核電廠通風系統引壓管布置的分析與改進

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

核電廠通風系統是核電廠不可或缺的組成部分，一般可以分為送風系統和排風系統。送風系統用于將室外的空氣經過濾器吸附、換熱盤管熱交換后送入房間內，為廠房的設備和人員提供一個較為適宜的溫、濕度環境，同時也能避免廠房內的灰塵、氣溶膠的形成，降低廠房內活化產物；排風系統則用于將室內空氣采用預過濾器、高效過濾器的方式進行處理后排放，部分系統還采用HEPA過濾器和碘吸附器用于吸附氣溶膠和放射性碘。同時，排風系統和送風系統可以共同營造房間內正、負壓的工況，用于提高居留時間或防止放射性物質的擴散。

核電機組調試和運行實踐中，因引壓管布置問題導致正負壓失當、壓差表顯示錯誤等現象屢見不鮮，進而影響了上述功能的正確實現。本文通過具體的案例分析，結合理論推導和現場調試實踐，找出上述問題的根本原因，并通過變更取壓位置的方式保證了儀表的準確測量。

1 通風系統調試過程中常見的引壓管的布置問題

引壓管是儀表的一類簡單支持部件，用于將設備和系統的內部壓力引導至壓力表或者壓力傳感器上；甚至某些孔板流量計的測量也是將不同部位引壓管獲取的差壓傳送至傳感器，轉變為流量信號。引壓管在核電廠通風系統的用戶一般可以分為壓力開關(SP)、差壓式流量開關(SD)以及壓差儀表(LP)等類型。

某核電廠通風調試期間多次出現過濾器壓差表偏差過大/超量程、過濾器壓差表讀數為負以及房間正負壓顯示錯誤等事件，經多方分析驗證表明，多系引壓管的布置不當所致。

1.1 引壓管的正負壓引出錯誤致使壓力輸出與需求相反

壓力開關和正負壓表是判斷房間正負壓和進行邏輯判斷的重要因素，而兩者的引壓管的布置在通風系統中也是最為簡單的類型：一根引壓管伸入房間或者風管，另外一根伸入房間和風管外的其他房間，高低壓端再分別與儀表的相應端連接。

以核燃料廠房通風系統(DVK)為例，核燃料大廳需求為負壓，但經過對孔洞封堵、風量精調等多番處理后就地壓力表仍顯示不理想，最終發現正負壓端的引出錯誤是根本原因；又以主控室空調系統(DVC)為例，設置龍卷風閥用來防止災害天氣造成的外部空間大負壓對主控室的不利影響，引壓管的引出方式與儀表的校驗定值不匹配將致使該功能無法實現。以上問題均為常見問題，倘若不加以處理，核電廠放射性滯留的功能將無從談起。

1.2 引壓管的布置不當致使過濾器壓差為負或者為零

過濾器的壓差是判定過濾器堵塞程度的關鍵因素，因此現場過濾器阻力的確定對于通風系統的有效運行有著非常重大的意義。經驗數據表明，過濾器的終阻力是初阻力的2～3倍時即需進行更換。某核電通風系統過濾器的壓差監測是通過連接在其上下游的膜盒式壓差計實現的，因而引壓管的布置尤為關鍵。

調試實踐發現，部分過濾器更換頻率超出了預期水平，甚至達到了每半個月即需更換的地步，還有部分過濾器剛完成安裝壓差計就顯示為零。經核實，這些過濾器均未達到堵塞失效水平。以上種種造成了過濾器的頻繁更換，浪費了大量的人力物力，增加了固體廢物的產生量，給維護維修工作造成了極大的困擾，同時更換工作中需停運相關系統，給機組增加了I/O(設備或系統不可用)負擔。

針對該類無法正確判定更換時間的現象，根據同行電廠經驗總結引進了初阻力法[1]：安裝過濾器后得到壓差計的讀數P1作為過濾器的初阻力，從而確定過濾器的更換阻力P2=2P1；但這種方式仍存在一定誤差，需要在系統運行過程中通過加強巡檢和監測的方式進行彌補，實際操作中又要對具體系統的具體過濾器建立數據檔案，并未在根本上解決此類問題。在排除引壓管堵塞、壓差計損壞、系統密封不嚴等多種因素后，認定引壓管的布置方式不合理、安裝時未考慮空氣流體的動靜壓轉換是其根本原因。

如圖1所示，以安全殼連續通風系統(EVR)為例，在新裝初效過濾器(001FP)后，膜盒式壓差計指向零位，無法正確讀數；在外接獨立壓差計測得001FP壓差為-0.08 kPa，其中高壓側壓力(HP)為-0.73 kPa，低壓側壓力(LP)為-0.65 kPa。

圖1 EVR儀表及引壓管安裝示意圖Fig.1 The meter and pipe erection of EVR

由圖1可知，壓差表(001LP)的高、低壓的儀表測量管線均垂直插入風道，但高壓側風管截面積明顯小于低壓側截面積(S1

V1S1=V2S2

(1)

和單位質量流體的伯努利方程(δW視為過濾器引起的損失):

(2)

因此可以得出過濾器兩端的壓差理論值：

(3)

由式(3)可知過濾器兩端的壓差計測量值并非真實值，與標高(h2、h1)、風速(V2)、截面積(S1、S2)等有必然聯系，壓差計失去了對過濾器的監測功能。

1.3 引壓管的取壓位置不符合要求致使過濾器壓差表偏差較大

GB/T 1236—2000[2]認為只要靜壓測量探頭布置得當，測量精度就會滿足要求。但是經研究發現，由于風室內氣體流動處于層流區或過渡區和回流的緣故，靜壓在同一測量截面上沿水平徑向呈不均勻分布，其不均勻程度與流量和管道當量直徑相關[3]。

