秦一廠煙囪排氣輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造及取樣代表性分析

張 強(qiáng)，張 戎，黃曉妍，古 藝

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

煙囪排氣輻射監(jiān)測(cè)通道是核電廠輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要通道之一，其中氣載流出物取樣代表性是影響放射性測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。秦山核電廠(簡(jiǎn)稱(chēng)“秦一廠”)煙囪排氣輻射監(jiān)測(cè)通道(R07)取樣系統(tǒng)在原始設(shè)計(jì)中遵循ISO 2889—1975，采用多嘴等速取樣裝置[1]。目前，ISO 2889—1975已被ISO 2889—2010替代，新標(biāo)準(zhǔn)推薦亞等速取樣方法和遮蔽式單嘴取樣頭。因此，在秦一廠第二次PSR中煙囪排氣輻射監(jiān)測(cè)通道被認(rèn)定為弱項(xiàng)，認(rèn)為其取樣系統(tǒng)不滿(mǎn)足ISO 2889—2010中關(guān)于氣載流出物取樣代表性的要求。

本文針對(duì)該P(yáng)SR弱項(xiàng)，結(jié)合系統(tǒng)現(xiàn)狀，提出了R07通道的改造方案，并采用CFD(計(jì)算流體力學(xué))方法對(duì)秦一廠煙囪取樣代表性進(jìn)行了分析，評(píng)估了不同通風(fēng)工況下煙囪不同高度截面內(nèi)混合均勻性，為取樣截面的選擇提供了參考和依據(jù)。

1 煙囪排氣輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造方案分析

1.1 系統(tǒng)原始設(shè)計(jì)

如表1所示。秦一廠原R07通道由取樣嘴、取樣管道、氚取樣器、氣溶膠—碘取樣器、惰性氣體監(jiān)測(cè)儀(包括低放惰性氣體β監(jiān)測(cè)儀、低放惰性氣體γ監(jiān)測(cè)儀和中放惰性氣體γ監(jiān)測(cè)儀)、流量?jī)x表、壓力儀表、抽氣泵以及相應(yīng)的管道和閥門(mén)組成。利用等速取樣裝置和取樣管，通過(guò)抽氣泵進(jìn)行連續(xù)取樣。樣品流分成多路，以實(shí)現(xiàn)氣溶膠、碘、氚、碳的連續(xù)取樣，匯合后經(jīng)總流量測(cè)量裝置、惰性氣體探測(cè)裝置和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，由抽氣泵送回排風(fēng)道。當(dāng)煙囪排氣的放射性活度濃度超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，輻射監(jiān)測(cè)儀表向劑量控制室和主控室發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

秦一廠原煙囪取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循ISO 2889—1975的要求，采用多嘴等速取樣裝置(共12個(gè)取樣嘴)。等速取樣裝置安裝在離煙囪底部上方71.6 m處(煙囪總高為100 m)。氣溶膠和碘取樣器位于煙囪底部的校正室，從等速取樣裝置到煙囪底部較正室的實(shí)際高度為70.6 m，水平長(zhǎng)度為0.5 m，共有彎頭5個(gè)；惰性氣體監(jiān)測(cè)儀位于02廠房801房間，從等速取樣裝置到02廠房801房間的垂直高度為75.6 m，水平管線長(zhǎng)度為85.4 m，共有彎頭14個(gè)。

1.2 改造方案分析

ISO 2889—1975已被ISO 2889—2010替代，新標(biāo)準(zhǔn)摒棄了1975版中等速取樣方法，對(duì)煙囪氣載流出物取樣代表性提出了系統(tǒng)的定量要求，推薦使用遮蔽式單嘴取樣頭，取樣位置要在煙囪內(nèi)流體速度和濃度均已混合均勻的截面上[2]。

