氣載放射性排出流混合均勻性驗證方法研究

孫 瑜 劉洪濤

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

為評估核設(shè)施對周圍環(huán)境的影響，《GB 6249 -2011核動力廠環(huán)境輻射防護標準》要求對核設(shè)施氣態(tài)流出物必須進行放射性活度監(jiān)測［1］。由于放射性物質(zhì)在煙囪或管道流場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量的準確性。

為了指導(dǎo)核設(shè)施氣載流出物取樣測量系統(tǒng)的設(shè)計，美國國家標準化組織于1969 年出版了美國國家標準《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，美國科研機構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，多嘴等速取樣方法存在很多問題，其中一個重要問題就是多嘴取樣器會造成氣溶膠的大量損失，極大地降低了系統(tǒng)的采樣效率，增加了測量誤差。美國研究人員提出了護套式單嘴取樣的方法及一系列性能指標，并于1999 年將研究成果轉(zhuǎn)化為美國國家標準《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》。與1969 年的標準相比，該標準在內(nèi)容上進行了重大的修改，在推薦護套式單嘴取樣方法的基礎(chǔ)上，對煙囪或管道內(nèi)流場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)標準的內(nèi)容，詳細描述了滿足標準要求的混合均勻性驗證方法。

1 混合均勻性驗收準則

為保證在采用護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收準則，如表1 所示［2］。

表1 混合均勻性驗收準則Tab.1 Acceptance criteria for mixed homogeneity

2 混合均勻性驗證方法

2.1 基本要求

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

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

2.2 驗證方法

為降低試驗成本、縮短試驗時間，表1、表2 中的試驗可采用現(xiàn)場試驗和比例模型試驗相結(jié)合的方法來開展。根據(jù)ANSI N 13.1 -1999，當滿足如下條件，可認為實際煙囪采樣截面滿足混合均勻性驗收準則［2］:

①比例模型中的取樣截面按表2 測試滿足驗收準則;

②比例模型在幾何尺寸上與實際煙囪相似，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實際煙囪速度分布滿足接受準則;

⑧實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)計算方法如下。

①水力直徑計算公式:四倍濕橫截面面積與濕圓周長度之商。

②變異系數(shù):被測量的標準偏差與均值之比。

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

2.3 比例模型試驗

2.3.1 比例模型建模范圍

比例模型試驗包括驗收準則要求的所有試驗，建模范圍需包括煙囪本體、煙囪內(nèi)部構(gòu)件、通風系統(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。

陽江56 機組已開展混合均勻性驗證工作，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、通風系統(tǒng)與煙氣混合室接口管線。

②比例模型與實際煙囪尺寸采取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際煙囪一致。

2.3.2 比例模型試驗類型

在比例模型上需完成所有測試項目，包括氣旋角、風速、示蹤氣體濃度和示蹤粒子濃度測試，并計算平均氣旋角、風速變異系數(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)五個參數(shù)。

2.3.3 示蹤劑注入位置

ANSI N13. 1 - 1999 對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接入點下游。

②示蹤氣體和粒子采用相同的注入位置。

對于在煙囪底部設(shè)置煙氣混合室，通風系統(tǒng)排氣先匯入混合室再排入煙囪的情況，按照標準要求，示蹤劑注入位置位于煙氣混合室與煙囪的接口位置，不能真實反映污染實際進入煙囪的方式。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行示蹤試驗，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對于示蹤粒子，在管道中心注入。

2.3.4 測量點數(shù)量及位置

根據(jù)表2，采樣截面處氣旋角、風速、示蹤氣體濃度、示蹤粒子濃度的測量需根據(jù)40 CFR 60 -2012 附錄A 方法1 確定測量點數(shù)量和位置。測量點最小數(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，上下游無擾動管段長度分別為9 倍和3 倍煙囪直徑，則最小測量點數(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 測量點最小數(shù)量Fig 1 Minimum quantity of the measurement points

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

表3 測量點位置表Tab.3 Position of the measurement points

圖2 測量點位置示意圖Fig 2 Sketch map of the measurement points

2.3.5 試驗條件變化組合

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

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

①氣旋角、風速測量:需在每種工況下測試取樣截面每個測量點的氣旋角和風速。

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

表4 示蹤劑濃度測量試驗組合Tab.4 Tracer concentration measurement test combination

2.4 現(xiàn)場試驗

根據(jù)2.1 節(jié)所述驗證方法，在比例模型試驗滿足驗收準則的情況下，現(xiàn)場試驗如果能滿足如下條件，即可證明實際煙囪采樣位置滿足所有驗收準則。

①實際煙囪風速分布滿足驗收準則。

②實際煙囪和比例模型風速變異系數(shù)差異小于5%。

因此，現(xiàn)場試驗僅需開展風速試驗即可，試驗方法與比例模型試驗一致。

2.5 測試方法及儀器

混合均勻性驗證試驗涉及的測試項目包括:氣旋角測量、風速測量、示蹤氣體濃度測試、示蹤粒子濃度測試。測試方法及所用儀器如下。

①氣旋角測量:采用S 型皮托管、數(shù)顯壓力計和水平量角器實現(xiàn)測量。皮托管管道出口置于每個測試點，與煙囪軸線垂直;然后旋轉(zhuǎn)皮托管，使壓力計顯示為零，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風速測量:采用皮托管結(jié)合壓力計的方式進行測量，根據(jù)皮托管壓差計算出風速。

③示蹤氣體濃度測量:采用SF6 作為示蹤氣體，在采樣平面各測試點采樣混合后的氣體，使用SF6 分析儀測量濃度。

④示蹤粒子濃度測量: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，在采樣平面各測試點采樣混合后的氣體，使用光學(xué)粒子計數(shù)器測量10 μm 氣溶膠的粒子數(shù)。

3 結(jié)束語

ANSI N13.1 -1999 對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則，這與之前基于經(jīng)驗的舊版標準有著明顯的區(qū)別。在新標準的應(yīng)用中，應(yīng)在充分消化標準內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過模型試驗和現(xiàn)場試驗驗證取樣截面是否滿足標準要求。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.