核电厂大型自然通风冷却塔对气载流出物扩散的影响

王 炫,杜风雷,王德忠,王一川,王 博*



核电厂大型自然通风冷却塔对气载流出物扩散的影响

王 炫1,2,杜风雷1,王德忠2,王一川3,王 博3*

(1.上海核工程研究设计院有限公司,上海 200233；2.上海交通大学,上海 200240；3.环境保护部核与辐射安全中心,北京 100082)

为深入研究大型自然通风冷却塔及其湿热羽对内陆核电厂气载流出物扩散影响,应用计算流体力学软件STAR-CCM+提供的-湍流模型模拟了单一冷却塔的运行和停机对不同位置、不同释放高度污染物扩散的影响,结果表明:当释放高度为10m,释放点位于停机冷却塔迎风侧时,释放点下风向的地面轴线弥散因子相比于没有冷却塔时普遍降低1/3~1/2.当释放高度为75m,冷却塔运行时,若释放点位于冷却塔迎风侧时,轴线弥散因子相比于没有冷却塔时普遍增大1~2倍;若释放点位于冷却塔背风侧,则相比于没有冷却塔时普遍降低约1/2.当冷却塔停机时,无论75m高度释放点位于迎风侧还是背风侧,其轴线弥散因子均高于没有冷却塔时.当迎风侧释放高度达到150m时,在释放点下风向约800m的范围内,冷却塔湿热羽使得轴线弥散因子显著增大,但到了800m范围以外,冷却塔湿热羽使得轴线弥散因子减小.

CFD；大型自然通风冷却塔；湿热羽；大气扩散；内陆核电厂

随着我国经济建设的快速发展,能源需求和环境保护压力急剧增加,内陆省份对于核电厂的需求愈发强烈[1].内陆核电厂的换热采用基于大型冷却塔的二次循环冷却系统,按照第三代核电技术AP1000机型的设计标准[2],其冷却塔高度可达215m,将显著增加厂址环境地表下垫面的复杂程度,改变厂址近区的风场结构,使得核电厂气载流出物的扩散呈现极大的不规律性[3].

随着大型计算机技术的高速发展以及各种湍流模式的不断完善,利用网格化技术的计算机流体动力学软件(Computational Fluid Dynamics, CFD),通过对建筑物周围风流动所遵循的动力学方程进行数值求解,不仅可以精确获取构筑物的结构特征,还可以模拟其对周边风场以及气载放射性核素扩散的影响,从而最终仿真模拟出接近真实情形的风场和浓度场[4-6].如郭栋鹏等[7]采用CFD和风洞实验模拟和验证了位于立方体建筑物顶部所排放污染物的流动和扩散规律;王博等[8]和蔡旭辉等[9]也分别采用CFD模型模拟了内陆核电厂多个冷却塔对大气流动和湍流场的作用,但上述构筑物的建模均是按照实心考虑的,也没有考虑冷却塔湿热羽对流场的影响.郭栋鹏[10]和Robert等[11-12]分别采用CFD方法模拟了机械通风冷却塔湿热羽的抬升和沉积规律,并采用ChalkPoint现场染色示踪试验验证了模拟结果的准确性,结果表明,CFD方法优于无法考虑建筑物的尾流效应的传统冷却塔湿热羽扩散模型,如SACTI等.Consuegro等[13]和Lucas等[14]分别采用CFD模型模拟了环境温度和风向对机械通风冷却塔湿热羽沉积的影响.而Adam等[15]还采用CFD模型计算了烟塔合一设计中烟囱排放的污染物在冷却塔内部的扩散特征.综上所述,目前国内外主要关注冷却塔湿热羽对周围环境的影响、冷却塔体对污染物扩散的影响、烟塔合一项目污染物在冷却塔内部的扩散以及环境条件对冷却塔湿热羽排放等的影响,但研究重点多是针对火电厂的机械通风冷却塔,对于核电厂大型自然通风冷却塔的CFD模拟基本未见文献报道,同时对于冷却塔湿热羽和自然通风冷却塔底部进风口可能对于污染物扩散的影响也鲜有报道,而Derksen等[16]的风洞实验证实了环境风速与进风强度的相互影响,因此,本研究是国内首次针对自然通风冷却塔底部进风口对局地环流的影响开展研究,并基于三维数值模拟方法建立一套完整参数化建模和计算结果分析方法,揭示冷却塔对气态流出物扩散的影响规律,有效弥补传统示踪实验、湍流观测、风洞实验的不足,极大缩短在核电厂开展大气扩散模式专题研究的周期,显著降低工程成本,具有良好的应用前景.

