氣載放射性排出流混合均勻性驗(yàn)證方法研究

孫 瑜 劉洪濤

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

為評(píng)估核設(shè)施對(duì)周圍環(huán)境的影響，《GB 6249 -2011核動(dòng)力廠環(huán)境輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》要求對(duì)核設(shè)施氣態(tài)流出物必須進(jìn)行放射性活度監(jiān)測(cè)［1］。由于放射性物質(zhì)在煙囪或管道流場(chǎng)中的分布可能不均勻，因此取得的樣品是否具有代表性，將直接影響流出物測(cè)量的準(zhǔn)確性。

為了指導(dǎo)核設(shè)施氣載流出物取樣測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織于1969 年出版了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《ANSI N13.1-1969 核設(shè)施氣載放射性物質(zhì)的取樣導(dǎo)則》，提出了多嘴等速取樣的方法，從而降低放射性物質(zhì)分布不均勻帶來的影響［2］。近年來，美國(guó)科研機(jī)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，多嘴等速取樣方法存在很多問題，其中一個(gè)重要問題就是多嘴取樣器會(huì)造成氣溶膠的大量損失，極大地降低了系統(tǒng)的采樣效率，增加了測(cè)量誤差。美國(guó)研究人員提出了護(hù)套式單嘴取樣的方法及一系列性能指標(biāo)，并于1999 年將研究成果轉(zhuǎn)化為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《ANSI N13.1 1999 核設(shè)施煙囪和管道中氣載放射性物質(zhì)釋放的取樣與監(jiān)測(cè)》。與1969 年的標(biāo)準(zhǔn)相比，該標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容上進(jìn)行了重大的修改，在推薦護(hù)套式單嘴取樣方法的基礎(chǔ)上，對(duì)煙囪或管道內(nèi)流場(chǎng)均勻性作出了定量的要求。本文通過研究ANSI N13.1 -1999 及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，詳細(xì)描述了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的混合均勻性驗(yàn)證方法。

1 混合均勻性驗(yàn)收準(zhǔn)則

為保證在采用護(hù)套式單嘴取樣器的情況下獲得有代表性的樣品，ANSI N13.1 -1999 給出了取樣截面的混合均勻性驗(yàn)收準(zhǔn)則，如表1 所示［2］。

表1 混合均勻性驗(yàn)收準(zhǔn)則Tab.1 Acceptance criteria for mixed homogeneity

2 混合均勻性驗(yàn)證方法

2.1 基本要求

ANSI N13.1 -1999 對(duì)表征煙囪或管道內(nèi)氣流混合情況的各項(xiàng)特性的測(cè)試方法給出了基本要求，如表2所示［2］。

表2 混合均勻性測(cè)試基本要求Tab.2 Basic requirements for the mixed homogeneity tests

2.2 驗(yàn)證方法

為降低試驗(yàn)成本、縮短試驗(yàn)時(shí)間，表1、表2 中的試驗(yàn)可采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和比例模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法來開展。根據(jù)ANSI N 13.1 -1999，當(dāng)滿足如下條件，可認(rèn)為實(shí)際煙囪采樣截面滿足混合均勻性驗(yàn)收準(zhǔn)則［2］:

①比例模型中的取樣截面按表2 測(cè)試滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則;

②比例模型在幾何尺寸上與實(shí)際煙囪相似，安裝在比例模型中影響污染物混合和速度分布的組件與安裝在實(shí)際煙囪中的組件成比例;

③比例模型中的取樣位置在幾何上與實(shí)際煙囪一致;

④比例模型的水力直徑與平均流速的乘積，與實(shí)際煙囪水力直徑與平均流速的乘積的比值應(yīng)大于1/6;

⑤比例模型取樣位置煙囪直徑至少為250 mm;

⑥原型煙囪和比例模型的雷諾數(shù)必須大于10 000;

⑦實(shí)際煙囪速度分布滿足接受準(zhǔn)則;

⑧實(shí)際煙囪和比例模型流速變異系數(shù)的差異小于5%。

相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法如下。

①水力直徑計(jì)算公式:四倍濕橫截面面積與濕圓周長(zhǎng)度之商。

②變異系數(shù):被測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差與均值之比。

③圓形煙囪雷諾數(shù)計(jì)算公式:式中:ρ 為空氣密度;dt為管線內(nèi)徑;μ 為空氣動(dòng)力黏度;q 為體積流量。

2.3 比例模型試驗(yàn)

