故氫氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以滿足要求。

安全殼內(nèi)氫氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要功能包括：嚴(yán)重事故后，測(cè)量安全殼內(nèi)的氫濃度，了解消氫系統(tǒng)的工作情況，用于事故后運(yùn)行管理，防止氫-氧混合氣體著火或發(fā)生爆炸而危及安全殼完整性。

1 安全殼氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀的裝置組成及工作原理

1.1 安全殼氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀的裝置組成

單機(jī)組安全殼氫濃度監(jiān)測(cè)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(tái)測(cè)量柜、6個(gè)轉(zhuǎn)接箱組成。整套裝置只有電信號(hào)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(zhuǎn)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(cè)量信號(hào)傳輸?shù)桨踩珰ね獾臏y(cè)量柜中。測(cè)量柜安裝在LX廠房，測(cè)量柜除具備氫氣濃度現(xiàn)場(chǎng)指示功能外，還可將氫氣濃度轉(zhuǎn)化為4-20mA電流信號(hào)傳輸?shù)街骺亍?/p>

圖1 氫氣濃度傳感器配置圖

1.2 安全殼氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀的組成和工作原理

1.2.1 安全殼氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀的工作流程

氫氣濃度傳感器固定安裝在安全殼內(nèi)。在核電廠發(fā)生事故后，安全殼內(nèi)產(chǎn)生大量氫氣。含氫空氣以自然擴(kuò)散方式進(jìn)入氫氣傳感器。傳感器輸出一次測(cè)量信號(hào)到安全殼外的機(jī)柜中，柜內(nèi)的PLC系統(tǒng)完成信號(hào)接收和轉(zhuǎn)化后，依據(jù)程序算法進(jìn)行氫氣濃度分析，并線性輸出4～20mA電流信號(hào)到顯示儀表，顯示儀表依據(jù)電流信號(hào)實(shí)時(shí)顯示氫氣濃度。同時(shí)機(jī)柜可以4-20mA電流信號(hào)的形式，遠(yuǎn)傳輸出氫氣濃度測(cè)量值。

1.2.2 安全殼氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀的特點(diǎn)

（1）低功耗設(shè)計(jì)：裝置整機(jī)功耗≤200W。

（2）安全殼內(nèi)安裝的氫氣濃度傳感器無(wú)需外部供電。

（3）安全殼內(nèi)安裝的氫氣濃度傳感器無(wú)電子元件。裝置整機(jī)內(nèi)無(wú)任何可動(dòng)部件。采用熱電偶測(cè)量溫度簡(jiǎn)單易行。溫度測(cè)量信號(hào)直接表征氫氣濃度，沒有設(shè)置測(cè)量用惠斯通電橋。這些設(shè)計(jì)保證了裝置較高的運(yùn)行可靠性。

（4）溫升算法簡(jiǎn)單、程序?qū)崿F(xiàn)容易。采用PLC程序分析氫氣濃度，比常規(guī)儀表采用惠斯登電橋輸出信號(hào)表征氫氣濃度具有快速、穩(wěn)定的特點(diǎn)。

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

基于上述特點(diǎn)，該裝置低能耗、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)適合在核電廠事故工況下安全殼內(nèi)氫氣濃度，實(shí)現(xiàn)安全、可靠地連續(xù)測(cè)量。

1.3 氫氣濃度傳感器工作原理和特點(diǎn)

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(cè)溫?zé)犭娕冀M成。氣體分布器為全金屬材料制成，為圓柱體結(jié)構(gòu)，上、下兩面采用多孔花板設(shè)計(jì)，對(duì)以自然擴(kuò)散方式進(jìn)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(nèi)置小球狀催化劑，在小球狀催化劑的作用下，氫氣與氧氣發(fā)生化合反應(yīng)，反應(yīng)放出大量熱導(dǎo)致催化劑表面溫度上升，稱這個(gè)溫度為催化反應(yīng)溫度，溫升為催化反應(yīng)溫升。環(huán)境溫度和催化反應(yīng)溫度由兩只熱電偶進(jìn)行測(cè)量。

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

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(diǎn)

（1）高溫高壓條件下正常運(yùn)行；（2）安全殼內(nèi)輻照條件對(duì)傳感器無(wú)影響；（3）安全殼內(nèi)復(fù)雜氣流對(duì)傳感器性能無(wú)影響；（4）全殼內(nèi)氣溶膠對(duì)傳感器性能無(wú)影響；（5）安全殼內(nèi)噴淋液對(duì)傳感器性能無(wú)影響。

1.4 測(cè)量機(jī)柜的組成和功能

1.4.1 測(cè)量機(jī)柜的結(jié)構(gòu)

