气载放射性排出流混合均匀性验证方法研究

孙 瑜 刘洪涛

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

0 引言

为评估核设施对周围环境的影响，《GB 6249 -2011核动力厂环境辐射防护标准》要求对核设施气态流出物必须进行放射性活度监测［1］。由于放射性物质在烟囱或管道流场中的分布可能不均匀，因此取得的样品是否具有代表性，将直接影响流出物测量的准确性。

为了指导核设施气载流出物取样测量系统的设计，美国国家标准化组织于1969 年出版了美国国家标准《ANSI N13.1-1969 核设施气载放射性物质的取样导则》，提出了多嘴等速取样的方法，从而降低放射性物质分布不均匀带来的影响［2］。近年来，美国科研机构研究发现，多嘴等速取样方法存在很多问题，其中一个重要问题就是多嘴取样器会造成气溶胶的大量损失，极大地降低了系统的采样效率，增加了测量误差。美国研究人员提出了护套式单嘴取样的方法及一系列性能指标，并于1999 年将研究成果转化为美国国家标准《ANSI N13.1 1999 核设施烟囱和管道中气载放射性物质释放的取样与监测》。与1969 年的标准相比，该标准在内容上进行了重大的修改，在推荐护套式单嘴取样方法的基础上，对烟囱或管道内流场均匀性作出了定量的要求。本文通过研究ANSI N13.1 -1999 及相关标准的内容，详细描述了满足标准要求的混合均匀性验证方法。

1 混合均匀性验收准则

为保证在采用护套式单嘴取样器的情况下获得有代表性的样品，ANSI N13.1 -1999 给出了取样截面的混合均匀性验收准则，如表1 所示［2］。

表1 混合均匀性验收准则Tab.1 Acceptance criteria for mixed homogeneity

2 混合均匀性验证方法

2.1 基本要求

ANSI N13.1 -1999 对表征烟囱或管道内气流混合情况的各项特性的测试方法给出了基本要求，如表2所示［2］。

表2 混合均匀性测试基本要求Tab.2 Basic requirements for the mixed homogeneity tests

2.2 验证方法

为降低试验成本、缩短试验时间，表1、表2 中的试验可采用现场试验和比例模型试验相结合的方法来开展。根据ANSI N 13.1 -1999，当满足如下条件，可认为实际烟囱采样截面满足混合均匀性验收准则［2］:

①比例模型中的取样截面按表2 测试满足验收准则;

②比例模型在几何尺寸上与实际烟囱相似，安装在比例模型中影响污染物混合和速度分布的组件与安装在实际烟囱中的组件成比例;

③比例模型中的取样位置在几何上与实际烟囱一致;

④比例模型的水力直径与平均流速的乘积，与实际烟囱水力直径与平均流速的乘积的比值应大于1/6;

⑤比例模型取样位置烟囱直径至少为250 mm;

⑥原型烟囱和比例模型的雷诺数必须大于10 000;

⑦实际烟囱速度分布满足接受准则;

⑧实际烟囱和比例模型流速变异系数的差异小于5%。

相关参数计算方法如下。

①水力直径计算公式:四倍湿横截面面积与湿圆周长度之商。

②变异系数:被测量的标准偏差与均值之比。

③圆形烟囱雷诺数计算公式:式中:ρ 为空气密度;dt为管线内径;μ 为空气动力黏度;q 为体积流量。

2.3 比例模型试验

2.3.1 比例模型建模范围

比例模型试验包括验收准则要求的所有试验，建模范围需包括烟囱本体、烟囱内部构件、通风系统与烟囱的接口构件，尺寸、流速、雷诺数、取样位置要满足

2.2 节所述要求。

阳江56 机组已开展混合均匀性验证工作，比例模型建立如下。

①比例模型包括烟囱本体、烟囱内EUF 排气管线、烟气混合室、通风系统与烟气混合室接口管线。

②比例模型与实际烟囱尺寸采取1/5 的比例，采取相同的流速。

③比例模型烟囱直径为600 mm。

④比例模型雷诺数大于10 000。

⑤取样位置在几何上与实际烟囱一致。

2.3.2 比例模型试验类型

在比例模型上需完成所有测试项目，包括气旋角、风速、示踪气体浓度和示踪粒子浓度测试，并计算平均气旋角、风速变异系数(COV)、示踪气体浓度变异系数(COV)、示踪气体浓度最大值与平均浓度的偏差、示踪粒子浓度变异系数(COV)五个参数。

