2. 深圳中广核工程设计有限公司
在核反应堆运行、核燃料制造、放射化学操作过程中均会产生对人体和环境有害的放射性气体及气溶胶。因此, 在这些核设施厂房中均设置有核空气净化系统。这些系统是阻止放射性气溶胶和放射性碘进入周围大气的最后屏障。
按照核安全法规和核行业标准的规定, 核空气净化系统必须经现场试验合格后, 才能投入运行。投入运行的系统也需要定期检测以证明其有效性。高效过滤器(简称HEPA)和碘吸附器是核空气净化系统中关键的净化部件, 高效过滤器和碘吸附器的效率对整个核空气净化系统有着极其重要的影响, 保证它们处于良好的状态是减少放射性物质释放源项的重要环节。
在现场试验中, 测量高效过滤器和碘吸附器效率的方法有多种, 但其原理均是在上游风管中注入示踪剂, 在净化部件的上、下游取样, 然后对取样结果进行分析计算, 最后得出净化部件的效率或穿透率。由于一些系统的设计或净化部件布置的原因, 在取样点示踪剂无法与气流均匀混合, 如何选取代表性样品是进行现场泄漏试验前必须解决的问题。因此, 在现场试验中经常需要使用辅助的注入和取样装置。注入、取样装置按其结构划分为单点和多点两种, 在工程应用中往往需要组合使用, 以适应复杂条件下的现场试验。
本文对核空气净化系统的现场试验作了一般描述, 着重介绍了多点注入和多点取样技术的用途以及在核空气净化系统中的应用与验证实例。
1 核空气净化系统现场试验简介 1.1 核空气净化系统的组成核空气净化系统主要由风阀、风管、净化单元及风机等组成, 在净化单元中通常设置有一级或两级高效过滤器和碘吸附器, 以及预过滤器、后置过滤器、加热器、除雾器等辅助空气处理部件。
1.2 现场试验类别核空气净化系统的现场试验主要有2类:①系统运行前的验收试验, 用来证明系统的质量符合标准和设计要求, 其试验项目包括外观检查、小室承压试验、小室检漏试验、安装框架检漏试验、风量和气流分布试验、空气和气溶胶混合均匀度试验以及高效过滤器和碘吸附器的泄漏试验。②系统投入运行后的定期试验, 定期试验通常只进行高效过滤器和碘吸附器的泄漏试验。
1.2.1 试验原理高效过滤器和碘吸附器的现场试验方法有多种, 但其原理均是在上游风管中注入示踪剂, 在净化部件的上、下游取样, 然后对取样结果进行分析计算, 最后得出净化部件的效率或穿透率。原理如图 1。
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图 1 核空气净化系统现场试验原理图 |
测量高效过滤器效率或穿透率的方法有多种, 常用的有: DOP法、萤光素钠法、钠焰法和油雾法, 在现场试验中主要采用DOP法和萤光素钠法。碘吸附器的现场试验较为普遍采用的是氟里昂泄漏检验法和放射性示踪的甲基碘法。
1.2.3 注入与取样现场试验中, 高效过滤器或碘吸附器示踪剂的注入和取样可采用单点注入、单点取样、多点注入、多点取样等方法。由于单点注入、单点取样方法简单、方便, 所以通常被推荐采用。为保证单点取样具有代表性, 需要保证示踪剂与空气在到达取样点前已充分混合。为此, 首先应考虑将示踪剂注入点设在过滤器组上游足够远处, 而上游取样点则尽可能靠近过滤器组, 下游取样点则远离过滤器组。若注入点与上游取样点的距离达到管道直径的10倍以上, 则通常可达到单点取样所需的混合均匀度。若上述条件无法保证, 则需要采用辅助装置来加快示踪剂的混合。为此, 就需要使用多点注入和取样技术。
2 多点注入与多点取样技术在某些特殊情况下, 采用单点注入和取样无法实现在取样点示踪剂与气流均匀混合时, 需要使用多点注入和取样技术, 专门设计相应的试验辅助装置, 以达到取得代表性样品的目的。多点注入和和取样装置可永久固定到系统中, 可以在不关闭空气净化装置或不破坏影响系统运行的压力边界的情况下对空气净化装置进行泄漏试验。对多点注入和取样装置的设计原理简单介绍如下。
2.1 多点注入装置 2.1.1 多点注入装置多点注入装置是一种能够在小室横截面上使注入的试验试剂形成均匀分布, 从而能对过滤器排进行泄漏试验的设备。其均匀性应通过空气与气溶胶混合均匀性试验予以确认。
多点注入装置通常由一根总管和与总管相连的一系列支管组成, 在支管上开设有一定数量的注入孔。在某些情况下, 注入孔眼处需要安装起扰流作用的隔板或喷嘴, 并使用风机或泵来加速气流的搅拌。
2.1.2 多点注入管常见的设计方式对于高效过滤器和Ⅰ型碘吸附器排架通常采用图 2的方式来设计多点注入管, 每一过滤器中心点应设置一组注入孔。
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图 2 高效过滤器排或Ⅰ型碘吸附器排多点注入管的设计 |
多点注入装置设计和实现的复杂性随空气净化设备布置情况变化很大。例如, HEPA-HEPA串联布置或排架间距很近时会非常困难, 因为过滤器排架处流速较低且通常第一台HEPA后呈层流。部件排架之间的距离显著影响多点注入装置的设计。
多点注入装置安装于高效过滤器上游排架处, 其工作原理是:从发生器发生的DOP气溶胶由高压风机压入多点注入装置的主管, 再分配到各支管中, 并通过支管端部喷头的喷孔沿着与气流垂直的方向喷射。每台高效过滤器至少对应一个喷头, 喷射气流的径迹为圆锥状。各股喷射气流互相交叉, 从而增加气溶胶在整个过滤器上游端面前与系统气流的混合程度。
