2. 中国核电工程有限公司
2. China Nuclear Power Engineering Co. Ltd(CNPE)
为了准确测量核电厂气态流出物放射性排放水平，确保监测结果可信性，应对烟囱的排气进行代表性取样。基于美国ANSI N13.1-1969标准《核设施中气载放射性物质的采样导则》，1998年中国环境保护总局(现为环境保护部)颁布了行业标准HJ/T 22-1998《气载放射性物质取样的一般规定》[1]，至今国内仍沿用此标准。1999年，美国国家标准委员会对ANSI N13.1-1969进行修订，发布了ANSI/HPS N13.1－1999，新标准题为《核设施烟囱和管道中气载放射性物质释放的取样与监测》[2]，该标准于2011年经过重新认定，成为ANSI/HPS N13.1－2011标准新标准提出了单点取样和可以不等速取样的取样原则：单点取样的条件是取样位置必须在排放气流速度和被监测气溶胶及有害气体浓度达到均匀混合处，不等速取样的条件是入口管嘴须符合特定的设计要求；并且新标准摒弃了原来的推荐性设计方法，对气态流出物的取样设计提出了定量的指标和判定方法，并要求进行试验验证[3]。这就意味着，对于中国的新建核电厂，需要依照标准对烟囱取样方法的性能进行试验，才能判定是否满足标准的要求[4-5]。
当前中国国家核安全局(NNSA)在实际监管中对于国内核电厂气态流出物取样代表性问题提出的安审要求对于正在建设或设计阶段的三代的核电站需要进行比例模型试验和现场验证试验。福清核电站5#、6#机组使用的“华龙一号”堆型是中国自主研发设计的第三代压水堆，按监管要求需要进行分析论证和现场试验。中国2010年以前建成的核电站，烟囱气态流出物监测系统均依照HJ/T 22-1998标准进行设计和建造，所以未进行过取样点代表性的模型试验和现场烟囱试验。
本文研究“华龙一号”核电站放射性气态流出物排放烟囱取样截面的混合均匀性问题，主要依据ANSI/HPS N13.1-1999标准，完成了比例模型烟囱的气体流速分布均匀性、气旋角分布均匀性、示踪气体和气溶胶浓度分布均匀性的试验和分析，以及核电厂实际烟囱现场气体流速分布均匀性、气旋角分布均匀性、示踪气体浓度分布均匀性试验和分析。
1 仪器设备与测试方法 1.1 试验内容和目的ANSI/HPS N13.1-1999标准规定，烟囱取样具有代表性的必要条件是取样截面内污染物混合是均匀的，该特性主要从4个方面体现出来：气流速度分布均匀、气体平均气旋角均匀、示踪气体浓度分布均匀和示踪气溶胶浓度分布均匀，并且规定取样截面内气旋角的平均测量值应小于20°，气体流速分布的变异系数COV≤20%，示踪气体浓度分布的变异系数COV≤20%并且任何一点示踪气体浓度的测量值与平均值之差不得大于30%，示踪气溶胶浓度分布的变异系数COV≤20%。
对烟囱气态流出物取样取样截面混合均匀性的试验，可以是现场试验，也可以是比例模型试验与现场验证试验结合。后者试验方法是：按照标准提出的比例模型建造准则，设计建造烟囱比例模型装置，利用该装置模拟烟囱的主要运行工况，根据标准要求选择测点，测量不同工况下的模型烟囱排放气流的4项参数。如果模型试验结果全部满足标准要求，再对核电厂实际烟囱进行现场试验。这种现场试验只需对烟囱在主要运行工况下的速度分布进行测量，验证其与比例模型试验结果是否一致，即：如果两者之间的速度差别的COV不大于5%，则认为这种模型烟囱试验结果与实际烟囱全部一致[3]，也就是说当比例模型烟囱气体流速分布与实际烟囱一致时，可用比例模型烟囱试验代替现场烟囱试验。
为了验证在流速分布一致的情况下比例模型烟囱试验能否完全代替现场烟囱试验，本研究分别对比例模型烟囱和现场烟囱开展了上述实验，并对测试结果进行比较。
1.2 仪器设备比例模型试验和现场试验中所用到的测量仪器设备主要见表 1[6]：
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表 1 烟囱模型试验和现场试验设备与材料 |
除上述设备外，在以上比例模型试验和实际烟囱试验中还用到夹持装置、刻度尺、管件及密封材料等辅助材料与部件，同时用数字式温湿度计和大气压力计、红外温度计测试和记录环境参数和烟囱参数。比例模型试验与实际烟囱试验夹持装置不同[7]。
