SF6示蹤劑遠(yuǎn)程泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能

田 杰，羊衍秋,*，楊 亮，聶詩(shī)良，楊通在，王麗雄，張海濤

(1.中國(guó)工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽(yáng) 621900；2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

SF6遠(yuǎn)程分析主要通過(guò)兩種實(shí)現(xiàn)方式：就地采樣方式和遠(yuǎn)程采樣方式。就地采樣方式的分析結(jié)果需遠(yuǎn)距離傳輸。這種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用小巧的探頭采樣，示蹤劑分析一般采用電化學(xué)、紅外等技術(shù)，最低檢測(cè)含量(相對(duì)含量)為1 μL/L。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，在變電站、GIS開(kāi)關(guān)室等的環(huán)境監(jiān)控、管理中已廣泛應(yīng)用。遠(yuǎn)程采樣方式是用管道將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣體樣品輸送到監(jiān)測(cè)室進(jìn)行分析。這種監(jiān)測(cè)方式在分析方法選擇上豐富、靈活，可采用分析靈敏度更高的氣相色譜技術(shù)分析[8]，從而提高泄漏檢測(cè)的靈敏度。

兩種采樣方式分析方法的檢測(cè)靈敏度差別不大，但對(duì)于一些特殊檢測(cè)場(chǎng)所，如貯存放射性和有毒有害氣體物質(zhì)容器的泄漏監(jiān)測(cè)，就地方式無(wú)法適應(yīng)，必須采用遠(yuǎn)程采樣方式進(jìn)行分析。

本文介紹SF6示蹤劑多監(jiān)測(cè)點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和主要功能模塊流程。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

示蹤劑在線檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)由采樣系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、示蹤劑分析儀器、工作站等組成。采樣點(diǎn)采集的氣體樣品在氣體循環(huán)泵動(dòng)力作用下循環(huán)流動(dòng)，在循環(huán)泵出口處采集，同時(shí)工作站記錄采樣點(diǎn)氣體的溫度和壓力數(shù)據(jù)。通過(guò)壓力控制進(jìn)樣系統(tǒng)的進(jìn)樣量，采用示蹤分析儀器分析樣品，然后將所有采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)輸入工作站進(jìn)行處理、分析，最后再反饋給樣品采集控制設(shè)備，控制氣體循環(huán)、樣品采集和分析等流程[9]。

樣品采集器參與樣品的最終計(jì)算分析，因此是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要設(shè)備，主要用于控制樣品的采集和樣品定量。氣相色譜儀則用于分析示蹤劑含量。

1.2 樣品采集器設(shè)計(jì)

樣品采集器是采集和分析不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻樣品的必需設(shè)備，承擔(dān)著樣品采集、定量、稀釋，及色譜進(jìn)樣、系統(tǒng)清洗等單元流程操作。樣品采集器除需滿足上述功能要求外，還需滿足如下特殊技術(shù)要求：1) 采集樣品具有良好實(shí)時(shí)性；2) 樣品間無(wú)交叉污染；3) 采樣過(guò)程封閉，無(wú)泄漏。樣品的實(shí)時(shí)性主要通過(guò)氣體循環(huán)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣體樣品始終處于流動(dòng)狀態(tài)，不僅使采集樣品具有實(shí)時(shí)代表性，而且有助于示蹤劑與監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)境氣氛(如空氣、氮?dú)獾?均勻混合。

圖1 示蹤劑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

樣品采集器的內(nèi)部配管示意圖示于圖2。它主要由常閉型密封電磁閥、壓力傳感器、真空規(guī)管和φ3.2 mm不銹鋼管等裝配而成，共有8個(gè)與其他設(shè)備連接的接口，其中樣品入口1個(gè)，系統(tǒng)管道清洗氮?dú)馊肟?個(gè)，儀器校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)氣體入口1個(gè)，真空泵接口2個(gè)，氣相色譜儀進(jìn)樣閥接口2個(gè)。

SPV、WNV、VPV-1、VPV-2、ILV、OLV、STV為電磁閥；VA為真空計(jì)；P為壓力傳感器

采樣前，管道系統(tǒng)用高純氮?dú)馇逑粗翙z測(cè)不到示蹤劑組分色譜峰，系統(tǒng)抽空備用。采樣時(shí)，開(kāi)啟樣品進(jìn)樣閥(SPV)，樣品進(jìn)入管道系統(tǒng)，采樣器管道內(nèi)氣體壓力達(dá)到設(shè)定采樣壓力后關(guān)閉。壓力平衡后采集樣品的溫度、壓力參數(shù)。樣品分析有兩種模式：全壓進(jìn)樣分析和分壓進(jìn)樣分析。如果樣品含量處于氣相色譜儀的定量線性范圍內(nèi)，直接進(jìn)樣分析；如果樣品含量超出色譜儀定量線性范圍，需分壓進(jìn)樣，樣品進(jìn)入“外接樣品環(huán)”分掉一部分氣體，使進(jìn)入色譜儀的示蹤劑處于定量線性范圍，外接樣品環(huán)的大小根據(jù)樣品含量而定。氣體進(jìn)樣量按理想氣體等溫方程計(jì)算：

