CPR1000核电厂烟囱取样模拟分析

曾宪斌

（深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳 518045）

0 引言

CPR1000核电厂核辅助厂房通风系统（DVN）的排风烟囱用于排放核岛辅助和反应堆厂房经过处理后的潜在污染气体。DVN烟囱由一根加强复合材料水平管道和一根加强复合材料竖直管道连接而成，如图1所示。

为了及时监测处理后的潜在污染空气浓度，并正确评价核电站气态排出物对环境产生的影响，需要在烟囱内合理设置由取样头与取样管构成的取样系统。通过该取样系统将烟囱排气样品抽取到位于厂房内的辐射监测仪处进行监测分析。要想取得正确的监测结果，必须保证取样要有代表性，这就需要对取样点的位置进行合理设计，确保取样点

处气体充分混合且流速均匀并有代表性。本文以某核电厂DVN烟囱为例，借助于CFD数值模拟方法[1～3]对DVN烟囱排放气体的浓度场和速度场进行分析，以寻求合理的取样位置，实现烟囱排放气体的监测和分析。

1 模型建立及边界条件设置

1.1 物理模型及边界条件

由于各种DVN烟囱排放气体混合发生在烟气排放小室，故模拟计算区域包括烟气排放小室、烟囱水平管

道、烟囱垂直管道。小室的尺寸为L×W×H=6.8×5.×5.5m，在小室墙体上布置有核辅助厂房、安全壳环廊、燃料厂房通风系统的正常排风和废气处理统的含氧和含氢废气排气口，为简化计算，通风系统的排气简化至小室边界的四个送风口，废气排气简化为送至烟气小室的两个送风口。所有气体在烟气小室混合后经34m高烟囱排走，烟囱管径为φ3m。四个送至烟囱小室的风口尺寸分别为1.2×1.2m，送风量25 200m3/h；1.2×1.2m，送风量24000m3/h；1.6×1.6m，送风量为73570m3/h；4.55×2.5m，送风量为200 000m3/h；孔径为φ0.325m含氧废气排气口，送风量为2000m3/h，其中含氧污染物浓度为5.6%；孔径为φ0.3m含氢废气排气口，送风量为2.1 m3/h，其中含氢污染物浓度为5.6%。

通风系统排风（包括发生事故后的除碘排风）在进入烟气小室时已经过风和废气处理系统排风在烟囱内充分混合，本文重点分析通风系统排风和废气处理系统排风在烟囱内混合及气流组织分布。

1.2 数学模型

按烟囱内气体流动为充分发展的湍流考虑，且忽略分子粘性，采用工程中应用最为广泛的标准k-ε两方程模型。微分方程可以写出以下通用形式[1]：

式中 φ—通用变量，可以代表等三个方向的变量；

ρ—空气密度；

u—速度矢量；

Γ—广义扩散系数；

Sφ—广义源项。

式中四项分别为时间项、对流项、扩散项和源项。对以上偏微分方程组进行时间和空间的离散，转化为线性方程组，求解方程组，就可以得到工程中要研究的流场速度、温度、浓度等物理量分布。

1.3 计算假设

按烟囱内气体流动为充分发展的湍流考虑，且忽略分子粘性。不考虑排放气体在烟囱变异对气流组织的影响。由于受核电站运行工况、通过烟囱排气的工艺系统运行工况的影响，烟囱内部的排放气体组分和浓度变化导致的气流组织变化不在本文研究范围内。

2 计算结果分析

本文利用ANSYS-Airpak软件，通过模型建立、边界条件设置、对控制方程离散化处理就可以实现对烟囱内气流流场和浓度场的求解。

2.1 气流浓度场分布

由于含氢含氧废气的存在，在小室墙壁上设有排放口，污染物进入小室后不能很快扩散，故排放气体（包括空气和污染物）中的空气在烟囱小室的质量分数最低的约为0.95，如图2所示。在垂直管道上由于混合比较均匀，且污染物浓度值相对太低（为烟囱小室总风量的5.6%），因此在剖面迹线图上空气质量分数接近1，垂直烟道上取样点设定位置主要考虑流场的稳定情况。图3给出了含氧废气的浓度场分布情况，可以看出污染物的扩散主要分布在烟囱小室内。

2.2 烟囱剖面速度场

图4给出了Z向2.5m处剖面速度场，从图中可以看到在标高5～15m，管道内径向速度变化范围比较大，从管中心的18m/s到管壁附近的8m/s；标高25m以上，管道径向1m以内的速度变化已经趋于平缓，波动范围在15～16m/s，也就是说此标高以上，设置取样点会比较合理。为了详细对比各个标高处的速度场情况，2.3节对Y向垂直方向各标高处的速度分布进行了对比分析。

2.3 烟囱垂直方向速度场分布

在垂直方向标高9m处，由于气流刚经过一个弯头，此处流速分布很不均匀，靠近弯头外侧的流速明显偏大，最高达到18.5m/s，随着标高变大，管道内流速呈现管中心向管壁递减的规律，这也符合流体运动的基本规律，管壁的阻力导致的流体流动减缓；在标高29m处，管道中心径向1m处，速度衰减约为1.5m/s/m，在25m和33m标高处，径向1m处，速度衰减在1.5 m/s/m以上。图5给出了不同标高烟囱内部径向速度分布情况，也可以发现在标高29m处的烟囱剖面速度变化已经比较平稳，烟囱内速度分布比较均匀，适合取样。

3 结语

（1）在烟气中污染物浓度较低的情况下，污染物比较集中的区域在烟气小室和水平管道内，垂直管道中污染物已较均匀的分散在气流中。

（2）烟气小室出口和烟囱弯道处受局部阻力的影响，气流比较紊乱，附近区域不适合设取样点。

（3）垂直烟囱中，由于流速较大，均速在10m/s以上，气流在绝对标高25m左右，速度变化才趋于平缓，说明在既有的计算边界条件下，烟囱29m标高处附近适合设置取样点取样，目前实际的工程设计即采用在29m标高设置取样点。

（4）本计算结果是基于某CPR1000核电项目烟囱简化模型和设计排风量及组分得到，在具体项目工程设计中，取样点布置应综合考虑具体烟囱结构（包括烟囱内部的安全壳过滤排放系统结构）、烟囱内部的气流组分和浓度、放射性气溶胶变异系数、示踪气体的变异系数和浓度份额等因素，以寻求最合理取样位置。

（5）本文为利用CFD数值模拟方法对CPR1000核电厂DVN烟囱内气流组织进行分析，为烟囱取样设计提供理论参考，同时CFD数值模拟方法作为高效便捷的仿真技术，对于EPR/AP1000核电设计中类似问题同样适用，可以推广应用在核电工程设计中的流场、温度场分析、污染物控制等问题的解决。

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[1]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]叶欣，修英蒋.Airpak软件在气流组织领域的应用[J].应用能源技术，2006，（10）：45～47.

[3]师奇威.CFD技术及其应用 [J].制冷与空调，2005，5（6）：14～17.