CPR1000核電廠煙囪取樣模擬分析

曾憲斌

（深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東深圳 518045）

0 引言

CPR1000核電廠核輔助廠房通風(fēng)系統(tǒng)（DVN）的排風(fēng)煙囪用于排放核島輔助和反應(yīng)堆廠房經(jīng)過處理后的潛在污染氣體。DVN煙囪由一根加強復(fù)合材料水平管道和一根加強復(fù)合材料豎直管道連接而成，如圖1所示。

為了及時監(jiān)測處理后的潛在污染空氣濃度，并正確評價核電站氣態(tài)排出物對環(huán)境產(chǎn)生的影響，需要在煙囪內(nèi)合理設(shè)置由取樣頭與取樣管構(gòu)成的取樣系統(tǒng)。通過該取樣系統(tǒng)將煙囪排氣樣品抽取到位于廠房內(nèi)的輻射監(jiān)測儀處進行監(jiān)測分析。要想取得正確的監(jiān)測結(jié)果，必須保證取樣要有代表性，這就需要對取樣點的位置進行合理設(shè)計，確保取樣點

處氣體充分混合且流速均勻并有代表性。本文以某核電廠DVN煙囪為例，借助于CFD數(shù)值模擬方法[1～3]對DVN煙囪排放氣體的濃度場和速度場進行分析，以尋求合理的取樣位置，實現(xiàn)煙囪排放氣體的監(jiān)測和分析。

1 模型建立及邊界條件設(shè)置

1.1 物理模型及邊界條件

由于各種DVN煙囪排放氣體混合發(fā)生在煙氣排放小室，故模擬計算區(qū)域包括煙氣排放小室、煙囪水平管

道、煙囪垂直管道。小室的尺寸為L×W×H=6.8×5.×5.5m，在小室墻體上布置有核輔助廠房、安全殼環(huán)廊、燃料廠房通風(fēng)系統(tǒng)的正常排風(fēng)和廢氣處理統(tǒng)的含氧和含氫廢氣排氣口，為簡化計算，通風(fēng)系統(tǒng)的排氣簡化至小室邊界的四個送風(fēng)口，廢氣排氣簡化為送至煙氣小室的兩個送風(fēng)口。所有氣體在煙氣小室混合后經(jīng)34m高煙囪排走，煙囪管徑為φ3m。四個送至煙囪小室的風(fēng)口尺寸分別為1.2×1.2m，送風(fēng)量25 200m3/h；1.2×1.2m，送風(fēng)量24000m3/h；1.6×1.6m，送風(fēng)量為73570m3/h；4.55×2.5m，送風(fēng)量為200 000m3/h；孔徑為φ0.325m含氧廢氣排氣口，送風(fēng)量為2000m3/h，其中含氧污染物濃度為5.6%；孔徑為φ0.3m含氫廢氣排氣口，送風(fēng)量為2.1 m3/h，其中含氫污染物濃度為5.6%。

通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)（包括發(fā)生事故后的除碘排風(fēng)）在進入煙氣小室時已經(jīng)過風(fēng)和廢氣處理系統(tǒng)排風(fēng)在煙囪內(nèi)充分混合，本文重點分析通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)和廢氣處理系統(tǒng)排風(fēng)在煙囪內(nèi)混合及氣流組織分布。

1.2 數(shù)學(xué)模型

按煙囪內(nèi)氣體流動為充分發(fā)展的湍流考慮，且忽略分子粘性，采用工程中應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型。微分方程可以寫出以下通用形式[1]：

式中 φ—通用變量，可以代表等三個方向的變量；

ρ—空氣密度；

u—速度矢量；

Γ—廣義擴散系數(shù)；

Sφ—廣義源項。

式中四項分別為時間項、對流項、擴散項和源項。對以上偏微分方程組進行時間和空間的離散，轉(zhuǎn)化為線性方程組，求解方程組，就可以得到工程中要研究的流場速度、溫度、濃度等物理量分布。

1.3 計算假設(shè)

按煙囪內(nèi)氣體流動為充分發(fā)展的湍流考慮，且忽略分子粘性。不考慮排放氣體在煙囪變異對氣流組織的影響。由于受核電站運行工況、通過煙囪排氣的工藝系統(tǒng)運行工況的影響，煙囪內(nèi)部的排放氣體組分和濃度變化導(dǎo)致的氣流組織變化不在本文研究范圍內(nèi)。

