核空氣凈化機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的單點(diǎn)噴射注入裝置的研究及應(yīng)用

范從華 吳濤

摘 要 AP1000核電機(jī)組的廠房空間較小，廠房?jī)?nèi)的核空氣凈化機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，在執(zhí)行HEPA（高效空氣粒子過濾器）和碘吸附器效率試驗(yàn)時(shí)，沒有足夠的空間保證示蹤氣體自然分布均勻。三門核電根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)核空氣凈化機(jī)組的布置，研制并應(yīng)用了單點(diǎn)噴射注入裝置，用于輔助示蹤氣體均勻分布，該裝置注入的示蹤劑分布均勻性好，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好。本文總結(jié)單點(diǎn)噴射注入裝置的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試方法，為其他核電機(jī)組同類型的核空氣凈化機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞 AP1000；核空氣凈化機(jī)組；單點(diǎn)噴射注入裝置；經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào) TM3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）233-0099-03

核電廠為了降低室內(nèi)空氣和電廠排氣的放射性、保護(hù)運(yùn)行人員和公眾的安全，HVAC（通風(fēng)空調(diào)）系統(tǒng)設(shè)置有核空氣凈化機(jī)組，機(jī)組中的HEPA（高效空氣粒子過濾器）過濾器過濾氣溶膠，碘吸附器過濾放射性氣體中的放射性碘。為了確保空氣凈化機(jī)組對(duì)放射性的過濾性能，需現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行核凈化機(jī)組的過濾效率試驗(yàn)。

AP1000核電機(jī)組的廠房空間較小，因此廠房?jī)?nèi)的核空氣凈化機(jī)組設(shè)計(jì)緊湊，在進(jìn)行HEPA過濾器和碘吸附器的過濾效率試驗(yàn)時(shí)，示蹤氣體注入點(diǎn)距離取樣點(diǎn)位置過近，缺少氣流混合的空間，影響示蹤氣體樣品的代表性。

其他核電項(xiàng)目均采用多點(diǎn)注入裝置解決無(wú)法混合均勻的問題，三門核電廠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)凈化機(jī)組的實(shí)際布置，研制了新型單點(diǎn)注入裝置，在解決示蹤劑均勻性的同時(shí)，簡(jiǎn)化了注入裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于部分結(jié)構(gòu)緊湊的核凈化機(jī)組，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多點(diǎn)注入裝置使用，簡(jiǎn)化試驗(yàn)過程、降低試驗(yàn)成本。

1 單點(diǎn)噴射注入裝置的設(shè)計(jì)

1.1 單點(diǎn)噴射注入裝置的結(jié)構(gòu)介紹

單點(diǎn)噴射注入裝置由3部分組成：注入集管、注入噴頭和固定裝置，見圖1。注入管由內(nèi)外兩層不銹鋼金屬管組成，伸入風(fēng)管內(nèi)部分彎曲成90度角，內(nèi)層為壓縮空氣通道，外層為示蹤氣體或氣溶膠通道。噴頭安裝在壓縮空氣管的出口處，導(dǎo)出高速的空氣流，用于分散示蹤氣體或氣溶膠。固定裝置采用快卸設(shè)計(jì)方式，試驗(yàn)時(shí)將單點(diǎn)噴射注入裝置固定在風(fēng)管壁上，試驗(yàn)結(jié)束后可以方便的拆卸下來。

1.2 注入噴頭和管道的選型設(shè)計(jì)

1.2.1 噴頭的設(shè)計(jì)、計(jì)算

設(shè)計(jì)單點(diǎn)噴射注入裝置噴頭時(shí)，需考慮風(fēng)管直徑、風(fēng)管內(nèi)氣流速度、壓縮空氣流量和壓力等參數(shù)，確保注入的試驗(yàn)示蹤劑可以均勻的分散到氣流中。