2.3.3 示踪剂注入位置

ANSI N13. 1 - 1999 对示踪剂注入位置要求如下［2］。

①注入位置位于排出流与烟囱最后一个接入点下游。

②示踪气体和粒子采用相同的注入位置。

对于在烟囱底部设置烟气混合室，通风系统排气先汇入混合室再排入烟囱的情况，按照标准要求，示踪剂注入位置位于烟气混合室与烟囱的接口位置，不能真实反映污染实际进入烟囱的方式。基于ANSI N 13.1 -1999 编制的ISO 2889 -2010《核设施烟囱和管道气载放射性物质采样》给出的另外一种更合理的方法，示踪剂注入位置设于通风系统与烟气混合室的接口位置［3］，本文采纳该方法开展研究。

在通风系统与烟气混合室的接口处，注入示踪气体或示踪粒子进行示踪试验，根据ANSI N13. 1 -1999，注入口位置要求如下［2］。

①注入位置处为矩形管道:示踪气体注入点为管道中心以及靠近角落的位置(距离角落不超过25%的管道水力直径)。

②注入位置处为圆形管道:示踪气体注入点为管道中心以及靠近管壁的位置(距离管壁不超过20%的管道水力直径)。

③对于示踪粒子，在管道中心注入。

2.3.4 测量点数量及位置

根据表2，采样截面处气旋角、风速、示踪气体浓度、示踪粒子浓度的测量需根据40 CFR 60 -2012 附录A 方法1 确定测量点数量和位置。测量点最小数量如图1 所示。假定模型烟囱截面为圆形，取样截面水力直径为0.5 m，上下游无扰动管段长度分别为9 倍和3 倍烟囱直径，则最小测量点数量为8。图1 中，α为适用于矩形烟囱或管道的数量。

图1 测量点最小数量Fig 1 Minimum quantity of the measurement points

根据40 CFR 60 -2012 附录A 方法1，对于不同数量的测量点，每个测量点在取样截面内两个相互垂直方向上的位置见表3［4］和图2［4］。

表3 测量点位置表Tab.3 Position of the measurement points

图2 测量点位置示意图Fig 2 Sketch map of the measurement points

2.3.5 试验条件变化组合

不同运行工况或操作模式会影响烟囱内气流混合情况，通风系统对烟囱的排气流量变化可能恶化混合。因此，需根据不同运行工况或操作模式开展试验，下面举例说明如何针对不同情况进行组合试验。

假定烟气混合室有两路输入接口，正常运行和事故工况下每路进风量不同，则需开展如下组合试验(试验组合见表4)。

①气旋角、风速测量:需在每种工况下测试取样截面每个测量点的气旋角和风速。

②示踪剂浓度测量:每种工况下对每路接口输入示踪气体或粒子，测量取样截面示踪气体或示踪粒子的浓度。

表4 示踪剂浓度测量试验组合Tab.4 Tracer concentration measurement test combination

2.4 现场试验

根据2.1 节所述验证方法，在比例模型试验满足验收准则的情况下，现场试验如果能满足如下条件，即可证明实际烟囱采样位置满足所有验收准则。

①实际烟囱风速分布满足验收准则。

②实际烟囱和比例模型风速变异系数差异小于5%。

因此，现场试验仅需开展风速试验即可，试验方法与比例模型试验一致。

2.5 测试方法及仪器

混合均匀性验证试验涉及的测试项目包括:气旋角测量、风速测量、示踪气体浓度测试、示踪粒子浓度测试。测试方法及所用仪器如下。

①气旋角测量:采用S 型皮托管、数显压力计和水平量角器实现测量。皮托管管道出口置于每个测试点，与烟囱轴线垂直;然后旋转皮托管，使压力计显示为零，通过水平量角器记录皮托管旋转的角度即得到气旋角。

②风速测量:采用皮托管结合压力计的方式进行测量，根据皮托管压差计算出风速。

③示踪气体浓度测量:采用SF6 作为示踪气体，在采样平面各测试点采样混合后的气体，使用SF6 分析仪测量浓度。

④示踪粒子浓度测量:采用多分散系气溶胶发生器生成包括10 μm 气溶胶粒子在内的示踪粒子，在采样平面各测试点采样混合后的气体，使用光学粒子计数器测量10 μm 气溶胶的粒子数。

3 结束语

ANSI N13.1 -1999 对烟囱取样截面混合均匀性提出了定量的技术要求，给出了明确的符合性判定准则，这与之前基于经验的旧版标准有着明显的区别。在新标准的应用中，应在充分消化标准内容的基础上，通过模型试验和现场试验验证取样截面是否满足标准要求。如果不能满足要求，可通过在烟囱中增加混流器的方式来增进气体混合，确保获得具有代表性的样品。

［1］ GB6249 -2011 环境辐射防护规定［S］.2011.

［2］ANSI N13.1-1999 Sampling and monitoring releases of airborne radioactive substances from the stacks and ducts of nuclear facilities［S］.1999.

［3］ ISO2889 -2010 Sampling airborne radioactive materials from the stacks and ducts of nuclear facilities［S］.2010.

［4］40 CFR PART 60-2012 Standards of performance for new stationary sources［S］.2012.