秦一厂烟囱排气辐射监测系统改造及取样代表性分析

张 强，张 戎，黄晓妍，古 艺

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

烟囱排气辐射监测通道是核电厂辐射监测系统中的重要通道之一，其中气载流出物取样代表性是影响放射性测量数据准确性的关键因素。秦山核电厂(简称“秦一厂”)烟囱排气辐射监测通道(R07)取样系统在原始设计中遵循ISO 2889—1975，采用多嘴等速取样装置[1]。目前，ISO 2889—1975已被ISO 2889—2010替代，新标准推荐亚等速取样方法和遮蔽式单嘴取样头。因此，在秦一厂第二次PSR中烟囱排气辐射监测通道被认定为弱项，认为其取样系统不满足ISO 2889—2010中关于气载流出物取样代表性的要求。

本文针对该PSR弱项，结合系统现状，提出了R07通道的改造方案，并采用CFD(计算流体力学)方法对秦一厂烟囱取样代表性进行了分析，评估了不同通风工况下烟囱不同高度截面内混合均匀性，为取样截面的选择提供了参考和依据。

1 烟囱排气辐射监测系统改造方案分析

1.1 系统原始设计

如表1所示。秦一厂原R07通道由取样嘴、取样管道、氚取样器、气溶胶—碘取样器、惰性气体监测仪(包括低放惰性气体β监测仪、低放惰性气体γ监测仪和中放惰性气体γ监测仪)、流量仪表、压力仪表、抽气泵以及相应的管道和阀门组成。利用等速取样装置和取样管，通过抽气泵进行连续取样。样品流分成多路，以实现气溶胶、碘、氚、碳的连续取样，汇合后经总流量测量装置、惰性气体探测装置和气动调节阀，由抽气泵送回排风道。当烟囱排气的放射性活度浓度超过报警阈值时，辐射监测仪表向剂量控制室和主控室发出报警信号。

秦一厂原烟囱取样系统设计遵循ISO 2889—1975的要求，采用多嘴等速取样装置(共12个取样嘴)。等速取样装置安装在离烟囱底部上方71.6 m处(烟囱总高为100 m)。气溶胶和碘取样器位于烟囱底部的校正室，从等速取样装置到烟囱底部较正室的实际高度为70.6 m，水平长度为0.5 m，共有弯头5个；惰性气体监测仪位于02厂房801房间，从等速取样装置到02厂房801房间的垂直高度为75.6 m，水平管线长度为85.4 m，共有弯头14个。

1.2 改造方案分析

ISO 2889—1975已被ISO 2889—2010替代，新标准摒弃了1975版中等速取样方法，对烟囱气载流出物取样代表性提出了系统的定量要求，推荐使用遮蔽式单嘴取样头，取样位置要在烟囱内流体速度和浓度均已混合均匀的截面上[2]。

为消除“烟囱气载流出物取样代表性不满足标准要求”的弱项，并兼顾辐射监测仪表的性能要求，研究制定了三种改造方案，并对每种方案的费用及优缺点进行了对比分析，见表1。方案一的设置高于标准要求，改造费用也较昂贵，最大问题是设备布置的问题(烟囱平台较小，且需与目前的烟囱基础、风道、边坡、挡土墙等都保持一定距离，可供设备布置的空间有限)；方案二改造费用较小，但并未设置气溶胶和碘的连续监测；最终选择第三种方案，对取样头和取样管线进行优化，设置气溶胶/碘/惰性气体连续监测仪，符合我国运行核电厂的设计情况。

表1 改造方案分析

2 气载流出物取样代表性的CFD分析

2.1 气载流出物取样代表性要求

ISO 2889—2010认为摄取代表性样品的最佳位置是在自由流体中感兴趣的放射性物质已经充分混合的地方。同时也给出了定量的判定准则，即如果截面的特征参数满足该判定准则，则认为该截面上气体流速和浓度分布均匀，可作为取样截面，具体的判定准则见表2。ISO 2889—2010要求通过现场或在模拟体上进行试验的方法来确认取样点处空气流体的均匀性。鉴于秦一厂已运行多年，不具备在烟囱开展现场试验验证的条件，考虑用CFD方法对烟囱内流场进行模拟来替代试验验证，为选取满足标准要求的混合均匀的取样截面提供依据。