由于噴射氣流速度遠(yuǎn)高于風(fēng)管中氣流的速度，可將射流模式簡(jiǎn)化為高速氣流向靜止空氣中噴射。射流的運(yùn)動(dòng)速度隨噴射距離而衰減，滿足如下經(jīng)驗(yàn)公式：

若把射流速度U降至U0的1/100處定義為射程，則噴射射程L0 = 620 d。為使噴嘴的射流能夠盡量抵達(dá)風(fēng)管的邊緣，設(shè)計(jì)中L0應(yīng)至少不低于1 000mm，則對(duì)應(yīng)的噴孔直徑至少不低于1.6mm。設(shè)計(jì)中U0取為50m/s，可通過控制壓縮空氣的輸出壓力來調(diào)整到預(yù)定值。

1.2.2 注入管的設(shè)計(jì)

在三門核電HVAC試驗(yàn)系統(tǒng)中HEPA過濾器均采用DOP法檢漏，根據(jù)DOP氣溶膠的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下因素。

1）由于DOP氣溶膠易于沉積和積聚，注入管應(yīng)選擇較大的直徑。

2）注入管應(yīng)可拆卸，并在注入管的最低點(diǎn)設(shè)置一個(gè)排液口，用于排出積聚的氣溶膠液體。

3）管道內(nèi)壁應(yīng)光滑，無(wú)尖角、毛刺和裂縫，設(shè)計(jì)選用內(nèi)壁拋光的不銹鋼管。

4）注入管的接口應(yīng)與DPO發(fā)生器相匹配，以便于安裝DOP發(fā)生器。

5）注入管出口的方向的布置應(yīng)方便于利用氣流進(jìn)行混合。除特殊情況外，設(shè)備布置應(yīng)避免使管道出口承受來自氣流的正向動(dòng)壓。

6）應(yīng)避免管道急劇拐彎，盡可能少使用彎頭。

考慮到以上因素，三門項(xiàng)目使用的單點(diǎn)噴射注入裝的注入管具有以下特點(diǎn)：

1）注入管內(nèi)徑設(shè)計(jì)值為35mm，具有足夠大的通徑，可減少DOP氣溶膠易于沉積和團(tuán)聚。

2）注入管采用內(nèi)外壁拋光的304不銹鋼管，可減少DOP氣溶膠的損耗和沉積；

3）注入管采用快卸法蘭的連接方式，可以很方便的與DOP發(fā)生器連接；

4）注入管伸入風(fēng)管部分，采用90度彎頭設(shè)計(jì)，噴射氣流與風(fēng)管內(nèi)氣流方向垂直，加大氣溶膠的混合和擴(kuò)散。

2 單點(diǎn)噴射注入裝置的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方法及過程

1）試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

驗(yàn)證單點(diǎn)噴射注入裝置的設(shè)計(jì)滿足空氣與氣溶膠混合均勻度的要求。

2）試驗(yàn)前提條件。

試驗(yàn)風(fēng)量應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量的±10%以內(nèi)，且核凈化機(jī)組已通過密封性檢漏試驗(yàn)、風(fēng)量和氣流分布試驗(yàn)。

3）試驗(yàn)方法。

將DOP氣溶膠（或其他示蹤劑）從單點(diǎn)噴射注入裝置引入到系統(tǒng)氣流中。試驗(yàn)人員手持探頭在高效過濾器排架上游靠近安裝排架的平行面上，測(cè)出各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的DOP氣溶膠濃度。根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出示蹤劑的混合均勻度。

4）試驗(yàn)設(shè)備。

DOP氣溶膠發(fā)生器，F(xiàn)-1000-SN-10型；

DOP氣溶膠測(cè)定儀，F(xiàn)-1000-DD型；

手持DOP探頭；

5）驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

各測(cè)點(diǎn)示蹤劑濃度值與平均值之間的偏差在±20%以內(nèi)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及性能評(píng)價(jià)