2.3.1 比例模型建模范圍

比例模型試驗(yàn)包括驗(yàn)收準(zhǔn)則要求的所有試驗(yàn)，建模范圍需包括煙囪本體、煙囪內(nèi)部構(gòu)件、通風(fēng)系統(tǒng)與煙囪的接口構(gòu)件，尺寸、流速、雷諾數(shù)、取樣位置要滿足

2.2 節(jié)所述要求。

陽(yáng)江56 機(jī)組已開展混合均勻性驗(yàn)證工作，比例模型建立如下。

①比例模型包括煙囪本體、煙囪內(nèi)EUF 排氣管線、煙氣混合室、通風(fēng)系統(tǒng)與煙氣混合室接口管線。

②比例模型與實(shí)際煙囪尺寸采取1/5 的比例，采取相同的流速。

③比例模型煙囪直徑為600 mm。

④比例模型雷諾數(shù)大于10 000。

⑤取樣位置在幾何上與實(shí)際煙囪一致。

2.3.2 比例模型試驗(yàn)類型

在比例模型上需完成所有測(cè)試項(xiàng)目，包括氣旋角、風(fēng)速、示蹤氣體濃度和示蹤粒子濃度測(cè)試，并計(jì)算平均氣旋角、風(fēng)速變異系數(shù)(COV)、示蹤氣體濃度變異系數(shù)(COV)、示蹤氣體濃度最大值與平均濃度的偏差、示蹤粒子濃度變異系數(shù)(COV)五個(gè)參數(shù)。

2.3.3 示蹤劑注入位置

ANSI N13. 1 - 1999 對(duì)示蹤劑注入位置要求如下［2］。

①注入位置位于排出流與煙囪最后一個(gè)接入點(diǎn)下游。

②示蹤氣體和粒子采用相同的注入位置。

對(duì)于在煙囪底部設(shè)置煙氣混合室，通風(fēng)系統(tǒng)排氣先匯入混合室再排入煙囪的情況，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，示蹤劑注入位置位于煙氣混合室與煙囪的接口位置，不能真實(shí)反映污染實(shí)際進(jìn)入煙囪的方式。基于ANSI N 13.1 -1999 編制的ISO 2889 -2010《核設(shè)施煙囪和管道氣載放射性物質(zhì)采樣》給出的另外一種更合理的方法，示蹤劑注入位置設(shè)于通風(fēng)系統(tǒng)與煙氣混合室的接口位置［3］，本文采納該方法開展研究。

在通風(fēng)系統(tǒng)與煙氣混合室的接口處，注入示蹤氣體或示蹤粒子進(jìn)行示蹤試驗(yàn)，根據(jù)ANSI N13. 1 -1999，注入口位置要求如下［2］。

①注入位置處為矩形管道:示蹤氣體注入點(diǎn)為管道中心以及靠近角落的位置(距離角落不超過25%的管道水力直徑)。

②注入位置處為圓形管道:示蹤氣體注入點(diǎn)為管道中心以及靠近管壁的位置(距離管壁不超過20%的管道水力直徑)。

③對(duì)于示蹤粒子，在管道中心注入。

2.3.4 測(cè)量點(diǎn)數(shù)量及位置

根據(jù)表2，采樣截面處氣旋角、風(fēng)速、示蹤氣體濃度、示蹤粒子濃度的測(cè)量需根據(jù)40 CFR 60 -2012 附錄A 方法1 確定測(cè)量點(diǎn)數(shù)量和位置。測(cè)量點(diǎn)最小數(shù)量如圖1 所示。假定模型煙囪截面為圓形，取樣截面水力直徑為0.5 m，上下游無擾動(dòng)管段長(zhǎng)度分別為9 倍和3 倍煙囪直徑，則最小測(cè)量點(diǎn)數(shù)量為8。圖1 中，α為適用于矩形煙囪或管道的數(shù)量。

圖1 測(cè)量點(diǎn)最小數(shù)量Fig 1 Minimum quantity of the measurement points

根據(jù)40 CFR 60 -2012 附錄A 方法1，對(duì)于不同數(shù)量的測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)在取樣截面內(nèi)兩個(gè)相互垂直方向上的位置見表3［4］和圖2［4］。

