等離子體示范線項目煙囪流出物取樣代表性分析論證

摘要：介紹了等離子體示范項目（簡稱“PAMTR”）煙囪流出物取樣系統的設計。該系統設計遵循NB/T 20374—2016和ISO 2889—2021的標準規定，結合了建模技術和計算流體力學（CFD）方法，運用穩態流體流動耦合瞬態顆粒追蹤模擬輔助設計，并進一步計算了取樣系統內放射性氣溶膠粒子的穿透系數，從而對PAMTR煙囪流出物取樣的代表性進行了評價。此分析工作可為核電廠或相關項目中煙囪流出物取樣監測系統的設計和審評提供重要參考。

關鍵詞：流出物;取樣代表性;氣溶膠;穿透系數

1簡介

核放射性廢物處理設施氣態流出物監測系統，與環境保護及周圍居民健康密不可分，是安全分析報告和環境影響報告書審評的重點之一［1］，同時氣態流出物取樣的代表性也是影響放射性測量數據準確性的關鍵因素［2］。煙囪排氣放射性監測系統屬于PAMTR項目煙囪排入大氣環境內的最后一道屏障，具備放射性廢氣連續取樣監測的功能。該系統設計遵循標準NB/T 20374—2016［3］和ISO 2889—2021［4］，結合CFD方法對PAMTR煙囪流出物取樣的代表性進行分析評價，并對放射性氣溶膠粒子在取樣系統中的穿透系數進行了計算。

2煙囪流出物取樣代表性分析

PAMTR的煙囪氣態流出物全部通過主工藝廠房樓頂煙囪總管路和其他氣體支路管道匯總后排放。

在正常運行工況下，放射性氣溶膠主要來源于主工藝系統的煙囪排氣，系統中主工藝煙囪氣體經布袋除塵器→洗滌塔→電加熱器→高效過濾器→活性炭等裝置進行凈化處理，實現對煙囪氣體中固態塵埃、酸性組分、氣溶膠、重金屬粒子等有害物質的去除。其中，高效過濾器對放射性氣溶膠的凈化效率可達99.99%以上。因此，PAMTR各系統向環境中排放的氣溶膠粒子在到達煙囪主管前，絕大部分已經被過濾凈化。

根據國家標準要求，煙氣凈化系統需考慮事故運行工況下布袋除塵器和高效過濾器設備失效故障情況，本文按煙囪流出物氣溶膠粒徑上限10 μm粒徑分布設計分析取樣系統。

2.1取樣位置及取樣頭結構設計

現有壓水堆核電工程中通常采用單點取樣設計。取樣位置布置在煙囪氣體流速一致、混合均勻的位置，取樣頭結構采用“標準”所推薦的遮蔽式帶護套的單嘴取樣頭，能夠保證取樣氣體均勻，減少煙囪氣流擾動對取樣的影響。

單嘴取樣頭設計要求仔細選擇取樣點，保證取樣點位置氣流穩定且粒子混合均勻。

2.2煙囪氣載流出物取樣的混合均勻性驗證

目前核電行業普遍采用的CFD方法是一種應用廣泛且技術相對成熟的模擬煙囪流場進行數值計算的方法［56］。為驗證煙囪氣載流出物混合均勻性，本文經計算流體力學數值模擬煙囪排氣均勻混合度，進行穩態流體流動瞬態顆粒跟蹤耦合仿真。

2.2.1建模

在進行CFD計算前，根據現場實際進行三維建模。

2.2.2網格劃分

在建立的三維模型基礎上，采用物理場控制網格方法進行結構化網格劃分。

2.2.3實際工況模擬

該系統流體主要包括工藝煙氣、通風氣體和其他氣體。經雷諾數計算，最終采用Realizable k-ε湍流模型。

采用粒子追蹤模塊提供的流體流動顆粒跟蹤接口，粒子屬性明細為指定粒子密度（2 200 kg/m3）和直徑（10 μm）。粒子釋放特征如下：

（1）分布函數均勻；（2）值數400；（3）第一個時間值0；（4）最后一個時間值10；（5）每次釋放粒子數：工藝煙氣20，通風氣體709，其他氣體571;（6）輸出時間range（0，0.2，10）。

顆粒隨著連續流場通過入口進入建模域，并由出口離開。因與穩態湍流流場耦合，不同入口顆粒被賦予與湍流速度場一致的初速度。本仿真模擬計算記錄了粒子運動軌跡和通過某邊界或區域的數量等信息。

2.2.4取樣條件設定

根據NB/T 20374—2016中關于取樣位置和布點的描述和要求，為使取樣點設置具有均勻性和代表性，將截面分為八個相等面域，于每個面域的幾何中心設置取樣點，共選取8個取樣點。