表2 混合均匀性的判定准则

2.2 计算输入及模型

秦一厂核岛各通风系统排风汇总至02厂房的排风中心，经过一段长约40 m左右的水平风道进入烟囱底部，由烟囱排向大气。风道截面尺寸为4 m×2.8 m，与烟囱底部交汇处的截面尺寸为3 m×3.7 m。烟囱总高度100 m(底标高0 m，顶标高100 m)，上口内径3.2 m，下口内径9.71 m。烟囱流体计算的几何模型如图1所示。

图1 烟囱计算模型示意图

入口设置为流量入口，根据运行工况的不同，烟囱风量也有所不同。主要考虑了三种工况：正常运行，风量234 685 m3/h；停堆(进人后)，风量309 685 m3/h；失水事故(8 d内)，风量31 515 m3/h。

根据ISO 2889—2010中关于注入点的要求，示踪气体应在横跨空气流体截面的5个位置处注入，注入点位置在中心和靠近4个角上(离开角的距离等于等效直径的25%)；气溶胶颗粒物示踪剂仅在一个位置上注入，为风管的中心。对于气溶胶颗粒物的模拟，粒径取10 μm(ISO 2889—2010推荐值)，粒子密度为1 g/cm3，粒子注入流量为0.001 kg/s。[2]

根据ISO 10780—1994中关于气体流速测量点的要求，对于此烟囱，至少应在截面上取17个点。除圆心外，在4个半径方向上均有4点，距离圆心的距离分别为所在圆形截面半径的0.42、0.644、0.804和0.94倍。[3]

3 结果

通过对三种不同工况下不同标高截面的平均气旋角、速度COV、示踪气体浓度分布COV、示踪气体浓度与平均浓度值的最大相对偏差及气溶胶浓度分布COV(所有数据均按照ISO 10780—1994中要求的17点进行统计)的分析发现：

1)正常运行工况下，在30 m标高截面已满足速度分布、示踪气体和气溶胶浓度分布的均匀性要求，不满足气旋角小于20°的要求；在40 m标高截面可满足所有要求。相对于示踪气体和气溶胶浓度分布的均匀性，速度方向的均匀性(气旋角)更加难以满足。在正常运行工况下，取样截面可选在40 m标高截面；

2)停堆工况下，在30 m标高截面已满足速度分布、示踪气体和气溶胶浓度分布的均匀性要求，不满足气旋角小于20°的要求；在35 m标高截面可满足所有要求。因此，在停堆工况下取样截面可选在35 m标高以上截面；

3)事故工况下，在30 m标高截面已满足示踪气体和气溶胶浓度分布的均匀性要求，不满足气旋角和速度的均匀性要求；在50 m标高截面才可满足所有要求。因此，在停堆工况下，取样截面应选在50 m标高以上截面。

基于以上分析，由于在进入烟囱前端已经有一段约40 m长的水平风道，进入烟囱后在各种通风工况下，示踪气体和气溶胶在30 m标高截面均已混合均匀；从水平风道进入垂直烟囱，不可避免会产生气旋，气旋角小于20°成了取样高度选择的决定性因素，综合来看，风量大时，有利于气旋的减弱，在三种通风工况下，在50 m标高截面才可全部满足要求。因此，本次烟囱排气辐射监测系统改造将取样截面选在50 m标高处。

4 结论

本文针对秦一厂烟囱排气辐射监测通道的PSR弱项提出了改造方案，并用CFD方法对烟囱内流场进行了分析。结论如下：

1)按照法规标准要求，综合现场实际情况和国内其他核电厂的气载流出物仪表设置现状，本次改造方案为优化气载流出物取样系统(对取样头和取样管道进行变更)，并设置气溶胶/碘/惰性气体连续监测通道(非冗余)；

2)对于秦一厂的烟囱结构，流体经过约40 m长的水平风道后再进入垂直烟囱，示踪气体或气溶胶已混合得相对均匀，气旋角成了取样截面选择的关键因素，本次改造可将取样截面选在50 m。

目前，我国已运行的核电厂的烟囱气载流出物取样系统大多数都是以ISO 2889—1975或者ANSI N13.1—1969(ISO 2889—1975参照ANSI N13.1—1969)为蓝本编制，本文所做工作为国内在役核电厂烟囱气载流出物取样系统的改造或优化提供了指导和参考，也进一步证明了计算流体力学方法用于气载流出物取样代表性分析的可行性。