為消除“煙囪氣載流出物取樣代表性不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求”的弱項(xiàng)，并兼顧輻射監(jiān)測(cè)儀表的性能要求，研究制定了三種改造方案，并對(duì)每種方案的費(fèi)用及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表1。方案一的設(shè)置高于標(biāo)準(zhǔn)要求，改造費(fèi)用也較昂貴，最大問(wèn)題是設(shè)備布置的問(wèn)題(煙囪平臺(tái)較小，且需與目前的煙囪基礎(chǔ)、風(fēng)道、邊坡、擋土墻等都保持一定距離，可供設(shè)備布置的空間有限)；方案二改造費(fèi)用較小，但并未設(shè)置氣溶膠和碘的連續(xù)監(jiān)測(cè)；最終選擇第三種方案，對(duì)取樣頭和取樣管線進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置氣溶膠/碘/惰性氣體連續(xù)監(jiān)測(cè)儀，符合我國(guó)運(yùn)行核電廠的設(shè)計(jì)情況。

表1 改造方案分析

2 氣載流出物取樣代表性的CFD分析

2.1 氣載流出物取樣代表性要求

ISO 2889—2010認(rèn)為攝取代表性樣品的最佳位置是在自由流體中感興趣的放射性物質(zhì)已經(jīng)充分混合的地方。同時(shí)也給出了定量的判定準(zhǔn)則，即如果截面的特征參數(shù)滿(mǎn)足該判定準(zhǔn)則，則認(rèn)為該截面上氣體流速和濃度分布均勻，可作為取樣截面，具體的判定準(zhǔn)則見(jiàn)表2。ISO 2889—2010要求通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)或在模擬體上進(jìn)行試驗(yàn)的方法來(lái)確認(rèn)取樣點(diǎn)處空氣流體的均勻性。鑒于秦一廠已運(yùn)行多年，不具備在煙囪開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證的條件，考慮用CFD方法對(duì)煙囪內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬來(lái)替代試驗(yàn)驗(yàn)證，為選取滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的混合均勻的取樣截面提供依據(jù)。

表2 混合均勻性的判定準(zhǔn)則

2.2 計(jì)算輸入及模型

秦一廠核島各通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)匯總至02廠房的排風(fēng)中心，經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)約40 m左右的水平風(fēng)道進(jìn)入煙囪底部，由煙囪排向大氣。風(fēng)道截面尺寸為4 m×2.8 m，與煙囪底部交匯處的截面尺寸為3 m×3.7 m。煙囪總高度100 m(底標(biāo)高0 m，頂標(biāo)高100 m)，上口內(nèi)徑3.2 m，下口內(nèi)徑9.71 m。煙囪流體計(jì)算的幾何模型如圖1所示。

圖1 煙囪計(jì)算模型示意圖

入口設(shè)置為流量入口，根據(jù)運(yùn)行工況的不同，煙囪風(fēng)量也有所不同。主要考慮了三種工況：正常運(yùn)行，風(fēng)量234 685 m3/h；停堆(進(jìn)人后)，風(fēng)量309 685 m3/h；失水事故(8 d內(nèi))，風(fēng)量31 515 m3/h。

根據(jù)ISO 2889—2010中關(guān)于注入點(diǎn)的要求，示蹤氣體應(yīng)在橫跨空氣流體截面的5個(gè)位置處注入，注入點(diǎn)位置在中心和靠近4個(gè)角上(離開(kāi)角的距離等于等效直徑的25%)；氣溶膠顆粒物示蹤劑僅在一個(gè)位置上注入，為風(fēng)管的中心。對(duì)于氣溶膠顆粒物的模擬，粒徑取10 μm(ISO 2889—2010推薦值)，粒子密度為1 g/cm3，粒子注入流量為0.001 kg/s。[2]

根據(jù)ISO 10780—1994中關(guān)于氣體流速測(cè)量點(diǎn)的要求，對(duì)于此煙囪，至少應(yīng)在截面上取17個(gè)點(diǎn)。除圓心外，在4個(gè)半徑方向上均有4點(diǎn)，距離圓心的距離分別為所在圓形截面半徑的0.42、0.644、0.804和0.94倍。[3]

