放射性廠房不同送風過濾器組合對排風過濾器壽命的影響

上海核工程研究設計院有限公司 陳治清 顧明偉

0 引言

核電廠通風系統(tǒng)的放射性廢物主要來源于從放射性場所排風凈化系統(tǒng)更換下來的核用空氣過濾器。為滿足抗震及低泄漏的要求，核用空氣過濾器均采用鋼制外框和不可拆卸的濾芯結構，其廢物處理減容比小于3，即使經(jīng)過減容處理，放射性報廢過濾器仍是核電廠的主要放射廢物。美國能源部下屬的4個核設施中放射性場所使用的高效空氣過濾器的采購、更換、現(xiàn)場泄漏測試、壓縮減容及打包、運輸和裝卸、最終處置等全壽命周期的成本分解結果顯示，低放射性區(qū)域空氣過濾器的平均采購成本僅占全壽命周期成本的15%[1]。面對高昂的放射廢物處置費用，減少核電廠等核設施場所放射性過濾器的更換數(shù)量可有效節(jié)約核設施運維成本，是實現(xiàn)核設施放射性廢物最小化的一項重要舉措。

本文通過對不同送風過濾器組合的過濾效率、阻力進行實測，分析送風系統(tǒng)設置不同的過濾器組合時，排風系統(tǒng)凈化過濾器的容塵負荷及壽命情況；探討送風系統(tǒng)的過濾器采用F5+F8組合較采用G4+F7組合的經(jīng)濟性。

1 典型放射性廠房排風凈化過濾器的容塵負荷計算

放射性廠房的通風系統(tǒng)常采用直流式送、排風，送風量略小于排風量，以保證廠房相對于室外為負壓；送風系統(tǒng)的空氣處理機組設置于廠房干凈區(qū)域，設有G4+F7兩級過濾；排風凈化系統(tǒng)設置核用中效過濾器+核用高效空氣過濾器兩級過濾，以攔截排風中的放射性顆粒物，核用高效空氣過濾器對0.3 μm粒徑擋的顆粒物的過濾效率≥99.97%[2]，可認為能把粒徑≥0.3 μm的顆粒物全部捕集，避免廠房內(nèi)放射性顆粒物釋放至室外大氣中。放射性廠房內(nèi)顆粒物的濃度平衡關系如圖1所示。

注：Co為室外顆粒物濃度；Ci為室內(nèi)顆粒物濃度；Cc為排風顆粒物濃度(凈化處理后)；Qo為通風系統(tǒng)送風量；Qe為通風系統(tǒng)排風量；Qp為圍護結構滲風量；Gs為室內(nèi)顆粒物沉降量；Gr為室內(nèi)表面顆粒物揚塵量；G為室內(nèi)人、物產(chǎn)塵量；ηo為送風過濾效率；ηe為排風過濾效率；p為圍護結構滲透系數(shù)；V為室內(nèi)體積。圖1 放射性廠房內(nèi)顆粒物的濃度平衡關系

假設送風、排風、室內(nèi)產(chǎn)塵等對室內(nèi)顆粒物濃度的影響均為穩(wěn)態(tài)過程，室內(nèi)顆粒物均勻分布，各類顆粒物污染源產(chǎn)生的顆粒物進入室內(nèi)后即刻在室內(nèi)空氣中擴散，且顆粒物在室內(nèi)不發(fā)生凝并、再分散過程，則室內(nèi)顆粒物濃度平衡方程式為

Qo(1-ηo)Co+(Qe-Qo)pCo+

Gr+G=Gs+QeCi

(1)

定義Gi為室內(nèi)顆粒物源顆粒物凈發(fā)生量，Mi為室內(nèi)單位體積產(chǎn)塵量。

Gi=Gr+G-Gs

(2)

Gi=VMi

(3)

定義送、排風量的關系為Qo=kQe，對于放射性廠房，0

(4)

定義排風凈化過濾器的容塵負荷為M，即單位時間內(nèi)攔截的顆粒物量為

M≈QeCi

(5)