(1)

式中：Bsplit為進(jìn)樣分壓比；Vsample為樣品進(jìn)樣量，mL；Vloop為氣相色譜儀氣體進(jìn)樣環(huán)體積，mL；p為進(jìn)樣壓力，kPa；T為樣品溫度，K；p0為理想氣體標(biāo)準(zhǔn)態(tài)壓力，101.3 kPa；T0為理想氣體標(biāo)準(zhǔn)態(tài)溫度，273.2 K。

1.3 主要控制流程算法

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制采用可編程控制器(PLC)，PLC主流程按監(jiān)測(cè)過(guò)程順序編寫(xiě)，如圖3所示，重要的單元流程(系統(tǒng)清洗流程和監(jiān)測(cè)分析流程)示于圖4、5。

圖3 示蹤劑在線監(jiān)測(cè)主流程示意圖

清洗流程是貫穿整個(gè)在線監(jiān)測(cè)過(guò)程的基礎(chǔ)單元流程，其主要功能是完成樣品共用管道的清洗和檢查，以確保樣品分析無(wú)交叉污染，得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果。具體過(guò)程為：向管道內(nèi)充入高純氮?dú)猓缓蟪榭?，反?fù)多次，直至充入氮?dú)庵斜槐O(jiān)測(cè)組分(SF6)的含量(色譜峰高)低于2倍基線噪音(2σ)，抽空備用。進(jìn)入清洗流程時(shí)，首先從主流程中讀取清洗設(shè)置參數(shù)：基本清洗次數(shù)N、抽空壓力限值psv(Pa)、充入氮?dú)鈮毫sN(kPa)、充入氮?dú)馄胶鈺r(shí)間ts(s)、充入氮?dú)鈱?shí)際壓力pN(kPa)和溫度T(K)。無(wú)論清洗前管道是否干凈，無(wú)條件清洗N次，然后檢測(cè)管道內(nèi)SF6含量，如果SF6色譜峰高h(yuǎn)大于2σ，返回清洗，直至SF6色譜峰高不大于2σ，退出清洗流程。

圖4 系統(tǒng)清洗流程

圖5 監(jiān)測(cè)分析控制流程

監(jiān)測(cè)分析流程由兩層循環(huán)構(gòu)成。外循環(huán)為監(jiān)測(cè)時(shí)間控制循環(huán)，由監(jiān)測(cè)時(shí)間(t，min)和每次監(jiān)測(cè)采樣時(shí)間間隔(tR，min)控制；內(nèi)循環(huán)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)(NJ)控制循環(huán)，1臺(tái)監(jiān)測(cè)儀器同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每輪次監(jiān)測(cè)需完成所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采樣和分析。這種設(shè)計(jì)需要監(jiān)測(cè)流程的時(shí)間間隔tR不小于NJ個(gè)樣品分析所需時(shí)間的總和，因此，當(dāng)初始設(shè)置tR

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能

2.1 基線噪聲

基線噪聲是分析系統(tǒng)的主要性能參數(shù)之一。通過(guò)比較氣體采樣泵和樣品采集器在運(yùn)行狀態(tài)前后的色譜基線，可評(píng)價(jià)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)色譜儀分析性能的影響。氣相色譜儀(GC-17A，日本島津)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接前后，SF6分析色譜圖如圖6所示。圖6中第一個(gè)色譜峰為SF6，第二個(gè)峰為氧。取SF6峰和氧峰之間的平直段測(cè)定基線噪聲，連接前后的噪聲分別為16.7 μV和17.6 μV，即在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接前后色譜基線噪聲基本一致。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制電路在設(shè)計(jì)中充分考慮了電磁信號(hào)對(duì)色譜分析可能的影響，對(duì)電磁信號(hào)集中的硬件部位采用良好的電磁屏蔽措施。因此，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)氣相色譜儀的分析性能基本無(wú)影響。

2.2 采樣管路體積

樣品消耗量是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一，樣品需求量越小，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體環(huán)境的影響越小。采樣壓力一定時(shí)，樣品消耗量由樣品采集器的采樣管道總體積(圖2中粗線框內(nèi)管道體積)決定。采用理想氣體P-V-T法，在體積已知的鋼瓶?jī)?nèi)充入高純N2(壓力在常壓附近，85～130 kPa)，將此鋼瓶與樣品入口連接，樣品采集器抽真空(小于20 Pa)后，打開(kāi)采樣閥門(mén)(SPV)，讀取穩(wěn)定壓力，用理想氣體等溫方程計(jì)算采樣管路體積：

圖6 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接前(a)、后(b)SF6分析色譜

(2)

式中：V為樣品采集器管路體積，mL；p0、p1分別為SPV閥開(kāi)啟前、后鋼瓶壓力，kPa；V0為鋼瓶體積，1 116 mL。根據(jù)上述方法，將采樣管道的體積標(biāo)定了11次，標(biāo)定結(jié)果為(35.4±0.3) mL。