1.3 测试方法由于核电厂现场往往情况复杂，在实际烟囱上开展取样代表性现场试验，实现难度较大。ANSI/HPS N13.1-1999标准规定，在满足一定条件情况下，可使用烟囱比例模型对各项参数进行试验。
1.3.1 比例烟囱模型测试项目通过搭建“华龙一号”反应堆烟囱比例模型(如图 1)，通过理论预选和CFD建模计算验证，确定在截面Q1、Q2、Q3上开展4项参数试验，在试验结果符合ANSI/HPS N13.1-1999关于烟囱气态流出物充分混合的判断标准的前提下，再开展核电厂实际烟囱现场验证实验[8]。
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图 1 “华龙一号”烟囱比例模型试验装置结构、实体及Q1测试平台 |
模拟试验的烟囱模型的横截面为圆形，其直径为0.6 m。在每个截面上两条相互垂直的直径上选择试验点。试验在每条直径上选择6个测点，每个截面上选择两条垂直的直径进行测量，共计12个测量点。其中，中间的8个测点可以代表中间2/3面积的情况。横截面的测量点及编号分布图如图 2。
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图 2 “华龙一号”烟囱比例模型取样截面测点分布图 |
根据面积均分原理计算出取样截面各个测量点的位置，由测量点位到管道侧壁的距离表示，见表 2。
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表 2 比例模型烟囱取样截面测量点到烟囱壁的距离 |
比例模型烟囱由A、B两个底部对称烟道构成，分别由两台风机独立送风，经过中间混合室后汇入竖直烟囱，在烟囱本体离地面3.5 m (Q1)、6.5 m (Q2)、7.5 m (Q3)高度(对应于实际烟囱17.5、32.5和37.5 m)处分别开设测试手孔。比例模型烟囱试验设计有两种测试风量：最大风量16 800 m3/h和正常风量14 800 m3/h。在混合指标测试前，通过对风机频率值和风速关系进行标定，找到了两种风量下A风机和B风机控制器对应的频率值。
1.3.2 现场测试由于本项目实施时福清核电站5号、6号机组(“华龙一号”堆型)尚未实际建成，而最初“华龙一号”反应堆烟囱模型设计主体形状和尺寸与1号、2号机组(M310改进堆型)烟囱基本相同，而当前“华龙一号”实际烟囱还增加了水平管段和弯管设计，理论可证比M310改进堆型烟囱气态流出物有更好的混合均匀性。因此，可以认为在1号、2号机组烟囱特定高度的采样截面上开展了现场试验(如图 2)，其试验结果应当与“华龙一号”烟囱表征采样截面上气态流出物混合均匀性的4项参数值基本一致。
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图 2 福清核电厂1号、2号机组烟囱结构和测量点位分布、烟囱主体和Q2测试平台 |
福清核电站1号、2号机组实际烟囱测试目标风量为正常通风305200 m3/h，各支路风量分配情况见表 3。
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表 3 福清核电站1号、2号机组烟囱正常通风时各系统风量值 |
经过测试，两种工况下Q1、Q2和Q3取样截面流速分布情况如下表所示，各取样截面中心2/3区域气体流速分布均匀性较好，混合特征完全满足ANSI/HPS 13.1-1999要求，测试结果见表 4。
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表 4 “华龙一号”比例模型烟囱气体流速分布试验结果 |
烟囱三个截面在两种对称风量工况下气体流速分布情况基本相同，各点气体流速典型分布情况为：接近取样口的测点气体流速最小，其他各测点风速则较一致，总体满足均匀性要求。两种风量下对三个截面气旋角试验测试结果如表 5所示，同样全部符合ANSI/HPS 13.1标准关于气旋角平均测量值小于20°的要求, 任意一点气旋角与平均值相差不大于30°, 虽然不同截面和风量下气旋角分布有一定差异，最大气旋角一般出现在北到南直径的某个测点上。
