核空气净化机组现场试验的单点喷射注入装置的研究及应用

摘 要 AP1000核电机组的厂房空间较小，厂房内的核空气净化机组结构设计紧凑，在执行HEPA（高效空气粒子过滤器）和碘吸附器效率试验时，没有足够的空间保证示踪气体自然分布均匀。三门核电根据现场核空气净化机组的布置，研制并应用了单点喷射注入装置，用于辅助示踪气体均匀分布，该装置注入的示踪剂分布均匀性好，且结构设计简单、经济性好。本文总结单点喷射注入装置的设计、安装和调试方法，为其他核电机组同类型的核空气净化机组的现场试验提供参考。

关键词 AP1000；核空气净化机组；单点喷射注入装置；经济性

中图分类号 TM3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）233-0099-03

核电厂为了降低室内空气和电厂排气的放射性、保护运行人员和公众的安全，HVAC（通风空调）系统设置有核空气净化机组，机组中的HEPA（高效空气粒子过滤器）过滤器过滤气溶胶，碘吸附器过滤放射性气体中的放射性碘。为了确保空气净化机组对放射性的过滤性能，需現场执行核净化机组的过滤效率试验。

AP1000核电机组的厂房空间较小，因此厂房内的核空气净化机组设计紧凑，在进行HEPA过滤器和碘吸附器的过滤效率试验时，示踪气体注入点距离取样点位置过近，缺少气流混合的空间，影响示踪气体样品的代表性。

其他核电项目均采用多点注入装置解决无法混合均匀的问题，三门核电厂根据现场净化机组的实际布置，研制了新型单点注入装置，在解决示踪剂均匀性的同时，简化了注入装置的结构设计，对于部分结构紧凑的核净化机组，能够代替传统的多点注入装置使用，简化试验过程、降低试验成本。

1 单点喷射注入装置的设计

1.1 单点喷射注入装置的结构介绍

单点喷射注入装置由3部分组成：注入集管、注入喷头和固定装置，见图1。注入管由内外两层不锈钢金属管组成，伸入风管内部分弯曲成90度角，内层为压缩空气通道，外层为示踪气体或气溶胶通道。喷头安装在压缩空气管的出口处，导出高速的空气流，用于分散示踪气体或气溶胶。固定装置采用快卸设计方式，试验时将单点喷射注入装置固定在风管壁上，试验结束后可以方便的拆卸下来。

1.2 注入喷头和管道的选型设计

1.2.1 喷头的设计、计算

设计单点喷射注入装置喷头时，需考虑风管直径、风管内气流速度、压缩空气流量和压力等参数，确保注入的试验示踪剂可以均匀的分散到气流中。

由于喷射气流速度远高于风管中气流的速度，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，满足如下经验公式：

若把射流速度U降至U0的1/100处定义为射程，则喷射射程L0 = 620 d。为使喷嘴的射流能够尽量抵达风管的边缘，设计中L0应至少不低于1 000mm，则对应的喷孔直径至少不低于1.6mm。设计中U0取为50m/s，可通过控制压缩空气的输出压力来调整到预定值。