2 計算結(jié)果分析

本文利用ANSYS-Airpak軟件，通過模型建立、邊界條件設(shè)置、對控制方程離散化處理就可以實現(xiàn)對煙囪內(nèi)氣流流場和濃度場的求解。

2.1 氣流濃度場分布

由于含氫含氧廢氣的存在，在小室墻壁上設(shè)有排放口，污染物進入小室后不能很快擴散，故排放氣體（包括空氣和污染物）中的空氣在煙囪小室的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的約為0.95，如圖2所示。在垂直管道上由于混合比較均勻，且污染物濃度值相對太低（為煙囪小室總風(fēng)量的5.6%），因此在剖面跡線圖上空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近1，垂直煙道上取樣點設(shè)定位置主要考慮流場的穩(wěn)定情況。圖3給出了含氧廢氣的濃度場分布情況，可以看出污染物的擴散主要分布在煙囪小室內(nèi)。

2.2 煙囪剖面速度場

圖4給出了Z向2.5m處剖面速度場，從圖中可以看到在標(biāo)高5～15m，管道內(nèi)徑向速度變化范圍比較大，從管中心的18m/s到管壁附近的8m/s；標(biāo)高25m以上，管道徑向1m以內(nèi)的速度變化已經(jīng)趨于平緩，波動范圍在15～16m/s，也就是說此標(biāo)高以上，設(shè)置取樣點會比較合理。為了詳細對比各個標(biāo)高處的速度場情況，2.3節(jié)對Y向垂直方向各標(biāo)高處的速度分布進行了對比分析。

2.3 煙囪垂直方向速度場分布

在垂直方向標(biāo)高9m處，由于氣流剛經(jīng)過一個彎頭，此處流速分布很不均勻，靠近彎頭外側(cè)的流速明顯偏大，最高達到18.5m/s，隨著標(biāo)高變大，管道內(nèi)流速呈現(xiàn)管中心向管壁遞減的規(guī)律，這也符合流體運動的基本規(guī)律，管壁的阻力導(dǎo)致的流體流動減緩；在標(biāo)高29m處，管道中心徑向1m處，速度衰減約為1.5m/s/m，在25m和33m標(biāo)高處，徑向1m處，速度衰減在1.5 m/s/m以上。圖5給出了不同標(biāo)高煙囪內(nèi)部徑向速度分布情況，也可以發(fā)現(xiàn)在標(biāo)高29m處的煙囪剖面速度變化已經(jīng)比較平穩(wěn)，煙囪內(nèi)速度分布比較均勻，適合取樣。

3 結(jié)語

（1）在煙氣中污染物濃度較低的情況下，污染物比較集中的區(qū)域在煙氣小室和水平管道內(nèi)，垂直管道中污染物已較均勻的分散在氣流中。

（2）煙氣小室出口和煙囪彎道處受局部阻力的影響，氣流比較紊亂，附近區(qū)域不適合設(shè)取樣點。

（3）垂直煙囪中，由于流速較大，均速在10m/s以上，氣流在絕對標(biāo)高25m左右，速度變化才趨于平緩，說明在既有的計算邊界條件下，煙囪29m標(biāo)高處附近適合設(shè)置取樣點取樣，目前實際的工程設(shè)計即采用在29m標(biāo)高設(shè)置取樣點。

（4）本計算結(jié)果是基于某CPR1000核電項目煙囪簡化模型和設(shè)計排風(fēng)量及組分得到，在具體項目工程設(shè)計中，取樣點布置應(yīng)綜合考慮具體煙囪結(jié)構(gòu)（包括煙囪內(nèi)部的安全殼過濾排放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）、煙囪內(nèi)部的氣流組分和濃度、放射性氣溶膠變異系數(shù)、示蹤氣體的變異系數(shù)和濃度份額等因素，以尋求最合理取樣位置。

（5）本文為利用CFD數(shù)值模擬方法對CPR1000核電廠DVN煙囪內(nèi)氣流組織進行分析，為煙囪取樣設(shè)計提供理論參考，同時CFD數(shù)值模擬方法作為高效便捷的仿真技術(shù)，對于EPR/AP1000核電設(shè)計中類似問題同樣適用，可以推廣應(yīng)用在核電工程設(shè)計中的流場、溫度場分析、污染物控制等問題的解決。

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[1]王福軍.計算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]葉欣，修英蔣.Airpak軟件在氣流組織領(lǐng)域的應(yīng)用[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2006，（10）：45～47.

[3]師奇威.CFD技術(shù)及其應(yīng)用 [J].制冷與空調(diào)，2005，5（6）：14～17.