淺談高溫氣冷堆核電站氣體濕度監控裝置設計

胡潤勇，向友洪，程杰，肖習鵬，王建宇

（中國核動力研究設計院，四川 成都 610041）

1 概述

高溫氣冷堆核電站氣體濕度監控裝置是針對高溫氣冷堆核電堆型的專用設備，該設備實時測量一回路氣體濕度，并將測量結果變換成反應堆保護系統可識別的信號送到反應堆保護系統。當發生蒸汽發生器管道破口事故導致水進入一回路系統，一回路氣體濕度將增大，濕度監測裝置可在10s 內響應濕度變化，及時觸發保護動作。采用氦氣作為一回路冷卻劑的高溫氣冷堆屬于第四代核反應堆，我國在該先進反應堆型的科研和工程實踐領域處于國際領先水平。與現役國內外核電站主要采用水作為一回路冷卻劑不同，高溫氣冷堆采用氦氣作為冷卻劑，在運行時需要嚴格控制一回路冷卻劑中的水分含量，當水分含量較高時發出停堆信號以避免反應堆安全事故。

氣體取樣裝置在工業領域有廣泛的應用，趙立宏等研制了用于核電站安全監測的啟動氣體取樣裝置，監測空氣中的N-13 成分，該裝置從安全殼中抽取氣體，然后進行氣體放射性檢測。劉建成等設計研制了煤礦瓦斯氣體自動取樣裝置，針對實驗室方法檢測井下瓦斯氣體濃度時對氣體體積取樣誤差大和取樣數值不能實時顯示等缺點，采用先進的液位傳感技術，實現了瓦斯氣體取樣的實時控制和顯示。

一回路冷卻氣體具有放射性，取樣氣體不允許排放到空氣中。氣體濕度監控裝置利用一回路管道不同位置的壓差保持氣體的循環，從壓力較高的管道處取樣，完成測量后返回壓力較低的管道處，實現氣體濕度的實時測量。由于一回路氣體為高壓氣體，因此，氣體濕度監控裝置不僅要實現快速準確的濕度測量，而且必須保證可靠的密閉性能。適用于高壓工況的濕度傳感器種類有多孔氧化鋁或孔硅傳感器和高分子薄膜傳感器。在高純氣體、天然氣化工等低濕度測量領域，采用多孔氧化鋁或多孔硅濕度傳感器能夠得到較高的測量精度，傳感器參數特性與氣體露點相關，在環境濕度測量領域，高分子薄膜濕度傳感器響應快，測量精度及長期穩定性都較好，傳感器參數特性與氣體相對濕度相關。以上兩種類型的傳感器均可以耐受高壓環境工況，傳感器的輸出信號與氣體中水氣分壓有關。

中國在高溫氣冷堆的研究和建設上處于世界領先地位，目前還暫無成熟的國內外使用經驗供參考?，F有工業系統濕度在線測量系統是無法直接用在高溫氣冷堆核電上，其存在兩大不匹配性。

（1）現有濕度測量裝置的測量及處理均基于軟件，但軟件沒有V&V 認證，不滿足核電站安全級設備軟件必須通過V&V 認證的要求。

（2）現有的測量方式是降壓測量，測量后的氣體不能返回主管道，無法實現一回路放射性氣體零排放要求。

2 總體設計

高溫氣冷堆核電站氣體濕度監控裝置由冷卻控制單元、過濾單元、取樣單元和濕度測量單元組成。冷卻控制單元對一回路高溫取樣氣體進行降溫，降至其設計溫度范圍，使取樣單元內的溫度在傳感器適宜工作溫度范圍內。冷卻控溫既可防止取樣氣體溫度過高導致濕度傳感器損壞，也可避免溫度過低導致取樣氣體凝露。此處的一定溫度范圍為略高于取樣單元內的溫度在傳感器適宜工作溫度范圍，因為在傳輸過程中其存在溫降。冷卻控制單元與取樣單元之間的壓力管中設置有過濾單元。冷卻控制單元冷卻后的取樣氣體經過濾單元以除去氣體中的微小顆粒，過濾單元封裝在壓力管內，保證了氣密性。氣體中的微小顆粒黏附在傳感器上，將導致傳感器測量精度下降，影響傳感器的使用壽命。采用過濾單元過濾微小顆粒，保證了取樣氣體的潔凈度，可以有效提高傳感器的使用壽命。濕度測量單元采用純硬件電路結構實現，濕度信號的采集和轉換，相比現有的軟件形式，其滿足了安全級設備的可靠性要求。氣體濕度監控裝置的總體結構圖如圖1 所示，圖中左側為冷卻單元，中部為過濾單元，右側為取樣單元。