測(cè)量機(jī)柜安裝在LX廠房?jī)?nèi)，通過電纜與安全殼內(nèi)的氫氣濃度傳感器相連。測(cè)量柜內(nèi)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(cè)量機(jī)柜的功能

（1）接收氫氣濃度傳感器的溫度測(cè)量信號(hào)；

（2）接收安全殼內(nèi)壓力信號(hào)；

（3）計(jì)算安全殼內(nèi)氫氣濃度

（4）顯示安全殼內(nèi)氫氣濃度；

（5）安全殼內(nèi)氫氣濃度以4-20mA電流信號(hào)上傳；

（6）運(yùn)行指示；

（7）故障綜合信號(hào)以無(wú)源干觸點(diǎn)輸出上傳。

圖3 測(cè)量機(jī)柜

2 安全殼氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

2.1 安全殼氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)安裝問題

氫濃度監(jiān)測(cè)儀共安裝在6個(gè)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(cè)點(diǎn)位置如表1所示。

表1 方家山工程氫氣濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

每個(gè)氫濃度監(jiān)測(cè)儀分別配有2個(gè)熱電偶，分別測(cè)量反應(yīng)溫度和環(huán)境溫度，熱電偶的兩極之間通過熱電偶引線和轉(zhuǎn)接箱連接。由于熱電偶存在正負(fù)極。所以安裝時(shí)，嚴(yán)格對(duì)應(yīng)正負(fù)極，否則會(huì)出現(xiàn)機(jī)柜指示為負(fù)的情況。

氫濃度監(jiān)測(cè)儀是通過探頭內(nèi)置小球狀催化劑催化氫氣和氧氣發(fā)生化合反應(yīng)氣體分布器為全金屬材料制成，為圓柱體結(jié)構(gòu)，上、下兩面采用多孔花板設(shè)計(jì)，對(duì)以自然擴(kuò)散方式進(jìn)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(dāng)嚴(yán)重事故發(fā)生，造成房間內(nèi)氫氣大量聚集時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)氫濃度監(jiān)測(cè)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(dāng)氫氣產(chǎn)生后會(huì)自動(dòng)向上聚集到安全殼穹頂，只有當(dāng)氫氣向安全殼頂部大量聚集時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)氫濃度監(jiān)測(cè)的作用。且，如圖4所示，101/102MG安裝在R812/R822的平臺(tái)上，由于平臺(tái)阻擋，無(wú)法再氫氣向上聚集的過程中，即時(shí)監(jiān)測(cè)氫濃度變化，只有當(dāng)安全殼穹頂空間聚集大量氫氣，并向下擴(kuò)散后，才會(huì)起到氫氣濃度監(jiān)測(cè)作用。建議將氫濃度監(jiān)測(cè)儀安裝在平臺(tái)邊緣，當(dāng)氫氣產(chǎn)生上升時(shí)，可以流經(jīng)氫濃度監(jiān)測(cè)儀，更利于安全殼內(nèi)氫濃度監(jiān)測(cè)。

圖4 101MG現(xiàn)場(chǎng)安裝位置

2.2 安全殼氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及問題

2.2.1 安全殼氫濃度監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方法

安全殼氫濃度儀現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方法與定期試驗(yàn)方法相同，即人為的形成一個(gè)氣體流通的測(cè)量環(huán)境，通過標(biāo)準(zhǔn)氣鋼瓶來(lái)給氫氣濃度傳感器配氣進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)氣于測(cè)量柜的顯示濃度來(lái)對(duì)氫氣濃度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

試驗(yàn)流程如圖5所示，將定期試驗(yàn)裝置通過進(jìn)氣裝置與氫氣濃度傳感器底部相連接，通過標(biāo)準(zhǔn)氣鋼瓶給氫氣濃度傳感器配氣，通過減壓閥調(diào)節(jié)氣體流量為20L/min，這樣人為的形成一個(gè)自然擴(kuò)散的測(cè)量環(huán)境。圖6為定期試驗(yàn)裝置示意圖。

調(diào)試步驟：（1） 按照?qǐng)D5連接好試驗(yàn)流程；（2）給測(cè)量柜通電，檢查測(cè)量柜儀表是否正常；（3）打開標(biāo)準(zhǔn)氣鋼瓶，通過調(diào)節(jié)減壓閥來(lái)控制氣體流量為20L/min，這時(shí)開始計(jì)時(shí)，30分鐘后記錄測(cè)量柜上儀表的顯示值，包括氫氣濃度，氫氣濃度傳感器的環(huán)境和反應(yīng)溫度；（4）通過對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)氣與測(cè)量柜得到的濃度值來(lái)判斷氫氣濃度傳感器的測(cè)量性能是否完好。