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表 5 “华龙一号”比例模型烟囱各取样截面气旋角θ分布试验结果 |
比例模型烟囱南、北烟道支路对称平面上有5个注入口Z1~Z5，示踪气体浓度分布测试结果如表 6所示：由数据可见，示踪气体10个注入口注入时，不同取样截面处示踪气体浓度分布COV≤20%，证明Q1、Q2、Q3截面都符合混合均匀性要求。
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表 6 “华龙一号”比例模型烟囱各取样截面示踪气体浓度分布均匀性试验结果 |
比例模型烟囱南北支路两个注入点不同风量工况下Q1、Q2、Q3三个取样截面试验结果如表 7所示，烟囱模型两种风量工况下、从南北支路注入口注入分别注入气溶胶时，三个取样截面上中心2/3的面积内气溶胶浓度分布满足标准中COV≤20%的要求。
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表 7 “华龙一号”比例模型烟囱各取样截面示踪气溶胶浓度分布均匀性试验结果 |
综合以上试验结果，在“华龙一号”比例模型烟囱三个预选取样截面(Q1、Q2、Q3)中心2/3区域内，在两种设计通风工况下, 气体流速分布变异系数(COV)≤1.1%，所有测点最大气旋角为11.38°，示踪气体分布浓度分布COV≤4.4%，示踪气溶胶浓度分布COV≤4.7%。三个预选取样截面均能满足ANSI/HPS 13.1-1999混合均匀性要求，且各截面差异不大。其中，Q1截面气体流速和气旋角分布最为均匀，Q3截面示踪气体浓度分布最为均匀，Q2的示踪气溶胶粒子浓度分布最为均匀，两种风量下4项参数具有相似的分布特征。
2.2 现场实际烟囱试验结果福清1号、2号机组实际烟囱内气体流速均匀性、气旋角和示踪气体浓度均匀性等参数的测量方法和测量设备与比例模型模型试验方法基本相同，但使用不同的开孔方式和夹持装置。示踪气体浓度测试了从DVN碘排风、DVN正常通风两种系统的支路注入工况，测试结果见表 8。
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表 8 福清1号、2号机组烟囱现场试验结果 |
全部现场试验结果标明，气旋角、气体流速和示踪气体浓度分布指标全部符合ANSI/HPS N13.1-1999标准要求, 并且与比例模型试验显示出良好的一致性, 见表 9。
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表 9 比例模型测试与现场测试结果的比较 |
在实际烟囱预选取样截面中心2/3面积内气体流速分布COV≤8.4%，所有测点气旋角平均绝对值为11.3°(且最大值＜20°)，并且由DVN碘排风、DVN正常排风系统注入示踪气体时，测量截面上示踪气体浓度分布COV分别为2.2%、1.3%。同时，对三个预选截面测试结果进行比较，Q2截面各测试结果最好，即具有更好的混合均匀性，推荐在“华龙一号”反应堆烟囱放射性流出物监测取样系统设计中选用Q2作为取样截面。
3 结论气旋角分布、气体流速分布、示踪气体分布和示踪气溶胶分布是能表征烟囱气体流出物混合均匀的4项参数, 在“华龙一号”反应堆烟囱模型上预选Q1、Q2、Q3取样截面，经过模型试验和现场试验验证，证明满足ANSI/HPS N13.1-1999标准对污染物混合均匀性的要求，可以进行单点取样。比例模型试验和现场试验的各项测试结果显示出良好的一致性, 说明今后此类项目研究中，现场试验可适当简化，可用模型试验代替现场试验可靠论证取样截面混合均匀性。
由于核电站现场工况复杂，烟囱示踪气溶胶发生和注入实施难度较大，因而未能对示踪气溶胶的混合均匀性参数进行试验验证，但此项试验并非ANSI/HPS N13.1-1999标准所要求的。另外，“华龙一号”单堆烟囱取样截面气态流出物流速分布均匀性的现场验证试验是本课题下一步需要研究的内容。
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