内陆核电厂低环境流速下多孔扩散器方案研究

张琨，张爱玲，覃春丽，王韶伟

(1.环境保护部核与辐射安全中心，北京　100082；2.中广核集团苏州热工研究院，江苏苏州　215004)



内陆核电厂低环境流速下多孔扩散器方案研究

张琨1，张爱玲1，覃春丽2，王韶伟1

(1.环境保护部核与辐射安全中心，北京100082；2.中广核集团苏州热工研究院，江苏苏州215004)

我国对于内陆核电厂液态流出物的排放有着严格要求，为满足相关规定，可采用多孔扩散器对流出物进行充分稀释。以我国某内陆核电厂多孔扩散器的设计方案为研究对象，利用CORMIX软件从多孔扩散器主管长度、射流角度、近岸或离岸布置三个影响因素出发，对设计方案进行比选。由比选结果可知，扇形喷口形式略优于平行喷口多孔扩散器；扩散器主管长度越长、离岸距离越远，越有利于排放口下游的初始掺混稀释。同时通过对10-1m/s、10-2m/s和10-3m/s 三种不同环境流速下特定排放方式稀释情况的比较，发现对于不同的环境流速，其最佳排放方式不同。

内陆核电厂；液态流出物；多孔扩散器；CORMIX

《核动力厂环境辐射防护规定》(GB 6249—2011)和《核电厂放射性液态流出物排放技术要求》(GB 14587—2011)对我国内陆核电厂液态流出物的排放提出了严格的管理要求，明确指出：“对于内陆厂址，槽式排放出口处的放射性流出物中除氚和14C外其他放射性核素浓度不应超过100 Bq/L，并保证排放口下游1 km处受纳水体中总β放射性不超过1 Bq/L，氚浓度不超过100 Bq/L”。这一要求不仅规定了核电厂槽式排放口的排放浓度，而且从水环境保护角度规定了受纳水体在排放口下游1 km处的浓度要求。我国内陆核电厂的受纳水体流量呈现时空分配不均的现象，整体来说，环境水体的流速范围一般在10-4～1 m/s量级区间。在这种低环境流速下，采用常规排放方式时，下游1 km处氚浓度难以满足GB 6249的要求，只能通过安装扩散器对流出物进行充分稀释扩散，以尽量降低其在下游1 km处的浓度[1]。

扩散器可以加快排放物与环境水体的掺混，使排放物的浓度尽快降低，在工程实践中的应用越来越多[2]。在排放物与环境条件确定的情况下，扩散器的设计形式会直接影响流出物的稀释，如何使扩散器的设计最优化是设计中需要考虑的重要问题。扩散器的设计参数较多，对于扩散器主管，有直径、长度等；对于喷口，有数量、高度、面积、出流夹角等；对于布置形态，有高度、与主流向夹角等。本文主要分析扩散器主管长度、射流角度和离岸距离三个因素对稀释扩散的影响，假定的环境流速为10-1～10-3m/s量级。

1　计算程序

康奈尔混合区专家系统(Cornell Mixing Zone Expert System，CORMIX)是一项水动力混合区模拟与决策支持系统，由美国康奈尔大学于1996年开发并持续更新完善[3-4]。目前国内常用的数值模型对浮射流考虑不充分，而CORMIX是在浮射流理论分析和物理模型实验的基础上进行开发，着重考虑扩散器的几何参数和近区浮射流掺混影响。因此，CORMIX是美国国家环保局认可的用于液态流出物排放的混合区环境影响评价模拟和决策支持系统。

CORMIX在国外核电厂及其他污水排放工程中应用较为广泛。美国大部分核电厂采用CORMIX对沿海和内陆核电温排水的混合区进行数值模拟，Callaway和Bell Bend核电厂还应用CORMIX计算了以氚为代表的保守物质的稀释倍数和分布区域[5-6]。此外，在常规污染物排放工程中也广泛应用CORMIX开展多孔扩散器设计和混合区模拟，如加拿大Santa Rosa再生水处理工程。