現(xiàn)場(chǎng)選用放射性廢物廠房排風(fēng)凈化機(jī)組G-VSSMS-06B進(jìn)行試驗(yàn)，在凈化機(jī)組上游風(fēng)管中預(yù)先開設(shè)一個(gè)試驗(yàn)孔，分別采用3種方式注入示蹤氣溶膠：

1）單點(diǎn)注入——未使用任何注入裝置；

2）單點(diǎn)注入——使用普通的單點(diǎn)注入裝置；3）單點(diǎn)注入——使用單點(diǎn)噴射注入裝置；

試驗(yàn)分別在兩種氣溶膠濃度下進(jìn)行，過濾器排架上游的測(cè)點(diǎn)位置見圖3，每個(gè)過濾器的中心選取一個(gè)取樣點(diǎn)，在排架截面4個(gè)角和兩邊再選取了6個(gè)點(diǎn)，確保取樣點(diǎn)的代表性。

從表1的試驗(yàn)結(jié)果可見，未使用注入管的混合均勻度結(jié)果不符合要求，使用了普通單點(diǎn)注入裝置和單點(diǎn)噴射注入裝置的均達(dá)到了合格指標(biāo)的要求，但使用單點(diǎn)噴射注入裝置的混合均勻度更好，可以在更近的距離內(nèi)達(dá)到混合均勻性。

3 單點(diǎn)噴射注入裝置技術(shù)特點(diǎn)分析

國(guó)內(nèi)外進(jìn)行核空氣凈化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，包括DOP（鄰苯二甲酸二辛酯）法和熒光素納法，使用的注入裝置只有單點(diǎn)注入裝置和多點(diǎn)注入裝置。單點(diǎn)注入裝置結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性最好，但只適用于核空氣凈化系統(tǒng)有最夠長(zhǎng)的通風(fēng)管道、能夠保證示蹤氣體自然混合均勻的情況。多點(diǎn)注入裝置能夠適用于現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)緊湊、空間狹小的核空氣凈化系統(tǒng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求試驗(yàn)人員具有豐富的安裝調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)性較差。

三門核電應(yīng)用的單點(diǎn)噴射注入裝置，其特點(diǎn)介于傳統(tǒng)的單點(diǎn)注入裝置和多點(diǎn)注入裝置之間，在部分場(chǎng)合，單點(diǎn)噴射注入裝置能夠替代多點(diǎn)注入裝置，從而降低試驗(yàn)成本和試驗(yàn)難度。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)與技術(shù)難點(diǎn)

本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)在于注入裝置噴頭的選型和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，應(yīng)根據(jù)具體的核空氣凈化系統(tǒng)的管道布置、系統(tǒng)風(fēng)量、管道尺寸和通風(fēng)管道流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)根據(jù)注入濃度的分布情況調(diào)整壓縮空氣的注入量，以及噴頭上不同方向噴孔的尺寸，以達(dá)到最佳的混合均勻效果。

3.2 創(chuàng)新性與先進(jìn)性

對(duì)傳統(tǒng)的單點(diǎn)注入裝置進(jìn)行改進(jìn)，使用壓縮空氣對(duì)注入的示蹤氣體進(jìn)行輔助攪渾，以加速示蹤氣體在取樣點(diǎn)前充分的混合。

新型的單點(diǎn)噴射注入裝置為創(chuàng)新型試驗(yàn)設(shè)備，豐富了核空氣凈化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的示蹤氣體注入裝置的多樣性。

4 結(jié)論

單點(diǎn)噴射注入裝置可以應(yīng)用于部分結(jié)構(gòu)緊湊的核空氣凈化機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多點(diǎn)注入裝置，在滿足試驗(yàn)要求的情況下，簡(jiǎn)化試驗(yàn)過程、節(jié)約試驗(yàn)成本。

其他核電機(jī)組結(jié)構(gòu)類似的核空氣凈化機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以借鑒本文中的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試方法，開發(fā)處適用于不同試驗(yàn)工況的單點(diǎn)噴射注入裝置。

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