我国核安全导则《核电厂厂址选址的大气弥散问题》[17]明确指出,在大气静稳时,冷却塔对距电厂几百米范围内的污染物释放具有显著影响.此外,应特别注意释放源和冷却塔的相对高度,特别是对于主导风向平行于冷却塔与源的连线的厂址,在冷却塔运行时,塔的湿热羽将与污染物流相结合;而当冷却塔不运行时,由于塔产生的附加湍流,高架源的地面最大浓度值将增加且位置向源靠近.因此,本文在研究内陆核电厂大型自然通风冷却塔对污染物扩散影响时着重考虑释放点的高度变化、释放点与冷却塔相对位置的变化以及冷却塔湿热羽对于污染物扩散的影响.

1 基于STAR-CCM+的CFD模拟

本文采用STAR-CCM+开展数值模拟计算.STAR-CCM+是CD-adapco集团推出的新一代CFD集成化平台,目前已广泛应用于航天、水运、汽车制造、环境等各行业[18].因标准湍流模型的收敛速度较快,计算量小,工程计算中应用较多[19-20],本文采用标准湍流模型封闭模拟空气运动的Navier-Stokes方程,采用压力耦合方程的半隐算法(SIMPLE)迭代求解离散化后的动量方程,压力修正方程以及湍流动能方程及其耗散率方程等代数方程组[21].

2 k-ε湍流模型的验证

本文选取我国某核电厂址开展室内风洞实验研究,并对-湍流模型的有效性进行验证,验证过程考虑中性天气条件(即D类稳定度),相应的-湍流模型中施密特数取0.6.实验在中国辐射防护研究院环境风洞实验室完成,图1给出了风洞模拟设备示意图.如图所示,该风洞为直流下吹式,风洞洞体全长36m,风速范围0.2~9m/s,其试验段顶板可调节,以减小纵向压力梯度.

根据模拟对象、模拟范围、几何相似和排放条件相似确定实验的模型缩比.山体和反应堆建筑物群体的模型缩比为1:1500.模型表面具有适当粗糙度,维持边界条件和固壁粗糙条件相似.图2给出了风洞实验的缩比物理模型.

图1 风洞模拟设备示意

图2 风洞实验缩比模型

根据核电厂址百米铁塔气象资料,厂址地区环境风速较低,10m高度处的年平均风速为1.5m/s,70m高度处的风速为2.2~2.3m/s.当现场风速较低时,基于根本茂相似准则推算出的实验风速很低,仪器探测存在一定难度.因此,根据雷诺数自准准则的动力相似判据,风洞内的风速按照式(1)来调节.据此调节风洞实验中冷却塔出口处风速为1.24m/s.

式中:为特征速度,即风洞中冷却塔排放口处的实验风速;ec为临界雷诺数,当ec>11000时实现雷诺数自准;为特征长度,取风洞中冷却塔的高度;为粘性系数.

风洞实验一共开展NNW和SSE两个风向方位,针对D类稳定度条件下不同风向的CFD模拟计算结果,分别与风洞实验的测量结果进行比较,如图3所示.其中WT-C代表风洞实验,CFD- C代表CFD数值模拟,DF为大气弥散因子.

图3 CFD模拟结果与风洞实验比较

由图3的比较结果可以看出,总体上,CFD数值模拟结果与风洞实验结果能表现出一致的变化趋势.在NNW方位,CFD的模拟结果略低于风洞实验的结果;在SSE方位,两者的结果非常接近,说明将-湍流模型应用于冷却塔对污染物扩散模拟的分析,是合理可行的.