PAMTR煙囪排氣流出物取樣點布置位于+25.5 m標高處，距離煙囪底部高度為6.5 m，距離煙囪頂部高度僅為0.5 m。

2.2.5模擬結果及分析

流場分布結果見圖1。

（1） 通過粒子計數器和累加器計算，得到各流股中粒子數據如下。

3種氣體粒子取樣數據對比（從左往右指標依次為項目、工藝煙氣、其他氣體、通風氣體）：

1） 釋放總粒子數（個）：8 000、228 561、283 699

2） 釋放粒子數比例：1、28.57、35.46

3） 穿過面域粒子數：76、2 214、2 639

4） 占入射粒子比重%：0.95、0.97、0.93

5） 穿面域粒子比例：1、29.13、34.72

6） 平均數：9.50、276.75、329.88

7） 方差：82.50、258 263、67 116

（2） 仿真結果和數據分析對比，結論如下：

1） 混合煙氣在主煙囪混合后，在錐形風帽處受到阻滯，形成低流速區域，煙氣在出口端流速平均約12 m/s，邊緣局部流速達15 m/s以上。

2） 取樣器取樣總粒子數比例與釋放總粒子數比例相近。

3） 煙氣混合區靠近主煙囪出口，流股間相互影響較小，混勻效果較差，主煙囪煙氣混合區域無充分混合均勻區域。

模擬結果發現無法找到混合均勻的取樣點，即本項目不能采用帶護套的單嘴取樣頭進行煙囪流出物放射性氣溶膠取樣。

2.3取樣管路設計和分析

根據NB/T 20374—2016/ISO 2889—2021標準要求，結合仿真結果，PAMTR采用多嘴取樣頭，結合煙囪直徑和取樣面域要求，布置8個取樣點，使用區域覆蓋式耙的取樣管嘴內徑為10 mm，母管內徑尺寸為25 mm，設計取樣流量（35±5）L/min，取樣管嘴布置方案設計見圖2。

3氣溶膠粒子穿透系數計算

如上節所述，煙囪排氣流出物取樣系統設計，應當考慮布袋除塵器和高效過濾器故障失效的事故工況，NB/T 20374—201和/ISO 2889—2021標準給出的驗證要求是，取樣系統對于空氣動力學直徑為10 μm的直徑粒子，其穿透系數不小于50%。本文采用平均動力學為10 μm的正態分布粒子譜計算取樣系統的穿透系數，計算工具為Deposition2001a軟件。

（1） 計算采用的主要模型參數如下：

1） 取樣管路直徑及長度；

2） 取樣管路彎管數量：5個；

3） 取樣流量：35 L/min；

4） 氣溶膠粒子密度：1 g/cm3；

5） 粒子平均動力學直徑：10 μm；

6） 煙囪平均流速：10 m/s；

多嘴取樣頭采用10 μm AMAD粒子的傳輸比及穿透系數計算結果見表1。

（2） 根據煙囪排氣流出物取樣系統設計方案，各管段對應10 μm AMAD粒子的穿透系數及總穿透系數計算結果見表2。

4結論

通過取樣設計接口分析和氣溶膠軟件模擬計算，主要結論如下：

1） PAMTR煙囪排氣流出物取樣位置沒有充分混合均勻點。按照標準NB/T 20374—2016/ISO 2889—2021，推薦采用多嘴取樣頭設計技術方案。

2） PAMTR煙囪放射性氣溶膠取樣裝置所在方艙在布置上應盡量靠近煙囪，最大限度減少取樣管路長度和彎頭數量，氣溶膠粒子總穿透系數計算結果滿足標準要求（≥50%）。

此外，PAMTR煙囪排氣流出物取樣代表性要求在一定程度上得到了保障，解決了放射性氣溶膠取樣代表性和穿透系數問題。本文從標準和理論上作了初步分析，在系統調試、運行階段還需要進一步研究。

參考文獻：

［1］丁世海，許光，尹振羽，等.應用計算流體動力學分析煙囪氣載流出物取樣的混合均勻性［J］.核電子學與探測技術，2012，32（3）：260-264，302.

［2］張強，張戎，黃曉妍，等.秦一廠煙囪排氣輻射監測系統改造及取樣代表性分析［J］.中國核電，2021，14（4）：591-594.

［3］國家能源局.NB/T 20374—2016，核電廠煙囪的氣載放射性物質取樣［S］.

［4］Internationnal Organization for Standardization.ISO 2889—2021， Sampling Airborne Radioactive Materials from The Stacks And The Ducks of Nuclear Facilities［S］.

［5］王勰，任忠國，熊忠華.基于CFD方法的核設施氣載流出物取樣代表性研究［J］.輻射防護，2018，38（6）：471-479.

［6］孫瑜，劉洪濤.氣載放射性排出流混合均勻性驗證方法研究［J］.自動化儀表，2015，36（11）：1-4.

基金項目：國家重點研發計劃（2018YFB1900203）

作者簡介：李建宇，男，遼寧鞍山人，工程師，碩士研究生，研究方向：放射性廢物處理處置。