由式(4)、(5)可知，排風系統(tǒng)凈化過濾器的容塵負荷主要影響因素包括送排風量比例、排風總量、圍護結構滲透系數(shù)、送風過濾器過濾效率、室內(nèi)產(chǎn)塵量等。在送、排風量已知的條件下，提高進風過濾效率ηo和圍護結構的氣密性均可有效降低排風凈化系統(tǒng)過濾器的容塵負荷。

室內(nèi)產(chǎn)塵量Mi增大將導致排風凈化系統(tǒng)過濾器容塵負荷增大。核電廠內(nèi)除放射性廢物處理廠房中的減容、打包工藝房間外，多數(shù)放射性廠房、區(qū)域在大部分時間內(nèi)無機械打磨、機械操作、人員活動等產(chǎn)塵工序，其室內(nèi)產(chǎn)塵量Mi近似為0。

2 不同過濾器組合的過濾效率實測

核電行業(yè)內(nèi)較常用的過濾器等級評價標準EN 779：2012根據(jù)空氣過濾器的過濾效率將其分為9個級別，對G1、G2、G3、G4級的空氣過濾器采用人工塵平均計重效率分級，對F5(M5)、F6(M6)、F7、F8、F9級的空氣過濾器根據(jù)計數(shù)效率實驗得到的0.4 μm粒徑擋的平均計數(shù)效率分級[3]。根據(jù)相應的評級結果，無法獲知過濾器組合對不同粒徑擋的過濾效率及對顆粒物的計重過濾效率，無法直觀地評價其對排風凈化過濾器的保護作用。

隨機選取G4～F8過濾器各1臺，組成G4+F6、G4+F7、G4+F8、F5+F6、F5+F7、F5+F8共6種空氣過濾器組合進行初始效率試驗?？諝膺^濾器性能試驗臺原理如圖2所示。

圖2 空氣過濾器性能試驗臺原理圖

該試驗臺按照EN 779：2012搭建，主要構件有進氣口預過濾器、變頻風機、噴口流量計(流量測量裝置)、高效過濾器、混合室、粒子計數(shù)器、風管部件等。變頻風機通過改變電動機頻率實現(xiàn)風量調(diào)節(jié)，從而滿足試驗中的風量變化需求。流量測量裝置采用噴口流量計，可根據(jù)噴口標準件前后的壓差實現(xiàn)準確測量風量。氣溶膠發(fā)生裝置用于發(fā)生人工氣溶膠，由于大氣塵濃度不定，瞬息變化，為避免空氣過濾器計數(shù)效率測試過程受外界因素影響，采用粒徑分布穩(wěn)定的人工氣溶膠作為試驗氣溶膠?；旌鲜覟橐混o壓箱，一方面可實現(xiàn)氣流穩(wěn)定作用，另一方面可實現(xiàn)試驗發(fā)生的人工氣溶膠在其內(nèi)均勻分布，使得受試空氣過濾器前后采樣處的氣溶膠分布均勻，減小試驗誤差。受試空氣過濾器組合前后設置有氣溶膠采樣口，通過粒子計數(shù)器對受試空氣過濾器前后空氣中的顆粒物濃度進行測量。顆粒物的計數(shù)濃度監(jiān)測采用BCJ-1激光粒子計數(shù)器，一次采樣即可測試得到≥0.3、≥0.5、≥0.7、≥1.0、≥2.0、≥5.0 μm共6個粒徑擋顆粒物的計數(shù)濃度。采樣流量設為2.83 L/min，每min采樣一次。根據(jù)實測空氣過濾器組合上下游顆粒物計數(shù)濃度，計算得到0.3～0.5、0.5～0.7、0.7～1.0、1.0～2.0、2.0～5.0、≥5.0 μm共6個粒徑區(qū)間的上、下游顆粒物粒徑分布及過濾器組合對相應粒徑擋的過濾效率，結果見表1。受試空氣過濾器組合前后設置壓力傳感器，可測得受試空氣過濾器組合的前后壓差，結果見表2。

表1 各組合過濾器不同粒徑擋的實測過濾效率(額定風量3 400 m3/h)