圖1 氣體濕度監控裝置的總體結構圖

3 冷卻單元設計

冷卻控制單元包括套管式換熱器2、均連接在套管式水冷換熱器2 冷卻介質通路的自然空冷換熱器1 和冷卻劑流量控制裝置，冷卻劑流量控制裝置包括用于采集取樣單元溫度信息的測溫元件，均設置在套管式換熱器冷卻介質通路上的循環泵3 和溫度控制閥4，測溫元件的信號驅動溫度控制閥4 的閥位移動。溫度調節采用PID 控制方式，工作原理如圖2 所示，輸入端為溫度設定目標值，溫度控制單元對比測溫元件測量值與設定目標值，通過調整控制參數（比例增益、積分增益/時間、微分增益/時間）讓冷卻單元達到最佳的控溫效果。

圖2 冷卻單元溫度PID 調節示意圖

取樣氣體經套管式換熱器進行降溫，用于氣體冷卻的冷卻介質由循環泵3 驅動循環流動并通過自然空冷換熱器1 進行散熱。套管式換熱器的冷卻能力通過溫度控制閥調節，通過采集取樣單元內溫度后進行反饋控制，將取樣單元的溫度控制在傳感器適宜工作溫度范圍內。冷卻控制單元采用套管式冷卻結構，其冷卻效率高，可以減少換熱管長度，加快了測量響應時間，溫度控制閥采用換熱器恒溫控制閥。

4 取樣單元設計

取樣單元包括取樣單元包括依次連接的取樣腔室19、密封腔室18，感濕元件26 的感應端置于取樣室19內，密封腔室18 上設置有用于將感濕元件的信號線接到信號轉換電路的貫穿接頭23。密封腔室與取樣腔室之間采用焊接固定，貫穿接頭與密封腔室之間采用卡套密封，在保證密封的前提下實現與感濕元件的信號連接和引出，連接可靠，維修性好。感濕元件的感應端置于取樣室內，感濕元件的輸出信號線經貫穿接頭傳輸到外部的濕度測量單元信號轉換電路，并最終提供給反應堆保護系統。取樣單元結構如圖3 所示，密封腔室擴大了密封邊界的設計，并輔助采用成熟的焊接、彈性金屬密封工藝，保證了整個系統的高密封性要求。

圖3 取樣單元結構圖

感濕元件的電信號與被測量氣體的濕度相關，信號轉換電路根據濕度-電信號曲線進行信號變換電路設計，采用純硬件電路將測量氣體的濕度值變換為反應堆保護系統所需的電流或其他信號，采用純硬件電路，避免了軟件難以驗證可靠性的問題，能夠有效提高濕度測量的響應時間。濕度測量的信號變換電路示意圖如圖4 所示，基于濕度傳感器信號選擇分段硬件放大電路，對于低濕和高濕的氣體，均能滿足測量精度需求。

圖4 濕度測量信號變換電路示意圖

5 結語

高溫氣冷堆核電站氣體濕度測量裝置采用純硬件電路實現濕度信號的采集和轉換，散熱和取樣結構設計合理、性能可靠、工藝成熟可行、檢修維護方便，能夠滿足高溫氣冷堆核電廠一回路氣體濕度實時監測的性能要求，同時，該產品還能滿足電磁兼容、抗地震、氣密等特殊要求。