2　算例基本参数

本文算例的基本参数如下：

(1)水文情况：受纳水体为不规则矩形河道，宽度约900 m，水深约18 m，河长至少大于1 000 m，曼宁系数n=0.025，河流流速为10-3m/s量级，环境水温为27℃。

(2)排放水体情况：排放水体流量为0.42 m3/s，水温为32℃，污染物类型为保守物质，即不考虑衰变。假设污染物出口浓度为1个单位，在理想状况下，污染流与环境水体完全均匀混合后，其最大稀释倍数Smax为142.5，Smax=排放流量/(排放流量+河水流量)。

(3)多孔扩散器情况：扩散器位于左岸，近河底布置；扩散器主管与河流主流向呈45°夹角；喷口直径为0.1 m，喷口出流轴线与上升管垂直，喷口数量为30个；流速比R约为434。

3　多孔扩散器模拟方案

根据扩散器主管长度、射流角度和离岸距离的不同，采用4种多孔扩散器进行模拟研究，分别如下：方案1，近岸布置的平行喷口扩散器(扩散器长度为26 m)；方案2，近岸布置的扇形喷口扩散器(扩散器长度为26 m)；方案3，近岸布置的扇形喷口扩散器(扩散器长度为150 m)；方案4，离岸布置的扇形喷口扩散器(扩散器长度为150 m)。

4种扩散器方案的平面布置如图1所示。其中，方案1为平行喷口多孔扩散器，方案2～方案4为扇形喷口多孔扩散器。与方案1的平行喷口多孔扩散器相比，方案2仅在喷口的布置形式上不同，方案2为扇形喷口多孔扩散器；方案2与方案3的不同之处在于扩散器主管的长度，方案2的主管长度为26 m，方案3为150 m；方案3与方案4的不同之处在于离岸距离，方案3为近左岸布置，方案4为离左岸120 m。

4　多孔扩散器模拟结果

在4种多孔扩散器方案作用下，利用CORMIX可计算得到排放口下游1 000 m断面处的稀释倍率，结果如图2所示。计算结果显示，在相同水文条件下，方案1断面最小稀释倍数为81.5，方案2为89.7，方案3为101.5，方案4为107.1。其中，方案2为扇形喷口形式，方案1为平行喷口布置形式，方案2最小稀释倍数大于方案1，表明就有利于排放口下游的初始掺混稀释而言，扇形喷口形式略优于平行喷口多孔扩散器；方案2扩散器长度为26 m，方案3扩散器长度为150 m，均为近岸布置，方案3最小稀释倍数大于方案2，表明扩散器主管长度越长，越有利于排放口下游的初始掺混稀释；方案3的扩散器为近岸布置，方案4离岸距离为120 m，方案4最小稀释倍数大于方案3，表明扩散器离岸距离远的工况更有利于排放口下游的初始掺混稀释。

扇形喷口的布置、更长的扩散器长度、更远的离岸距离，这3个因素都是尽可能地增加初始掺混的水体，以加强稀释效果。通过数值试验验证，在环境流速和排放量相同的情况下，就排放口下游的初始掺混稀释而言，扇形喷口多孔扩散器略优于平行喷口多孔扩散器；在扇形多孔扩散器中，扩散器主管长度长的工况和扩散器离岸距离远的工况，有利于排放口下游的初始掺混稀释。

图2　4种方案排放口下游1 000 m断面处的稀释倍率Fig.2　The dilution ratios of four schemes at 1000m downstream of outfall

5　不同流速下扩散器稀释倍率比较

分别在10-1m/s、10-2m/s和10-3m/s的不同环境流速下对方案4中扩散器的稀释倍率进行比较，利用CORMIX可计算得到排放口下游1 000 m断面处的稀释倍率，如图3所示。环境流速在10-3m/s量级时，排放口下游1 000 m处理论上最大稀释倍数为142.5，采用排放方案4这种扩散器后，排放口下游1 000 m处最小稀释倍率可达110；环境流速在10-2m/s量级时，排放口下游1 000 m处理论上最大稀释倍数为1 425，采用排放方案4排放口下游1 000 m处最小稀释倍率约为115；环境流速在10-1m/s量级时，排放口下游1 000 m处理论上最大稀释倍数Smax可达到14 250，采用排放方案4排放口下游1 000 m处最小稀释倍率仅为430。