(4)

其中為保證同一截面取點的有效性，取點需距離壁面約為風道直徑的1/8(圓形風道)或管道寬度的1/8(矩形風道)[4-5]。

此外，為了測量準確的數值，取壓點盡量選擇在過濾器兩側的直管段上。通常測量點的上游直管段長約大于4～5倍、下游直管段長約大于2～3倍當量直徑[6]。

但是對于在線測量壓差表，囿于成本、系統布置等因素，上述測量方式在工程實踐中顯然不便于實現。一般來說，引壓管布置在小室或風管的側壁，并僅能測取一個位置的靜壓，由于紊流等的存在，該處測取的壓力不具有代表性，測量誤差也就不可避免地出現。這種現象幾乎在每個通風系統上都有所體現。

2 調試過程中對引壓管的優化與改進

2.1 從需求側出發，對引壓管正負端進行變更

常見的需求分為房間正負壓、觸發高低報警/聯鎖等幾種，從系統要求出發就可以很方便的確認引壓管的高、低壓端。而對于類似于龍卷風閥這個與具體事件相關的壓力控制則需要從以下三個方面進行需求分析：1)事件形態，比如龍卷風的特點是在核心部分形成的400 hPa左右的負壓區，吸引周圍空氣向中心部位集中；2)儀表檢定的是高報觸發還是低報觸發；3)引壓管的取壓位置。只有在以上三者相互匹配的情況下才能確保設計功能的實現。

2.2 結合伯努利原理，分析動靜壓轉化，修改引壓管取壓位置

如3.2節分析所述，根據伯努利方程可知,風管截面積發生變化時風道內的動靜壓會發生轉換，這種變化將直接影響過濾器壓差值的真實性。為根除這種影響，調試人員對全廠通風系統進行了摸底排查，對核燃料廠房通風系統(DVK)、安全殼空氣凈化系統(EVF)等多個通風系統進行了變更。以EVF為例，改造前005 LP高壓側位于通風小室內，低壓側位于風管內，截面積相差近10倍，儀表讀取值嚴重失真。在將005 LP低壓側引壓管移至圖2所示位置(實虛線為變更前，虛線為變更后，可與003 LP低壓側共用一根引壓管)后測試首次安裝的過濾器壓差值為182 Pa，符合過濾器性能要求。

2.3 變更取壓點，避開紊流區，提高測量數據的可靠性

風道內的紊流是通風系統的關鍵難題。某核電廠通風過濾器采用固定在排架上的方式進行安裝，部分過濾器如預過濾器和中效過濾器通過背靠背的方式安裝在同一個排架的兩側，因此過濾器壓差監測的僅僅是某個單片過濾器的實際壓差。為保證過濾器的更換不至于太早又不至于太晚，在濾芯的利用率和功能性上得以兼顧，對小室內取壓點的評估尤為重要。經驗表明，因為壓差平衡的作用，當某片過濾器吸塵較多而壓差過高時，風量不可避免變小，從而使得其他過濾器通風量增大、吸塵量增加。即同一組過濾器運行壓差基本一致，一片過濾器壓差超標時，其余過濾器都接近超標。

對此，調試實踐是：

1)將過濾器兩側的引壓管延伸到同一水平上，為剔除其他因素影響，同時根據壓差平衡的原理，一般選取為最中心一片濾芯的位置；

2)在過濾器安裝前啟動風機，觀察壓差計的讀數是否指向零位并對引壓管位置作出微調，盡量減少誤差。

然而調試過程中，核燃料廠房通風系統壓差表(006 LP)超量程，尤其是其低壓側端達到-3 200 Pa，在反復利用上述方法對取壓點進行調節后仍無法奏效。分析認為，006LP低壓端取壓口與調節閥和風機入口段相距過近且無過渡風管，離心風機入口產生的預旋和調節閥的節流作用對壓力波動產生極大的影響[7]，從而產生極不穩定的紊流區。實踐在將該調節閥置于70°～90°后，風管內的氣體流動形態趨于平穩，超壓現象得到極大的緩解。為維持系統原設計功能，實踐中一般在過濾器初裝時將該調閥設置為70°來滿足過濾器輕微堵塞后風量調節的需要。同時利用等比例法重置上游閥門，將該調節閥的風量調節功能轉移到上游閥門，確保滿足設計風量要求的同時不致使風管承壓過大。

3 結論

通過以上分析可知引壓管的布置問題是通風系統壓差類儀表測量值失真的根本原因，主要表現為正負壓的引出錯誤、引壓管的布置不當以及引壓管的取壓點不符合流體力學的要求。為避免此類問題的重復發生，建議如下：

1)系統調試前必須明確特定系統或儀表的工藝功能，也就是說從研究需求出發；

2)在取壓點所在的截面積發生變化時須分析動靜壓的轉化，在調試準備階段可以通過查閱施工圖紙，即可準確地預判這種可能的發生；

3)在取壓點不可避免地處于彎頭或風機入口或閥門附近時即需著重考慮紊流的影響，此時則通過現場調整取壓點避開紊流區或者消除紊流存在的條件。

4 結束語

綜上可知，某核電廠通過對通風系統引壓管的優化和改造，有效地保證了通風系統作為輻射防護的屏障功能，避免了因取壓口不當而喪失了對事故災害的防御能力，還提高了測量數據的可靠性。為過濾器的維護維修工作提供了最為真實的參考數據，節省了大量的人力物力，從細微之處實踐了節能、減排、增效目標。