表3 測(cè)量點(diǎn)位置表Tab.3 Position of the measurement points

圖2 測(cè)量點(diǎn)位置示意圖Fig 2 Sketch map of the measurement points

2.3.5 試驗(yàn)條件變化組合

不同運(yùn)行工況或操作模式會(huì)影響煙囪內(nèi)氣流混合情況，通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)煙囪的排氣流量變化可能惡化混合。因此，需根據(jù)不同運(yùn)行工況或操作模式開展試驗(yàn)，下面舉例說明如何針對(duì)不同情況進(jìn)行組合試驗(yàn)。

假定煙氣混合室有兩路輸入接口，正常運(yùn)行和事故工況下每路進(jìn)風(fēng)量不同，則需開展如下組合試驗(yàn)(試驗(yàn)組合見表4)。

①氣旋角、風(fēng)速測(cè)量:需在每種工況下測(cè)試取樣截面每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的氣旋角和風(fēng)速。

②示蹤劑濃度測(cè)量:每種工況下對(duì)每路接口輸入示蹤氣體或粒子，測(cè)量取樣截面示蹤氣體或示蹤粒子的濃度。

表4 示蹤劑濃度測(cè)量試驗(yàn)組合Tab.4 Tracer concentration measurement test combination

2.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)2.1 節(jié)所述驗(yàn)證方法，在比例模型試驗(yàn)滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則的情況下，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如果能滿足如下條件，即可證明實(shí)際煙囪采樣位置滿足所有驗(yàn)收準(zhǔn)則。

①實(shí)際煙囪風(fēng)速分布滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。

②實(shí)際煙囪和比例模型風(fēng)速變異系數(shù)差異小于5%。

因此，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)僅需開展風(fēng)速試驗(yàn)即可，試驗(yàn)方法與比例模型試驗(yàn)一致。

2.5 測(cè)試方法及儀器

混合均勻性驗(yàn)證試驗(yàn)涉及的測(cè)試項(xiàng)目包括:氣旋角測(cè)量、風(fēng)速測(cè)量、示蹤氣體濃度測(cè)試、示蹤粒子濃度測(cè)試。測(cè)試方法及所用儀器如下。

①氣旋角測(cè)量:采用S 型皮托管、數(shù)顯壓力計(jì)和水平量角器實(shí)現(xiàn)測(cè)量。皮托管管道出口置于每個(gè)測(cè)試點(diǎn)，與煙囪軸線垂直;然后旋轉(zhuǎn)皮托管，使壓力計(jì)顯示為零，通過水平量角器記錄皮托管旋轉(zhuǎn)的角度即得到氣旋角。

②風(fēng)速測(cè)量:采用皮托管結(jié)合壓力計(jì)的方式進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)皮托管壓差計(jì)算出風(fēng)速。

③示蹤氣體濃度測(cè)量:采用SF6 作為示蹤氣體，在采樣平面各測(cè)試點(diǎn)采樣混合后的氣體，使用SF6 分析儀測(cè)量濃度。

④示蹤粒子濃度測(cè)量:采用多分散系氣溶膠發(fā)生器生成包括10 μm 氣溶膠粒子在內(nèi)的示蹤粒子，在采樣平面各測(cè)試點(diǎn)采樣混合后的氣體，使用光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器測(cè)量10 μm 氣溶膠的粒子數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

ANSI N13.1 -1999 對(duì)煙囪取樣截面混合均勻性提出了定量的技術(shù)要求，給出了明確的符合性判定準(zhǔn)則，這與之前基于經(jīng)驗(yàn)的舊版標(biāo)準(zhǔn)有著明顯的區(qū)別。在新標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用中，應(yīng)在充分消化標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證取樣截面是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。如果不能滿足要求，可通過在煙囪中增加混流器的方式來增進(jìn)氣體混合，確保獲得具有代表性的樣品。

［1］ GB6249 -2011 環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定［S］.2011.

［2］ANSI N13.1-1999 Sampling and monitoring releases of airborne radioactive substances from the stacks and ducts of nuclear facilities［S］.1999.

［3］ ISO2889 -2010 Sampling airborne radioactive materials from the stacks and ducts of nuclear facilities［S］.2010.

［4］40 CFR PART 60-2012 Standards of performance for new stationary sources［S］.2012.