表2 各組合過濾器初阻力實測結果(額定風量3 400 m3/h) Pa

因本文主要討論不同送風過濾器組合對排風凈化過濾器單位時間內(nèi)的容塵負荷影響，需將實測得到的過濾器組合對各粒徑擋的計數(shù)效率轉(zhuǎn)化為對粒徑≥0.3 μm的顆粒物的計重效率。對于試驗用的癸二酸二辛酯(DEHS)氣溶膠，不同粒徑擋的密度一致，但同一粒徑擋內(nèi)顆粒物粒徑并不一致，需假設每個粒徑擋內(nèi)顆粒物粒徑一致，將各粒徑擋的平均粒徑di(某粒徑擋下限粒徑dl和上限粒徑du的幾何平均值)作為代表粒徑[4]，空氣過濾器對粒徑≥0.3 μm的顆粒物的計重過濾效率η≥0.3可由式(8)計算得到，計算結果見表1，表中取≥5.0 μm粒徑擋的顆粒物平均粒徑為5.00 μm。

(6)

(7)

(8)

式中Niu為受試空氣過濾器上游粒徑擋i區(qū)間的

由表1可知，當預過濾器級別相同時，過濾器組合的η≥0.3隨著末級過濾器等級的升高而升高，但過濾器組合的過濾效率不完全由末級過濾器決定，預過濾器的級別提升可顯著提升過濾器組合的η≥0.3，如試驗測得F5+F6高于G4+F7、G4+F8，F(xiàn)5+F7高于G4+F8。由表2可知，過濾器組合F5+F6初阻力與G4+F7初阻力相差不大，而F5+F7的初阻力則小于G4+F8。若僅從初始效率、初始阻力角度考慮，本試驗的空氣過濾器組合中，F(xiàn)5+F6優(yōu)于G4+F7、G4+F8，F(xiàn)5+F7優(yōu)于G4+F8。

3 案例分析

以某地某日室外實測大氣塵粒徑分布均值(見表3)作為通風系統(tǒng)的進風顆粒物粒徑分布，分析某核電廠廢物暫存庫的送風系統(tǒng)設置不同空氣過濾器組合時，其排風系統(tǒng)凈化過濾器的容塵負荷變化。

表3 實測大氣塵粒徑分布

該放射性廢物暫存庫的通風系統(tǒng)采用直流式，系統(tǒng)設計k值為0.91(排風量為56 000 m3/h，送風量為51 000 m3/h)，送風系統(tǒng)的過濾器組合為G4+F7，排風系統(tǒng)的過濾器組合為核用中效過濾器+核用高效空氣過濾器。該放射性廢物暫存庫僅在少部分時間內(nèi)存在吊車運轉(zhuǎn)以存放、調(diào)取廢物桶，故取室內(nèi)產(chǎn)塵量Mi為0；圍護結構縫隙的滲透系數(shù)p取最不利情況，即圍護結構對滲透空氣中的顆粒物無攔截作用，p=1，得到穩(wěn)態(tài)工況下廠房內(nèi)的顆粒物濃度(見式(9))、排風凈化過濾器的容塵負荷M(見式(10))。

Ci=(1-0.91ηo)Co

(9)

M≈(1-0.91ηo)CoQe

(10)

根據(jù)各空氣過濾器組合對各粒徑擋的過濾效率實測值和表3中實測大氣塵的粒徑分布，計算得到實測大氣塵粒徑分布條件下各空氣過濾器組合的η≥0.3；由式(10)計算得到當送風系統(tǒng)設置不同的空氣過濾器組合時，排風系統(tǒng)的凈化過濾器的容塵負荷。計算結果見表4。

比較表1、表3中試驗塵與實測大氣塵的粒徑分布可發(fā)現(xiàn)兩者存在較大差異，試驗塵氣溶膠質(zhì)量集中于0.7～2.0 μm粒徑擋區(qū)間，而實測大氣塵質(zhì)量主要集中于≥2.0 μm的粒徑擋；兩者粒徑分布的差異引起各過濾器組合的η≥0.3顯著不同(見表1、表4)，各空氣過濾器組合對大氣塵的η≥0.3均顯著高于對試驗塵的η≥0.3；但過濾器級別的變化導致的過濾器組合η≥0.3的變化趨勢是一致的。可見，在同等級的空氣過濾器比對、選擇時，當且僅當試驗塵粒徑分布完全一致時，方可采用計重效率作為比對指標；當采用計數(shù)效率比對時，比對過濾器對各粒徑擋的過濾效率將會更全面。