圖5 安全殼氫氣濃度監(jiān)測(cè)儀調(diào)試方法

圖6 定期試驗(yàn)裝置示意圖

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試出現(xiàn)的問題

問題1 調(diào)試用標(biāo)準(zhǔn)氣的選擇。

氫濃度監(jiān)測(cè)儀的量程范圍為0～10%，安全殼大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1E級(jí)氫濃度測(cè)量裝置的調(diào)試方法為標(biāo)定零點(diǎn)和10%滿量程進(jìn)行標(biāo)定，選用的氣體為高純氮?dú)夂蜌錃怏w積濃度為10%的氫氮混合氣進(jìn)行標(biāo)定。但根據(jù)氫濃度監(jiān)測(cè)儀的工作原理，即在催化劑作用下，氫氣和氧氣發(fā)生化合反應(yīng)發(fā)熱，對(duì)發(fā)熱量進(jìn)行測(cè)量后，得出氫氣濃度。選用氫氮混合氣無(wú)法進(jìn)行標(biāo)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(yuǎn)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(xiàn)場(chǎng)遇明火，就極易發(fā)生爆炸，故無(wú)法選用氣體積濃度為10%的氫氣空氣混合氣。

根據(jù)氫濃度監(jiān)測(cè)儀的變化曲線為線性，并且氫濃度監(jiān)測(cè)儀的報(bào)警值為4.1%，參照秦山300MW機(jī)組的氫濃度監(jiān)測(cè)儀的標(biāo)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(jìn)行標(biāo)定），準(zhǔn)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(jìn)行線性標(biāo)定和報(bào)警值的測(cè)試。但由于調(diào)試期間，交叉作業(yè)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(xiǎn)，從調(diào)試安全的角度出發(fā)，放棄氫氣體積濃度為4.1%的氫氣空氣混合氣。

最后，根據(jù)線性曲線和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jìn)行標(biāo)定，并且采用模擬信號(hào)，模擬氫氣體積濃度4.1%對(duì)報(bào)警值進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)過程中，注意交叉作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，并投運(yùn)安全殼連續(xù)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)，保證試驗(yàn)人員和設(shè)備的安全。最后試驗(yàn)結(jié)果滿足精度誤差≤3%的驗(yàn)收準(zhǔn)則。

問題2 測(cè)量機(jī)柜量程與KIC量程不匹配的問題。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)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(cè)量機(jī)柜的標(biāo)定試驗(yàn)后，對(duì)儀控回路進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)柜上氫濃度測(cè)量?jī)x的氫濃度量程為0～15%，而KIC顯示量程的0～20%，4～20mA經(jīng)過測(cè)量機(jī)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(duì)101MG進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果測(cè)量柜與KIC顯示一致，問題得到良好的解決。

以上兩個(gè)問題是氫濃度監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中出現(xiàn)的問題，經(jīng)過與相關(guān)配合人員和設(shè)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(jiān)測(cè)儀的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作圓滿完成。

3 結(jié)論

在核事故中，安全殼內(nèi)氫濃度測(cè)量?jī)x可以在防止放射性物質(zhì)泄露，保證人員和財(cái)產(chǎn)安全方面起到重要的作用。在福島核事故后，針對(duì)安全殼氫濃度測(cè)量的工作尤為引人注意。安全殼氫濃度檢測(cè)儀的調(diào)試工作雖然看上去很簡(jiǎn)單，但氫濃度監(jiān)測(cè)儀在核電廠安全運(yùn)行的重要作用使得調(diào)試工作不能存在一點(diǎn)馬虎和瑕疵，所以，調(diào)試過程中需要面面俱到，力求完美，為核電廠的安全運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]羅莎，安全殼內(nèi)氫氣濃度測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用綜述，船舶科學(xué)與技術(shù)：2017.07，第35卷 第7期：P8-P11.

[2]鄧堅(jiān)，秦山二期核電廠嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)氫氣濃度分布及風(fēng)險(xiǎn)初步分析，核動(dòng)力工程，2008.04，第29卷 第2期：P78-P84.

[3]肖建軍，嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)氫氣濃度場(chǎng)分布影響因素的初步研究，核動(dòng)力工程，2007.02，第28卷 第1期：P99-P104.

[4]安全殼氫濃度監(jiān)測(cè)儀技術(shù)規(guī)格書 QFX57122018B30444DS Rev.A.

[5]安全殼氫濃度監(jiān)測(cè)改進(jìn)調(diào)試大綱 QFX26FDG005B21145SS Rev.A.

[6]安全殼氫濃度監(jiān)測(cè)改進(jìn)定期試驗(yàn)導(dǎo)則 QFX39FDG005B21145GN Rev.A.