根據(jù)采樣設(shè)備管道的體積來(lái)選擇管道的尺寸，選擇管道的尺寸時(shí)主要考慮兩方面的影響：1) 管道的死體積(即樣品的消耗量)，選擇直徑越小的管道，采樣消耗量越??；2) 管道抽空氣阻，氣阻越大，對(duì)管路清洗和樣品交叉污染的影響也越大。系統(tǒng)要求樣品消耗量小且抽空氣阻小，綜合考慮，該系統(tǒng)選擇采用φ3.2 mm不銹鋼管。

2.3 采樣壓力控制

在樣品溫度確定的條件下，樣品消耗量由采樣管道體積和采樣壓力兩個(gè)因素確定。如前所述，因管道系統(tǒng)清洗和避免樣品交叉污染的要求，管道體積減小受到制約。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可通過(guò)控制采樣壓力實(shí)現(xiàn)樣品消耗量控制。為此，在樣品循環(huán)流動(dòng)條件下，比較了實(shí)際采樣壓力與采樣壓力設(shè)置值間的差異，結(jié)果示于圖7。

由圖7知，實(shí)際進(jìn)樣壓力與設(shè)定壓力的線性關(guān)系良好，其線性方程為y=0.970 7x+9.130 2，相關(guān)系數(shù)為0.999 8，表明進(jìn)樣壓力控制效果良好。

2.4 SF6在線分析測(cè)試

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用雙柱閥切換分析SF6，分析技術(shù)及精密度檢測(cè)參考文獻(xiàn)[8]，本文重在測(cè)試在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析SF6的精密度，考察不同含量樣品分析是否存在交叉污染。將裝有含量高于空氣的SF6氣體(相對(duì)含量為5×10-10L/L)的密封容器置于某房間內(nèi)，用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集通道1和采集通道2同時(shí)監(jiān)測(cè)該房間內(nèi)空氣中的SF6含量，用采集通道3監(jiān)測(cè)密封容器內(nèi)的SF6含量；監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離檢測(cè)系統(tǒng)150 m，采樣時(shí)間間隔為10 min；SF6定量方式選擇平均峰高響應(yīng)值定量。監(jiān)測(cè)結(jié)果列于表1。

圖7 采樣壓力控制測(cè)試結(jié)果

由表1知，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)同一樣品在不同時(shí)刻的監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合良好，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%，說(shuō)明不同采樣時(shí)刻監(jiān)測(cè)結(jié)果具有良好的精密度。通道1和通道2的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，不同通道對(duì)同一樣品的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。

通道3監(jiān)測(cè)的密封容器中SF6含量與原始含量基本一致，且高于通道1和通道2的測(cè)量結(jié)果，說(shuō)明通道1和通道2的樣品未受到污染，系統(tǒng)各通道樣品間的交叉污染可忽略。

2.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體溫度壓力在線監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的氣體溫度、壓力監(jiān)測(cè)具有重要意義，能指示監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體的狀態(tài)，根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)的變化能及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的各種異常狀況。該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度和壓力監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[9]。本文重點(diǎn)檢驗(yàn)溫度和壓力監(jiān)測(cè)的結(jié)果。溫度監(jiān)測(cè)的測(cè)試方法是監(jiān)測(cè)距監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100 m處一杯熱水的溫度變化，同時(shí)在熱水杯處和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端讀取熱水的溫度，結(jié)果列于表2。采用類(lèi)似方法監(jiān)測(cè)距監(jiān)測(cè)系統(tǒng)100 m處一容器內(nèi)的壓力，將容器抽空后充入不同壓力的空氣，在容器處和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端同時(shí)監(jiān)測(cè)容器內(nèi)壓力的變化，結(jié)果列于表3。

表1 SF6在線分析結(jié)果

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)終端溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果比較

表3 檢測(cè)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)終端壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果比較

由表2知，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果與就地測(cè)量結(jié)果一致。表3結(jié)果表明，檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果與就地測(cè)量值之間存在一定差異，在260 s監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，二者的最大偏差為1.60 kPa(240 s)。壓力就地測(cè)量采用測(cè)量精度為0.5%、量程為200 kPa的壓力傳感器，極差限為2.00 kPa。由此分析，該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)端壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果差異基本在就地測(cè)量誤差限內(nèi)，因此，可認(rèn)為在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)端壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠。

3 結(jié)論

利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體循環(huán)流動(dòng)，在氣體循環(huán)管道上采樣并進(jìn)行在線分析，建立了SF6示蹤劑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。樣品采集器的管道設(shè)計(jì)和模塊化監(jiān)測(cè)流程軟件設(shè)計(jì)可滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體要求，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行對(duì)氣相色譜儀的基線噪音影響可忽略，對(duì)SF6分析靈敏度無(wú)影響。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能避免樣品間的交叉污染；樣品消耗量較小，并能通過(guò)采樣壓力控制方式減小樣品消耗量；SF6在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精密度良好；遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的溫度監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性很好，壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性較溫度監(jiān)測(cè)的差，與0.5%精度壓力傳感器就地測(cè)量值的差異在1.60 kPa以內(nèi)。

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