3 冷却塔湿热羽研究的三维建模及研究假设

借助于CFD模型强大的网格运算和求解能力,利用湍流计算模型模拟核电厂大型构筑物对厂址近区风场的影响,研究单一冷却塔及其湿热羽影响污染物扩散的规律.模拟过程考虑冷却塔正常运行和停机时的高架释放(75m)以及事故工况(冷却塔停机)时的地面释放(10m),释放烟囱的内径为2.5m;烟囱出口排气介质为CO,速率为11.3m/s,源强为1kg/s;烟囱出口温度为环境温度,在模拟过程中不考虑温度的影响,忽略重力作用.计算域的选择遵循来流到构筑物的距离大于3倍建筑物高度、尾流到出口距离大于10倍构筑物高度、两侧与构筑物的距离大于5倍构筑物高度、模拟高度大于3倍构筑物高度等准则[22],本文构筑物的最大高度(冷却塔)为215m,因此,模拟范围为5.0km´2.0km´1.0km,共生成60万个多面体网格,其中,冷却塔网格分辨率为4m,烟囱网格分辨率为0.5m,其他区域最小网格20m,平均40m,如图4,轴为东西方向,为南北方向,为竖直方向,计算区域和冷却塔的边界条件如图5所示.在模拟过程中,10m高度风速取3m/s,风向为西风,假设流场为稳态,大气为不可压缩流体,不考虑地面粗糙度,边界入口风速服从指数分布,风廓线指数取0.18,并考虑D类稳定度.将污染物扩散视为单纯的物理扩散过程,不考虑污染物的干湿沉降和化学变化,最终采用归一化方法处理CFD模型的浓度计算结果,即定义弥散因子(DF值)=计算浓度(MassFraction)/释放点浓度(MassFraction)/释放点体积流量(55.44m3/s).

图4 冷却塔和释放烟囱的三维建模及网格划分

Fig.4 3D Modeling and mesh generation of structures

图5 计算边界设定

4 风场模拟

考虑到冷却塔背风侧对于风场的影响最大,模拟了冷却塔正常运行及停机工况下,冷却塔背风侧距冷却塔底部外壁10m、30m及50m处的风廓线,并与来流进行比较(图略).结果表明3个距离段的风速相比来流明显减弱,并呈现S型的分布.在168m以下,风速降低非常显著;此外,随着下风距离的增加,冷却塔运行时对底部进风口抽吸的影响逐渐减弱,表现在冷却塔运行工况下的低空风速略低于冷却塔停机时,且低空区域的风廓线越来越接近于来流;而在冷却塔顶部区域(约300m~400m),过顶气流均得到微弱加强.

5 浓度场模拟

考虑到释放点与冷却塔的相对位置关系,分别在距离冷却塔底部中心点215m处(1倍冷却塔高度)的迎风侧和背风侧设置释放点,研究冷却塔对污染物扩散的影响,每个释放点考虑10m高度事故释放(此时相应冷却塔已停机,堆芯余热由换料水箱等余热排出系统排出)和75m高度正常释放(包括冷却塔正常运行和停机两种工况),即对比分析了6种模拟方案,如图6.相应释放点下风向气载流出物地面轴线弥散因子如图7.

图6 典型释放条件气载流出物浓度剖面图及扩散轨迹

方案1的释放高度为10m,释放点位于停机冷却塔背风侧,由于冷却塔底部进风口高达14.9m,因此冷却塔上游来风在14.9m的高度下可直接贯穿冷却塔底部,受冷却塔底部进风口上沿机械扰动的影响,风速略微增大,导致冷却塔停机时的地面轴线因子略小于无冷却塔时,但差别不大,说明此方案条件下,冷却塔对污染物扩散没有产生明显影响.方案2的释放点位于停机冷却塔迎风侧,在释放点下风向的距离小于3km的范围内,地面轴线弥散因子相比于没有冷却塔时普遍降低1/3~1/2,主要原因是,在该布局条件下,冷却塔出风口与进风口之间的高度差产生风速差,不仅使冷却塔迎风侧的进风口存在对气流的抽吸作用,冷却塔迎风侧腔体的内部也存在逆时针旋转的湍流和整体向上的气流,使得从释放点释放的污染物大量从冷却塔迎风侧进风口进入冷却塔内部,其中绝大部分随气流从冷却塔顶部排出,少部分直接穿过进风口,到达冷却塔背风侧.此外,由于污染物的扩散受阻而在冷却塔迎风侧有少量聚集使得释放点下风向100m左右的地面轴线弥散因子略大于无冷却塔时.