从图3可以看出，对于排放方案4，随着环境流速的增大，断面最小稀释倍率也随之增大，但其增大的速度与环境流速的增大不成比例。环境流速从10-3m/s量级增大到10-1m/s量级时，排放口下游1 000 m处理论的最大稀释倍数增大100倍，而最小稀释倍率从142.5增加到430，仅增加了2倍。这说明排放方案4在环境流速为10-3m/s量级时稀释效果较好，10-1m/s和10-2m/s量级并不是最佳排放方案。

对于某种特定的排放方式，随着环境流速的减小，断面最小稀释倍率也随之减小，但其减小的速度与环境流速的减小不成比例。因此，对于不同的环境流速，其最佳排放方式是不同的。

图3　不同环境流速下方案4排放口下游1000m断面处的稀释倍率Fig.3　Dilution ratios of no.4 scheme at 1000m downstream under different environmental flow rates

6　结语

常规二维模型在进行污染物质在水体中的稀释扩散模拟时，不能反映由于扩散器形态不同造成的结果差异，物理模型实验可以实现该目的，但花费大、周期长。CORMIX软件可以弥补这方面的不足，采用简单可行的方法对扩散器进行设计。

美国在应用多孔扩散器时，一般为近岸设置且主管长度一般不超过40 m。因此，我国在设计多孔扩散器时，不仅应从理论计算上追求稀释倍率的最大化，还应综合考虑工程实际应用经验，以达到最优化的目的。

[1]张爱玲, 王韶伟, 赵懿珺, 等. 滨海核电厂温排水环评关键问题分析[J]. 环境影响评价, 2015, 37(3): 57- 60.

[2]翟海波. 污水海洋处置近区初始稀释研究[D]. 上海: 同济大学, 2002.

[3]USEPA. CORMIX USER MENUAL[Z]. 2007.

[4]刘永叶, 杨阳, 刘福东. 康奈尔混合区专家系统(CORMIX)软件简介[J]. 辐射防护通讯, 2012, 32(1): 42- 45.

[5]PPL Bell Bend, LLC. Bell Bend Nuclear Power Plant Combined License Application Part 3: Environmental Report[R]. USA, 2012.

[6]AmerenUE. Callaway Plant Unit 2 Combined License Application Part 3: Environmental Report[R]. USA, 2009.

Study of Porous Diffuser Scheme of Inland Nuclear Power Plant under Low Flow Condition

ZHANG Kun1, ZHANG Ai-ling1, QIN Chun-li2, WANG Shao-wei1

(1.Nuclear and Radiation Safety Centre, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082, China;2.Suzhou Nuclear Power Research Institute, China General Nuclear Power Corporation, Suzhou 215004, China)

The requirements for the radioactive liquid effluent discharge of inland nuclear power plant are strict in China. In order to meet these relevant regulations, the porous diffuser can be used to fully dilute the effluent discharge. This paper took a porous diffuser scheme of inland nuclear power plant as the case study. CORMIX was used to compare and analyze the design scheme based on three factors, including main pipe length, flow angle, and inshore or offshore arrangement. The result suggested that the fan-shaped vents were better than the parallel ones; long main pipe was better than the short one; and long offshore arrangement was better than the short one. At the same time, by comparing the dilution situations under different environmental flow rates, such as 10-1m/s, 10-2m/s and 10-3m/s, it was found that the optimal way of discharge was different under different environmental flow rates.

inland nuclear power plant; liquid effluent; porous diffuser; CORMIX

2015-05-25

张琨(1986—)，女，河北石家庄人，工程师，硕士，研究方向为核电厂环境影响评价，E-mail：zhangkun@chinansc.cn

张爱玲(1973—)，女，山东潍坊人，研究员，硕士，研究方向为核电厂环境影响评价，E-mail：zhangailing@chinansc.cn

10.14068/j.ceia.2016.05.015

X124；TV134

A

2095-6444(2016)05-0059-04