1.2.2 注入管的设计

在三门核电HVAC试验系统中HEPA过滤器均采用DOP法检漏，根据DOP气溶胶的特点，设计时考虑以下因素。

1）由于DOP气溶胶易于沉积和积聚，注入管应选择较大的直径。

2）注入管应可拆卸，并在注入管的最低点设置一个排液口，用于排出积聚的气溶胶液体。

3）管道内壁应光滑，无尖角、毛刺和裂缝，设计选用内壁抛光的不锈钢管。

4）注入管的接口应与DPO发生器相匹配，以便于安装DOP发生器。

5）注入管出口的方向的布置应方便于利用气流进行混合。除特殊情况外，设备布置应避免使管道出口承受来自气流的正向动压。

6）应避免管道急剧拐弯，尽可能少使用弯头。

考虑到以上因素，三门项目使用的单点喷射注入装的注入管具有以下特点：

1）注入管内径设计值为35mm，具有足够大的通径，可减少DOP气溶胶易于沉积和团聚。

2）注入管采用内外壁抛光的304不锈钢管，可减少DOP气溶胶的损耗和沉积；

3）注入管采用快卸法兰的连接方式，可以很方便的与DOP发生器连接；

4）注入管伸入风管部分，采用90度弯头设计，喷射气流与风管内气流方向垂直，加大气溶胶的混合和扩散。

2 单点喷射注入装置的现场验证

2.1 试验方法及过程

1）试验目的。

验证单点喷射注入装置的设计满足空气与气溶胶混合均匀度的要求。

2）试验前提条件。

试验风量应在系统设计风量的±10%以内，且核净化机组已通过密封性检漏试验、风量和气流分布试验。

3）试验方法。

将DOP气溶胶（或其他示踪剂）从单点喷射注入装置引入到系统气流中。试验人员手持探头在高效过滤器排架上游靠近安装排架的平行面上，测出各点所对应的DOP气溶胶浓度。根据测量结果计算出示踪剂的混合均匀度。

4）试验设备。

DOP气溶胶发生器，F-1000-SN-10型；

DOP气溶胶测定仪，F-1000-DD型；

手持DOP探头；

5）验收标准。

各测点示踪剂浓度值与平均值之间的偏差在±20%以内。

2.2 试验结果及性能评价

现场选用放射性废物厂房排风净化机组G-VSSMS-06B进行试验，在净化机组上游风管中预先开设一个试验孔，分别采用3种方式注入示踪气溶胶：

1）单点注入——未使用任何注入装置；

2）单点注入——使用普通的单点注入装置；3）单点注入——使用单点喷射注入装置；

试验分别在两种气溶胶浓度下进行，过滤器排架上游的测点位置见图3，每个过滤器的中心选取一个取样点，在排架截面4个角和两边再选取了6个点，确保取样点的代表性。

从表1的试验结果可见，未使用注入管的混合均匀度结果不符合要求，使用了普通单点注入装置和单点喷射注入装置的均达到了合格指标的要求，但使用单点喷射注入装置的混合均匀度更好，可以在更近的距离内达到混合均匀性。

3 单点喷射注入装置技术特点分析

国内外进行核空气净化系统现场试验的方法，包括DOP（邻苯二甲酸二辛酯）法和荧光素纳法，使用的注入装置只有单点注入装置和多点注入装置。单点注入装置结构最为简单、经济性最好，但只适用于核空气净化系统有最够长的通风管道、能够保证示踪气体自然混合均匀的情况。多点注入装置能够适用于现场结构紧凑、空间狭小的核空气净化系统，但结构复杂、要求试验人员具有丰富的安装调试经验，经济性较差。

三门核电应用的单点喷射注入装置，其特点介于传统的单点注入装置和多点注入装置之间，在部分场合，单点喷射注入装置能够替代多点注入装置，从而降低试验成本和试验难度。

3.1 关键技术与技术难点

本项目的关键技术和难点在于注入装置喷头的选型和现场调试，应根据具体的核空气净化系统的管道布置、系統风量、管道尺寸和通风管道流场进行计算，现场调试时根据注入浓度的分布情况调整压缩空气的注入量，以及喷头上不同方向喷孔的尺寸，以达到最佳的混合均匀效果。

3.2 创新性与先进性

对传统的单点注入装置进行改进，使用压缩空气对注入的示踪气体进行辅助搅浑，以加速示踪气体在取样点前充分的混合。

新型的单点喷射注入装置为创新型试验设备，丰富了核空气净化系统现场试验的示踪气体注入装置的多样性。

4 结论

单点喷射注入装置可以应用于部分结构紧凑的核空气净化机组现场试验中，用于代替传统的多点注入装置，在满足试验要求的情况下，简化试验过程、节约试验成本。

其他核电机组结构类似的核空气净化机组现场试验可以借鉴本文中的设计、安装和调试方法，开发处适用于不同试验工况的单点喷射注入装置。

参考文献

[1]American Society for Testing and Materials.ASME AG-1-2009. Code on Nuclear Air and Gas Treatment[S]

[2]American Society for Testing and Materials.ASME N510-2007. Testing of Nuclear Air Treatment Systems[S].

[3]中国核工业总公司.EJ/T 791-93 核空气净化系统的现场试验[S].

[4]丘丹圭.用于核空气净化系统现场试验的多点注入和多点取样技术[J].中国辐射卫生，2012，21（2）：143-146.

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