方案3的释放高度为75m,释放点位于停机冷却塔背风侧,由于高架源释放的污染物受大型冷却塔顺时针尾流的显著影响,其地面轴线弥散因子普遍比无冷却塔时增加约1~2倍,且其最大轴线弥散因子的出现位置提前,数值增大两倍左右.该规律与HAD101/02《核电厂厂址选址的大气弥散问题》中的描述一致,即:“当冷却塔不运行时,由于塔产生的附加湍流,高架源的地面最大浓度值将增加且其位置向源靠近”.方案4的释放点位于停机冷却塔迎风侧,污染物基本上没有进入到冷却塔内部,而是绕流至冷却塔背风侧聚集,进而在冷却塔顺时针尾流作用下形成高浓度区域.虽有少量污染物会通过冷却塔背风侧的进风口进入到冷却塔内部,但污染物轴线弥散因子普遍比没有冷却塔时增大约1~2倍.随着下风向距离的增加,污染物扩散受冷却塔尾流影响逐渐减弱,有无冷却塔时的地面轴线弥散因子趋于重合.

图7 典型释放条件气载流出物地面下风轴线弥散因子

方案5的释放高度为75m,释放点位于运行冷却塔背风侧,地面轴线弥散因子普遍比无冷却塔时降低约1/2.这主要是由于冷却塔运行时,其底部进风口和顶部排出的加速气流,使得该布局条件下污染物的扩散受到影响,改变其扩散轨迹,降低其地面浓度.方案6的释放点位于运行冷却塔迎风侧,地面轴线弥散因子比冷却塔停机时略小.这主要是因为冷却塔运行时部分湿热羽在尾流区下沉裹挟少量污染物向上迁移,同时,背风侧入风口对污染物的抽吸作用也在加强.但污染物轴线弥散因子普遍高于没有冷却塔时,因此,有必要进一步深入探讨运行冷却塔的湿热羽对迎风侧不同释放高度污染物扩散影响程度和范围.

6 冷却塔湿热羽对于污染物扩散的影响

在研究冷却塔湿热羽对于污染物的扩散影响时不考虑水滴的粒径分布和相变过程,仅针对冷却塔产生湿热羽的动力和热力抬升过程对污染物扩散的影响进行模拟分析.水在冷却塔中冷却的过程是对流散热和蒸发散热的过程.湿热羽产生的流量是基于冷却塔能力的经验公式计算所得,包括计算蒸发潜热所得的蒸发损失、风吹损失以及排污损失.湿热羽排放温度以及排放速率也是对流换热以及蒸发散热相结合的经验公式计算所得.相关湿热羽的物理参数如表1,模拟结果如图8.

图8 冷却塔湿热羽对迎风侧不同高度释放的影响

Fig.8 Impact of wet heated plume on the atmospheric dispersion from different release heights

图9 150m释放高度冷却塔和污染物扩散轨迹

由图8可知,在不考虑冷却塔湿热羽水滴相变及湿沉积过程时,对于释放高度为10m、30m和75m的污染物扩散,冷却塔湿热羽几乎没有对污染物扩散造成影响.然而当释放高度达到150m时,在释放点下风向约800m的范围内,冷却塔湿热羽使得轴线弥散因子显著增大,而到了800m范围以外至更远的区域,冷却塔湿热羽使得轴线弥散因子减小,这主要是因为当释放高度达150m时,释放的气载放射性核素在冷却塔背风侧首先受到顺时针尾流的影响而增大了落地浓度,但同时也有相当数量的气载放射性核素受到在尾流影响下沉后再继续上升的湿热羽影响而向上输运和扩散,从而降低了远区的落地浓度,图9较直观显示了冷却塔湿热羽对于150m释放的影响过程.