3 結(jié)果

通過(guò)對(duì)三種不同工況下不同標(biāo)高截面的平均氣旋角、速度COV、示蹤氣體濃度分布COV、示蹤氣體濃度與平均濃度值的最大相對(duì)偏差及氣溶膠濃度分布COV(所有數(shù)據(jù)均按照ISO 10780—1994中要求的17點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì))的分析發(fā)現(xiàn)：

1)正常運(yùn)行工況下，在30 m標(biāo)高截面已滿(mǎn)足速度分布、示蹤氣體和氣溶膠濃度分布的均勻性要求，不滿(mǎn)足氣旋角小于20°的要求；在40 m標(biāo)高截面可滿(mǎn)足所有要求。相對(duì)于示蹤氣體和氣溶膠濃度分布的均勻性，速度方向的均勻性(氣旋角)更加難以滿(mǎn)足。在正常運(yùn)行工況下，取樣截面可選在40 m標(biāo)高截面；

2)停堆工況下，在30 m標(biāo)高截面已滿(mǎn)足速度分布、示蹤氣體和氣溶膠濃度分布的均勻性要求，不滿(mǎn)足氣旋角小于20°的要求；在35 m標(biāo)高截面可滿(mǎn)足所有要求。因此，在停堆工況下取樣截面可選在35 m標(biāo)高以上截面；

3)事故工況下，在30 m標(biāo)高截面已滿(mǎn)足示蹤氣體和氣溶膠濃度分布的均勻性要求，不滿(mǎn)足氣旋角和速度的均勻性要求；在50 m標(biāo)高截面才可滿(mǎn)足所有要求。因此，在停堆工況下，取樣截面應(yīng)選在50 m標(biāo)高以上截面。

基于以上分析，由于在進(jìn)入煙囪前端已經(jīng)有一段約40 m長(zhǎng)的水平風(fēng)道，進(jìn)入煙囪后在各種通風(fēng)工況下，示蹤氣體和氣溶膠在30 m標(biāo)高截面均已混合均勻；從水平風(fēng)道進(jìn)入垂直煙囪，不可避免會(huì)產(chǎn)生氣旋，氣旋角小于20°成了取樣高度選擇的決定性因素，綜合來(lái)看，風(fēng)量大時(shí)，有利于氣旋的減弱，在三種通風(fēng)工況下，在50 m標(biāo)高截面才可全部滿(mǎn)足要求。因此，本次煙囪排氣輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造將取樣截面選在50 m標(biāo)高處。

4 結(jié)論

本文針對(duì)秦一廠煙囪排氣輻射監(jiān)測(cè)通道的PSR弱項(xiàng)提出了改造方案，并用CFD方法對(duì)煙囪內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了分析。結(jié)論如下：

1)按照法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和國(guó)內(nèi)其他核電廠的氣載流出物儀表設(shè)置現(xiàn)狀，本次改造方案為優(yōu)化氣載流出物取樣系統(tǒng)(對(duì)取樣頭和取樣管道進(jìn)行變更)，并設(shè)置氣溶膠/碘/惰性氣體連續(xù)監(jiān)測(cè)通道(非冗余)；

2)對(duì)于秦一廠的煙囪結(jié)構(gòu)，流體經(jīng)過(guò)約40 m長(zhǎng)的水平風(fēng)道后再進(jìn)入垂直煙囪，示蹤氣體或氣溶膠已混合得相對(duì)均勻，氣旋角成了取樣截面選擇的關(guān)鍵因素，本次改造可將取樣截面選在50 m。

目前，我國(guó)已運(yùn)行的核電廠的煙囪氣載流出物取樣系統(tǒng)大多數(shù)都是以ISO 2889—1975或者ANSI N13.1—1969(ISO 2889—1975參照ANSI N13.1—1969)為藍(lán)本編制，本文所做工作為國(guó)內(nèi)在役核電廠煙囪氣載流出物取樣系統(tǒng)的改造或優(yōu)化提供了指導(dǎo)和參考，也進(jìn)一步證明了計(jì)算流體力學(xué)方法用于氣載流出物取樣代表性分析的可行性。