秦一廠煙囪排氣輻射監測系統改造及取樣代表性分析

張 強，張 戎，黃曉妍，古 藝

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

煙囪排氣輻射監測通道是核電廠輻射監測系統中的重要通道之一，其中氣載流出物取樣代表性是影響放射性測量數據準確性的關鍵因素。秦山核電廠(簡稱“秦一廠”)煙囪排氣輻射監測通道(R07)取樣系統在原始設計中遵循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，新標準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中煙囪排氣輻射監測通道被認定為弱項，認為其取樣系統不滿足ISO 2889—2010中關于氣載流出物取樣代表性的要求。

本文針對該PSR弱項，結合系統現狀，提出了R07通道的改造方案，并采用CFD(計算流體力學)方法對秦一廠煙囪取樣代表性進行了分析，評估了不同通風工況下煙囪不同高度截面內混合均勻性，為取樣截面的選擇提供了參考和依據。

1 煙囪排氣輻射監測系統改造方案分析

1.1 系統原始設計

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、惰性氣體監測儀(包括低放惰性氣體β監測儀、低放惰性氣體γ監測儀和中放惰性氣體γ監測儀)、流量儀表、壓力儀表、抽氣泵以及相應的管道和閥門組成。利用等速取樣裝置和取樣管，通過抽氣泵進行連續取樣。樣品流分成多路，以實現氣溶膠、碘、氚、碳的連續取樣，匯合后經總流量測量裝置、惰性氣體探測裝置和氣動調節閥，由抽氣泵送回排風道。當煙囪排氣的放射性活度濃度超過報警閾值時，輻射監測儀表向劑量控制室和主控室發出報警信號。

秦一廠原煙囪取樣系統設計遵循ISO 2889—1975的要求，采用多嘴等速取樣裝置(共12個取樣嘴)。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際高度為70.6 m，水平長度為0.5 m，共有彎頭5個；惰性氣體監測儀位于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，水平管線長度為85.4 m，共有彎頭14個。

1.2 改造方案分析

ISO 2889—1975已被ISO 2889—2010替代，新標準摒棄了1975版中等速取樣方法，對煙囪氣載流出物取樣代表性提出了系統的定量要求，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足標準要求”的弱項，并兼顧輻射監測儀表的性能要求，研究制定了三種改造方案，并對每種方案的費用及優缺點進行了對比分析，見表1。方案一的設置高于標準要求，改造費用也較昂貴，最大問題是設備布置的問題(煙囪平臺較小，且需與目前的煙囪基礎、風道、邊坡、擋土墻等都保持一定距離，可供設備布置的空間有限)；方案二改造費用較小，但并未設置氣溶膠和碘的連續監測；最終選擇第三種方案，對取樣頭和取樣管線進行優化，設置氣溶膠/碘/惰性氣體連續監測儀，符合我國運行核電廠的設計情況。

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已經充分混合的地方。同時也給出了定量的判定準則，即如果截面的特征參數滿足該判定準則，則認為該截面上氣體流速和濃度分布均勻，可作為取樣截面，具體的判定準則見表2。ISO 2889—2010要求通過現場或在模擬體上進行試驗的方法來確認取樣點處空氣流體的均勻性。鑒于秦一廠已運行多年，不具備在煙囪開展現場試驗驗證的條件，考慮用CFD方法對煙囪內流場進行模擬來替代試驗驗證，為選取滿足標準要求的混合均勻的取樣截面提供依據。

表2 混合均勻性的判定準則

2.2 計算輸入及模型

秦一廠核島各通風系統排風匯總至02廠房的排風中心，經過一段長約40 m左右的水平風道進入煙囪底部，由煙囪排向大氣。風道截面尺寸為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(底標高0 m，頂標高100 m)，上口內徑3.2 m，下口內徑9.71 m。煙囪流體計算的幾何模型如圖1所示。

圖1 煙囪計算模型示意圖

入口設置為流量入口，根據運行工況的不同，煙囪風量也有所不同。主要考慮了三種工況：正常運行，風量234 685 m3/h；停堆(進人后)，風量309 685 m3/h；失水事故(8 d內)，風量31 515 m3/h。

根據ISO 2889—2010中關于注入點的要求，示蹤氣體應在橫跨空氣流體截面的5個位置處注入，注入點位置在中心和靠近4個角上(離開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位置上注入，為風管的中心。對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ISO 10780—1994中關于氣體流速測量點的要求，對于此煙囪，至少應在截面上取17個點。除圓心外，在4個半徑方向上均有4點，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 結果

通過對三種不同工況下不同標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偏差及氣溶膠濃度分布COV(所有數據均按照ISO 10780—1994中要求的17點進行統計)的分析發現：

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

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

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

基于以上分析，由于在進入煙囪前端已經有一段約40 m長的水平風道，進入煙囪后在各種通風工況下，示蹤氣體和氣溶膠在30 m標高截面均已混合均勻；從水平風道進入垂直煙囪，不可避免會產生氣旋，氣旋角小于20°成了取樣高度選擇的決定性因素，綜合來看，風量大時，有利于氣旋的減弱，在三種通風工況下，在50 m標高截面才可全部滿足要求。因此，本次煙囪排氣輻射監測系統改造將取樣截面選在50 m標高處。

4 結論

本文針對秦一廠煙囪排氣輻射監測通道的PSR弱項提出了改造方案，并用CFD方法對煙囪內流場進行了分析。結論如下：

1)按照法規標準要求，綜合現場實際情況和國內其他核電廠的氣載流出物儀表設置現狀，本次改造方案為優化氣載流出物取樣系統(對取樣頭和取樣管道進行變更)，并設置氣溶膠/碘/惰性氣體連續監測通道(非冗余)；

2)對于秦一廠的煙囪結構，流體經過約40 m長的水平風道后再進入垂直煙囪，示蹤氣體或氣溶膠已混合得相對均勻，氣旋角成了取樣截面選擇的關鍵因素，本次改造可將取樣截面選在50 m。

目前，我國已運行的核電廠的煙囪氣載流出物取樣系統大多數都是以ISO 2889—1975或者ANSI N13.1—1969(ISO 2889—1975參照ANSI N13.1—1969)為藍本編制，本文所做工作為國內在役核電廠煙囪氣載流出物取樣系統的改造或優化提供了指導和參考，也進一步證明了計算流體力學方法用于氣載流出物取樣代表性分析的可行性。