表1 冷却塔湿热羽物理参数

7 结论

7.1 在冷却塔停机工况下,冷却塔内的加速气流对于迎风区域的流场影响较小.无论是在运行还是停机工况下,受冷却塔扰动的环流均得到加强,且运行工况下的加强程度要高于停机工况;冷却塔背风侧湍流显著减弱,而在冷却塔顶部则形成加强的过顶气流.

7.2 当释放高度为10m,释放点位于停机冷却塔迎风侧时,释放点下风向的轴线弥散因子相比于没有冷却塔时普遍降低1/3~1/2;当释放点位于停机冷却塔背风侧时,轴线弥散因子基本上同无冷却塔时重合,说明冷却塔对于背风侧10m高度的烟囱释放没有产生明显影响.

7.3 当释放高度为75m,冷却塔处于运行工况时,若释放点位于冷却塔迎风侧,污染物轴线弥散因子普遍比没有冷却塔时增大约1~2倍,且随着距离的增加,轴线弥散因子趋于重合.若释放点位于冷却塔背风侧,轴线弥散因子普遍比无冷却塔时降低约1/2.

7.4 当释放高度为75m,冷却塔处于停机工况时,无论释放点位于冷却塔的迎风侧还是背风侧,其下风向轴线弥散因子均高于无冷却塔时,并且当释放点位于冷却塔的背风侧时,其最大弥散因子约增大一倍,且出现位置提前.

7.5 在不考虑冷却塔湿热羽水滴相变及湿沉积过程时,对于迎风侧释放高度为10m、30m和75m的污染物扩散,冷却塔湿热羽几乎没有对其造成影响,然而当释放高度达到150m时,在释放点下风向约800m的范围内,冷却塔湿热羽使得轴线弥散因子增大,到了800m范围以外至更远的区域,冷却塔湿热羽使得轴线弥散因子减小.

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Impact of large natural draft cooling tower on atmospheric dispersion of airborne effluent from nuclear power plant.

WANG Xuan1,2, DU Feng-lei1, WANG De-zhong2, WANG Yi-chuan3, WANG Bo3*

(1.Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute CO., LTD, Shanghai 200233, China；2.Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China；3.Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082, China)., 2018,38(5)：1695~1703

To calculate the impact of large cooling towers and their wet heated plume on the atmospheric dispersion of airborne effluent, the impact simulation of a single cooling tower was conducted under operation and shut down conditions. The atmospheric dispersion of airborne effluent from different release heights at different relative locations was calculated by the-model, and supported by a computational fluid dynamics model, STAR-CCM+. The results showed that when the release point was at a height of 10m and located on the windward side of a shut down cooling tower, the ground centerline dispersion factors downwind generally decreased to 1/3~1/2 compared with those in the absence of the cooling tower. In addition, when the release point was at a height of 75m, and located on the windward side of an operating cooling tower, the dispersion factors generally increased 1~2 times compared with those in the absence of the cooling tower. However, if the release point located on the leeward side of an operating cooling tower, the dispersion factors generally decreased to 1/2 compared with those in the absence of the cooling tower. When the cooling tower was shut down, the dispersion factors of 75m release height were higher than those without the cooling tower, regardless of the release point location was on the windward side or leeward side of the cooling tower. Compared with a shut down cooling tower, when the release point was at a height of 150m, and located on the windward side of an operating cooling tower, the wet heated plume increased the dispersion factors within approximately 800m downwind, but at the distance beyond 800m, the dispersion factors began to decrease.

CFD；large natural draft cooling tower；wet heated plume；atmospheric dispersion；inland nuclear power plant

TL48,X51

A

1000-6923(2018)05-1695-09

2017-11-07

国家科技重大专项(2013ZX06004-008)

王 炫(1983-),男,陕西西安人,高级工程师,上海交通大学博士研究生,主要从事核事故应急研究.发表论文20余篇.

* 责任作者, 高级工程师, wangbo@chinansc.cn