表4 不同過濾器組合時的計重過濾效率及凈化過濾器的容塵負荷(大氣塵粒徑分布)

由式(10)可知，送、排風比例固定時，提高送風過濾器的過濾效率，可以有效降低排風凈化過濾器的容塵負荷。表4中的排風過濾器容塵負荷計算結果顯示，在計算條件下，送風過濾器組合采用F5+F8時，排風過濾器的容塵負荷約為送風過濾器組合采用G4+F7時的72.0%。僅從容塵負荷角度測算，送風系統(tǒng)的過濾器組合采用F5+F8較采用G4+F7時，排風系統(tǒng)的凈化過濾器的使用壽命可延長38.9%，非?？捎^。

本文案例的排風系統(tǒng)共設有21個核級預過濾器和21個核級高效空氣過濾器，取核級過濾器的尺寸為610 mm×610 mm×292 mm(長×寬×高)，壓縮減容比為3。經(jīng)驗數(shù)據(jù)顯示，1 m3的放射性廢物在放射性廢物處置場中的年存儲費用約為4萬～5萬元，本文取減容處理后放射性廢物的處置費用為4萬元/m3，測算得到排風系統(tǒng)過濾器一次整體更換、經(jīng)減容處理后的放射性廢物處置成本為6.08萬元。

以表2中各組合過濾器初阻力的實測值作為輸入值，測算得到本案例中送風系統(tǒng)的過濾器組合采用F5+F8較采用G4+F7時，初阻力增加94 Pa，風機的電動機功率增加約1.3 kW。以0.7元/(kW·h)電價計算，系統(tǒng)全年不間斷運行將增加約7 972元的年運行費用。

據(jù)筆者調(diào)查可知，核用中效過濾器售價至少為1 000元/臺，核用高效空氣過濾器售價至少為3 600元/臺，而質(zhì)量較好的市售無特殊氣密性要求的G4+F7、F5+F8過濾器售價分別約為450、550元/組。送風過濾器設置于潔凈區(qū)域，廢棄送風過濾器無需作為放射性廢物處置，處置成本可忽略不計，可見，送風系統(tǒng)采用F5+F8替換G4+F7帶來的初投資和運營費用增加額與放射性廢物處置成本相比，相差1個數(shù)量級。

綜上可得，本文案例中，送風系統(tǒng)中采用F5+F8替換現(xiàn)有G4+F7的過濾器組合的設計，可顯著延長排風凈化過濾器的使用壽命，降低核電廠運維成本。

4 結論

1) 通過放射性廠房內(nèi)顆粒物濃度平衡模型可得排風凈化過濾器的容塵負荷主要影響因素包括送排風量比例、排風總量、圍護結構滲透系數(shù)、送風過濾器過濾效率、室內(nèi)產(chǎn)塵量等。

2) 通過實測，獲得了G4+F6、G4+F7、G4+F8、F5+F6、F5+F7、F5+F8共6種空氣過濾器組合對0.3～0.5、0.5～0.7、0.7～1.0、1.0～2.0、2.0～5.0、≥5.0 μm共6個粒徑區(qū)間的過濾效率；計算得到了試驗塵、大氣塵2種粒徑分布下，空氣過濾器組合的η≥0.3。實測結果顯示，預過濾器級別相同時，過濾器組合的η≥0.3隨著末級過濾器等級的升高而升高；過濾器組合的過濾效率并不完全由末級過濾器決定，預過濾器的級別提升可顯著提升過濾器組合的η≥0.3。

3) 比較同等級的空氣過濾器組合對試驗塵和大氣塵的η≥0.3數(shù)值差異可得，在空氣過濾器比選時，當且僅當試驗塵粒徑分布完全一致時，方可采用計重效率作為必選指標；當采用計數(shù)效率比選時，比對過濾器對各粒徑擋的過濾效率會更全面。

4) 案例分析結果顯示，僅從容塵負荷角度測算，送風系統(tǒng)的過濾器組合采用F5+F8較采用G4+F7時，排風系統(tǒng)的凈化過濾器的使用壽命可延長38.9%，降低核電廠運維成本。