內(nèi)陸核電廠低環(huán)境流速下多孔擴散器方案研究

張琨，張愛玲，覃春麗，王韶偉

(1.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京　100082；2.中廣核集團蘇州熱工研究院，江蘇蘇州　215004)

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內(nèi)陸核電廠低環(huán)境流速下多孔擴散器方案研究

張琨1，張愛玲1，覃春麗2，王韶偉1

(1.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京100082；2.中廣核集團蘇州熱工研究院，江蘇蘇州215004)

我國對于內(nèi)陸核電廠液態(tài)流出物的排放有著嚴格要求，為滿足相關規(guī)定，可采用多孔擴散器對流出物進行充分稀釋。以我國某內(nèi)陸核電廠多孔擴散器的設計方案為研究對象，利用CORMIX軟件從多孔擴散器主管長度、射流角度、近岸或離岸布置三個影響因素出發(fā)，對設計方案進行比選。由比選結(jié)果可知，扇形噴口形式略優(yōu)于平行噴口多孔擴散器；擴散器主管長度越長、離岸距離越遠，越有利于排放口下游的初始摻混稀釋。同時通過對10-1m/s、10-2m/s和10-3m/s 三種不同環(huán)境流速下特定排放方式稀釋情況的比較，發(fā)現(xiàn)對于不同的環(huán)境流速，其最佳排放方式不同。

內(nèi)陸核電廠；液態(tài)流出物；多孔擴散器；CORMIX

《核動力廠環(huán)境輻射防護規(guī)定》(GB 6249—2011)和《核電廠放射性液態(tài)流出物排放技術要求》(GB 14587—2011)對我國內(nèi)陸核電廠液態(tài)流出物的排放提出了嚴格的管理要求，明確指出：“對于內(nèi)陸廠址，槽式排放出口處的放射性流出物中除氚和14C外其他放射性核素濃度不應超過100 Bq/L，并保證排放口下游1 km處受納水體中總β放射性不超過1 Bq/L，氚濃度不超過100 Bq/L”。這一要求不僅規(guī)定了核電廠槽式排放口的排放濃度，而且從水環(huán)境保護角度規(guī)定了受納水體在排放口下游1 km處的濃度要求。我國內(nèi)陸核電廠的受納水體流量呈現(xiàn)時空分配不均的現(xiàn)象，整體來說，環(huán)境水體的流速范圍一般在10-4～1 m/s量級區(qū)間。在這種低環(huán)境流速下，采用常規(guī)排放方式時，下游1 km處氚濃度難以滿足GB 6249的要求，只能通過安裝擴散器對流出物進行充分稀釋擴散，以盡量降低其在下游1 km處的濃度[1]。

擴散器可以加快排放物與環(huán)境水體的摻混，使排放物的濃度盡快降低，在工程實踐中的應用越來越多[2]。在排放物與環(huán)境條件確定的情況下，擴散器的設計形式會直接影響流出物的稀釋，如何使擴散器的設計最優(yōu)化是設計中需要考慮的重要問題。擴散器的設計參數(shù)較多，對于擴散器主管，有直徑、長度等；對于噴口，有數(shù)量、高度、面積、出流夾角等；對于布置形態(tài)，有高度、與主流向夾角等。本文主要分析擴散器主管長度、射流角度和離岸距離三個因素對稀釋擴散的影響，假定的環(huán)境流速為10-1～10-3m/s量級。

1　計算程序

康奈爾混合區(qū)專家系統(tǒng)(Cornell Mixing Zone Expert System，CORMIX)是一項水動力混合區(qū)模擬與決策支持系統(tǒng)，由美國康奈爾大學于1996年開發(fā)并持續(xù)更新完善[3-4]。目前國內(nèi)常用的數(shù)值模型對浮射流考慮不充分，而CORMIX是在浮射流理論分析和物理模型實驗的基礎上進行開發(fā)，著重考慮擴散器的幾何參數(shù)和近區(qū)浮射流摻混影響。因此，CORMIX是美國國家環(huán)保局認可的用于液態(tài)流出物排放的混合區(qū)環(huán)境影響評價模擬和決策支持系統(tǒng)。

CORMIX在國外核電廠及其他污水排放工程中應用較為廣泛。美國大部分核電廠采用CORMIX對沿海和內(nèi)陸核電溫排水的混合區(qū)進行數(shù)值模擬，Callaway和Bell Bend核電廠還應用CORMIX計算了以氚為代表的保守物質(zhì)的稀釋倍數(shù)和分布區(qū)域[5-6]。此外，在常規(guī)污染物排放工程中也廣泛應用CORMIX開展多孔擴散器設計和混合區(qū)模擬，如加拿大Santa Rosa再生水處理工程。