设计中, 由于射流速度远高于系统气流速度, 且小室的空间足够大, 可将射流模式简化为高速气流向静止空气中喷射。射流的运动速度随喷射距离而衰减, 具体关系如下:
L/d=6.2U0/U
式中:d-喷孔直径, mm; L-射流轴线上某一点到喷孔出口的距离, m; U-该点的射流速度, m/s; U0-射流初速度, m/s。
若把射流速度U降至U0的1/100处定义为射程, 则喷射射程L=620d。为使相邻喷嘴的射流能够互相交叉, 设计中L应至少不低于1000mm, 则对应的喷孔直径至少不低于1.6 mm。实际设计中d取为2.0mm。设计中U0取为50m/s, 可通过控制离心风机的输出压力来调整到预定值。
2.2 多点取样装置 2.2.1 多点取样装置多点取样装置是一种能够在小室横截面上多点均匀采集样品, 从而能对过滤器排进行泄漏试验的设备, 其取样数据应通过验证试验予以确认。
2.2.2 多点取样管常见的设计方式① 对多点注入管所提及的所有设计要点都适用于多点取样管。最主要的差别在于试验示踪剂浓度的减小, 大约为前者的1/1000~1/100000或更少, 这大大减小了气溶胶的凝聚和沉积, 且试验示踪剂通常已与气体和管道处于热平衡, 从而冷凝也不是大问题。②需要很多个分支管才能确保测到泄漏点, 如图 3。测定高效过滤器排时, 每个过滤器的中心应设一个测点; 测定碘吸附器排时, 测点应布置在每台吸附器空气通道开口的中心, 各测点与排架的距离应相等。③管径由取样流量决定。但是, 即使取样管道直径很小, 在样品到达测量元件时取样体积也是很大的。因此, 通常需要一个辅助泵或风机以避免远处样品到达检测器的时间过长。
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图 3 利用辅助风机的多点取样装置 |
需要设计多点注入、多点取样装置常见的情况有以下几种:①过滤器小室内部排架呈串联排列, 例如HEPA-HEPA、碘吸附器-碘吸附器、HEPA-碘吸附器-HEPA布置。②在无串联部件的小室也可能是必须的。例如在过滤器排架前无进气管道的循环系统中进行试验时。③单点注入的试验试剂不能在需要进行泄漏试验的过滤器排架进风面形成均匀分布或者需要在未混合均匀的气流中取样时。
3.2 核空气净化系统中的实际应用在秦山核电站和巴基斯坦恰希玛核电站现场试验中, 采用单点注入, 高效过滤器排上游单点取样, 下游由于设置了后置过滤器无法采用单点取样, 因而安装了多点取样管。
对于核工业某厂后处理车间核空气净化系统, 由于净化小室汇集两路气流, 单点注入的试验试剂不能在需要进行泄漏试验的过滤器排架进风面形成均匀分布, 注入的气溶胶无法在高效过滤器排架前混合均匀, 因而在过滤器排架上游设置了多点取样装置。
在秦山第三核电有限公司, 空气净化部件采用了HEPA-深床碘吸附器-HEPA的布置方式(见图 4), 且排架间距离较近, 为了解决混合均匀性问题, 在两级高效过滤器上游均安装了多点注入装置。由于深床碘吸附器气流出入口流速较高, 有利于示踪剂的混合, 因此第二级高效过滤器多点注入管安装在碘吸附器上游位置, 而一级高效过滤器下游取样点经过验证可以采用单点取样方式, 与二级高效过滤器上游单点取样点共用。
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图 4 两级高效过滤器排的多点注入 |
在巴基斯坦恰希玛C-2核电站主控室通风净化系统中, 如图 5, 高效过滤器排和上游1级碘吸附器排的现场泄漏试验采用单点注入、上游多点取样、下游多点取样的方式。其中高效过滤器和碘吸附器上游单点取样点为共用点。下游2级碘吸附器排的现场泄漏试验采用多点注入、上游单点取样、下游单点取样的方式。下游2级碘吸附器排也可使用1级碘吸附器排的下游多点取样点作为其上游取样方式。
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图 5 两级碘吸附器排的多点注入和多点取样 |
以上实例都经过现场试验验证, 证明使用多点注入与取样装置后, DOP气溶胶能够与系统气流充分混合, 分散效果良好, 所采集到的示踪剂样品浓度具有代表性, 符合ASME N510标准要求。
4 结论核设施空气净化系统现场试验是核空气净化系统正常运行的重要保证。在高效过滤器和碘吸附器现场试验时, 示踪剂注入的均匀性、稳定性和取样的代表性是试验数据准确的关键, 关系到能否正确检测核空气净化系统的性能。
对于利用单点注入和取样或其它原因不能取得代表性样品的核空气净化系统, 多点注入和多点取样技术作为一种有效的试验手段, 针对不同类型系统的情况, 采用不同的设计方式, 这种技术体现了特殊的作用, 现已应用于国内外多个核设施, 并进行了现场验证。验证试验结果表明, 多点注入和多点取样装置的设计符合相关标准要求。
多点注入和多点取样解决了特殊情况下现场试验中的注入和取样的均匀性问题, 对客观评价核空气净化系统的功能起到了重要的作用。通过长期现场应用实践, 总结出了一系列多点注入和多点取样装置设计方法, 为今后类似工作提供了设计经验。
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