2　算例基本參數(shù)

本文算例的基本參數(shù)如下：

(1)水文情況：受納水體為不規(guī)則矩形河道，寬度約900 m，水深約18 m，河長至少大于1 000 m，曼寧系數(shù)n=0.025，河流流速為10-3m/s量級，環(huán)境水溫為27℃。

(2)排放水體情況：排放水體流量為0.42 m3/s，水溫為32℃，污染物類型為保守物質(zhì)，即不考慮衰變。假設污染物出口濃度為1個單位，在理想狀況下，污染流與環(huán)境水體完全均勻混合后，其最大稀釋倍數(shù)Smax為142.5，Smax=排放流量/(排放流量+河水流量)。

(3)多孔擴散器情況：擴散器位于左岸，近河底布置；擴散器主管與河流主流向呈45°夾角；噴口直徑為0.1 m，噴口出流軸線與上升管垂直，噴口數(shù)量為30個；流速比R約為434。

3　多孔擴散器模擬方案

根據(jù)擴散器主管長度、射流角度和離岸距離的不同，采用4種多孔擴散器進行模擬研究，分別如下：方案1，近岸布置的平行噴口擴散器(擴散器長度為26 m)；方案2，近岸布置的扇形噴口擴散器(擴散器長度為26 m)；方案3，近岸布置的扇形噴口擴散器(擴散器長度為150 m)；方案4，離岸布置的扇形噴口擴散器(擴散器長度為150 m)。

4種擴散器方案的平面布置如圖1所示。其中，方案1為平行噴口多孔擴散器，方案2～方案4為扇形噴口多孔擴散器。與方案1的平行噴口多孔擴散器相比，方案2僅在噴口的布置形式上不同，方案2為扇形噴口多孔擴散器；方案2與方案3的不同之處在于擴散器主管的長度，方案2的主管長度為26 m，方案3為150 m；方案3與方案4的不同之處在于離岸距離，方案3為近左岸布置，方案4為離左岸120 m。

4　多孔擴散器模擬結(jié)果

在4種多孔擴散器方案作用下，利用CORMIX可計算得到排放口下游1 000 m斷面處的稀釋倍率，結(jié)果如圖2所示。計算結(jié)果顯示，在相同水文條件下，方案1斷面最小稀釋倍數(shù)為81.5，方案2為89.7，方案3為101.5，方案4為107.1。其中，方案2為扇形噴口形式，方案1為平行噴口布置形式，方案2最小稀釋倍數(shù)大于方案1，表明就有利于排放口下游的初始摻混稀釋而言，扇形噴口形式略優(yōu)于平行噴口多孔擴散器；方案2擴散器長度為26 m，方案3擴散器長度為150 m，均為近岸布置，方案3最小稀釋倍數(shù)大于方案2，表明擴散器主管長度越長，越有利于排放口下游的初始摻混稀釋；方案3的擴散器為近岸布置，方案4離岸距離為120 m，方案4最小稀釋倍數(shù)大于方案3，表明擴散器離岸距離遠的工況更有利于排放口下游的初始摻混稀釋。

扇形噴口的布置、更長的擴散器長度、更遠的離岸距離，這3個因素都是盡可能地增加初始摻混的水體，以加強稀釋效果。通過數(shù)值試驗驗證，在環(huán)境流速和排放量相同的情況下，就排放口下游的初始摻混稀釋而言，扇形噴口多孔擴散器略優(yōu)于平行噴口多孔擴散器；在扇形多孔擴散器中，擴散器主管長度長的工況和擴散器離岸距離遠的工況，有利于排放口下游的初始摻混稀釋。

圖2　4種方案排放口下游1 000 m斷面處的稀釋倍率Fig.2　The dilution ratios of four schemes at 1000m downstream of outfall

5　不同流速下擴散器稀釋倍率比較

分別在10-1m/s、10-2m/s和10-3m/s的不同環(huán)境流速下對方案4中擴散器的稀釋倍率進行比較，利用CORMIX可計算得到排放口下游1 000 m斷面處的稀釋倍率，如圖3所示。環(huán)境流速在10-3m/s量級時，排放口下游1 000 m處理論上最大稀釋倍數(shù)為142.5，采用排放方案4這種擴散器后，排放口下游1 000 m處最小稀釋倍率可達110；環(huán)境流速在10-2m/s量級時，排放口下游1 000 m處理論上最大稀釋倍數(shù)為1 425，采用排放方案4排放口下游1 000 m處最小稀釋倍率約為115；環(huán)境流速在10-1m/s量級時，排放口下游1 000 m處理論上最大稀釋倍數(shù)Smax可達到14 250，采用排放方案4排放口下游1 000 m處最小稀釋倍率僅為430。

從圖3可以看出，對于排放方案4，隨著環(huán)境流速的增大，斷面最小稀釋倍率也隨之增大，但其增大的速度與環(huán)境流速的增大不成比例。環(huán)境流速從10-3m/s量級增大到10-1m/s量級時，排放口下游1 000 m處理論的最大稀釋倍數(shù)增大100倍，而最小稀釋倍率從142.5增加到430，僅增加了2倍。這說明排放方案4在環(huán)境流速為10-3m/s量級時稀釋效果較好，10-1m/s和10-2m/s量級并不是最佳排放方案。

對于某種特定的排放方式，隨著環(huán)境流速的減小，斷面最小稀釋倍率也隨之減小，但其減小的速度與環(huán)境流速的減小不成比例。因此，對于不同的環(huán)境流速，其最佳排放方式是不同的。

圖3　不同環(huán)境流速下方案4排放口下游1000m斷面處的稀釋倍率Fig.3　Dilution ratios of no.4 scheme at 1000m downstream under different environmental flow rates

6　結(jié)語

常規(guī)二維模型在進行污染物質(zhì)在水體中的稀釋擴散模擬時，不能反映由于擴散器形態(tài)不同造成的結(jié)果差異，物理模型實驗可以實現(xiàn)該目的，但花費大、周期長。CORMIX軟件可以彌補這方面的不足，采用簡單可行的方法對擴散器進行設計。

美國在應用多孔擴散器時，一般為近岸設置且主管長度一般不超過40 m。因此，我國在設計多孔擴散器時，不僅應從理論計算上追求稀釋倍率的最大化，還應綜合考慮工程實際應用經(jīng)驗，以達到最優(yōu)化的目的。

[1]張愛玲, 王韶偉, 趙懿珺, 等. 濱海核電廠溫排水環(huán)評關鍵問題分析[J]. 環(huán)境影響評價, 2015, 37(3): 57- 60.

[2]翟海波. 污水海洋處置近區(qū)初始稀釋研究[D]. 上海: 同濟大學, 2002.

[3]USEPA. CORMIX USER MENUAL[Z]. 2007.

[4]劉永葉, 楊陽, 劉福東. 康奈爾混合區(qū)專家系統(tǒng)(CORMIX)軟件簡介[J]. 輻射防護通訊, 2012, 32(1): 42- 45.

[5]PPL Bell Bend, LLC. Bell Bend Nuclear Power Plant Combined License Application Part 3: Environmental Report[R]. USA, 2012.

[6]AmerenUE. Callaway Plant Unit 2 Combined License Application Part 3: Environmental Report[R]. USA, 2009.

Study of Porous Diffuser Scheme of Inland Nuclear Power Plant under Low Flow Condition

ZHANG Kun1, ZHANG Ai-ling1, QIN Chun-li2, WANG Shao-wei1

(1.Nuclear and Radiation Safety Centre, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082, China;2.Suzhou Nuclear Power Research Institute, China General Nuclear Power Corporation, Suzhou 215004, China)

The requirements for the radioactive liquid effluent discharge of inland nuclear power plant are strict in China. In order to meet these relevant regulations, the porous diffuser can be used to fully dilute the effluent discharge. This paper took a porous diffuser scheme of inland nuclear power plant as the case study. CORMIX was used to compare and analyze the design scheme based on three factors, including main pipe length, flow angle, and inshore or offshore arrangement. The result suggested that the fan-shaped vents were better than the parallel ones; long main pipe was better than the short one; and long offshore arrangement was better than the short one. At the same time, by comparing the dilution situations under different environmental flow rates, such as 10-1m/s, 10-2m/s and 10-3m/s, it was found that the optimal way of discharge was different under different environmental flow rates.

inland nuclear power plant; liquid effluent; porous diffuser; CORMIX

2015-05-25

張琨(1986—)，女，河北石家莊人，工程師，碩士，研究方向為核電廠環(huán)境影響評價，E-mail：zhangkun@chinansc.cn

張愛玲(1973—)，女，山東濰坊人，研究員，碩士，研究方向為核電廠環(huán)境影響評價，E-mail：zhangailing@chinansc.cn

10.14068/j.ceia.2016.05.015

X124；TV134

A

2095-6444(2016)05-0059-04