HPR1000主控室空調系統防止流感病毒傳播能力提升研究

王小信

（福建福清核電有限公司，福清 350318）

冠狀病毒的主要傳播途徑為飛沫，飛沫的直徑大部分在1.0～175 μm之間。而通風系統是整個廠房空氣流通的關鍵（正常時候采用新風+回風的運行方式），肩負著通風、冷卻、過濾的功能［1］。在核電站內，主控室通風系統正常系列的組合式空調機組，采用的二級過濾為初效過濾器（FP）和中效過濾器（FF）組合［2］，其中初效過濾器對5 μm以上顆粒的過濾效率為95%（歐標G4），中效過濾器對1 μm以上顆粒的過濾效率為70%（歐標F7），其最終過濾效率為F7。主控室為電站的控制中樞，對電廠的安全、可靠運行起著重要作用［3］。對于現在日益重視的空氣環境來說，其關鍵部位應具備預防流感和病毒傳播的功能，是需要引起重視的新方向［4］，過濾器F7的效率并不能滿足防止流感或病毒傳播的要求，因此需要提高機組的過濾效率等級，將過濾器的過濾等級提高到H13（對0.5 μm以上顆粒的過濾效率提高到99.995%），以有效防止流感病毒的傳播。

1 改造主體

改造設備為福清VCL001/002ZK，主要用于電站電氣廠房主控室、計算機室、技術支持等一些技術性房間和值班室等可居留區域，要求空氣處理機組在核電站各種運行工況（包括嚴重事故）下連續運行，以保證居留區域人員的可居留性［5-6］。機組主要由初效過濾器、中效過濾器、電加熱器、冷卻器、擋水板、加濕器、風機及止回閥組成，如圖1所示。

圖1 VCL機組裝配圖Fig.1 VCL unit assembly drawing

2 設計改造

2.1 概述

在原有空調機組（5/6VCL001/002ZK）上，將過濾組合由初效過濾器和中效過濾器（FP+FF）改為初效過濾器和高效過濾器（FP+FA），最終使系統的過濾效率由原來的70%提升到99.995%，實現系統送風高效過濾，能夠有效防止病毒等在空氣中傳播。

圖2 VCL機組三維裝配圖Fig.2 Exploded view of VCL unit

2.2 設計分析

過濾器阻力對比情況如表1所示。

表1 過濾器阻力對比Table 1 Filter resistance comparison

做如下統籌計算：

式中，R前：初效過濾器和中效過濾器阻力之和，單位Pa；R后：初效過濾器和高效過濾器阻力之和，單位Pa；ΔR：改造前后阻力之差，單位Pa。

根據通風系統管網特性，系統阻力增加，風機的壓頭要相應增大，同時風量減少，其他部件的阻力減少，其整個阻力變化過程如圖3所示。

圖3 阻力變化過程Fig.3 Resistance change process

由以上過程可知，雖然過濾器阻力增大了，但是由于風量減少，其他阻力減少，系統各部件的阻力有升有降，系統增加的阻力≠過濾器增加的阻力，需要統籌計算。

2.3 設計計算

2.3.1 串聯管網特性

通風機組在管網中工作時，首先要克服管網的阻力，其次要維持工作場所需要的工作壓力，同時還要保持在排氣口有一定的排氣速度，管網阻力及工作場所的工作壓力都需要風機靜壓去克服，而排氣口的氣流速度則表現為需要通風機去克服的動壓，因此管網的總阻力損失應該為：

式中，δRi：管網中各部件的靜壓，單位Pa；ρ：通過空調機組的空氣密度，單位kg/m3；Vd：通過空調機組的氣流平均速度，單位m/s，：排氣口的空氣動壓，單位Pa。

管網中的各部件阻力大小與其阻力系數成正比，與所通過的氣流平均速度的平方成正比，而氣流的平均速度又是由風量和流通面積所決定的。因此，對于認為氣流介質不可壓縮的通風系統而言，上述可寫成：

式中，εi：各部件的靜阻力系數；q：風量，單位m3/s；F1：各部件的流通面積，單位m2；F2：排氣口面積，單位m2；K：管網特性系數。

由以上得知，當管網一定（除管網系統，管內徑，管長不變外，還指閥門開度，管內壁相對粗糙度，風管中的障礙物等均不變）時，式中K就是一個定值，管網改變后K值也隨之改變，K值表征了管網的特性，稱為“管網特征系數”。

由公式（5）可知R總是一條二次拋物線，所以K值越大曲線越陡，管網阻力損失越大。

串聯管網可以看成是一個由若干分段組成的整體管網，先分別計算出各段的管網阻力，然后相加，即得出串聯管網的總管網阻力。

2.3.2 機組阻力計算

根據通風系統的特點，通風系統可視為一個串聯的管網，5/6VCL001/002ZK 機組所在通風系統可以認為由空調機組本身的阻力和機組外管網的阻力組成，通過機組內風機來提供靜壓克服管網阻力，公式如下。

風機靜壓=管網總阻力=機組阻力+管道阻力=機組阻力1（初效過濾器+高效過濾器阻力） +機組阻力2（冷卻器、擋水板、閥門、電加熱器、加濕器等其他部件阻力） +管道阻力。

機組額定風量下的壓力和阻力參數見表2。

表2 風量和壓力參數Table 2 Air volume and pressure parameters

表中，q：機組風量，單位m3/s；P0：風機靜壓，單位Pa；R0：管網總阻力，單位Pa；R1：機組阻力1，單位Pa；R2：機組阻力2，單位Pa；R3：管道阻力，單位Pa。

空調機組改造后，根據表1參數，過濾器總阻力R1=562.5 Pa。

2.3.2.1 額定風量工況

根據風機性能試驗報告，以試驗測試點為依據，得出的R0管網曲線和機組風機性能曲線，如圖4所示。

圖4 R0管網阻力曲線Fig.4 R0 Pipe network resistance curve

由計算以及仿真［7］可知R0管網阻力曲線和風機靜壓曲線相交的點，即為改造后的風機參數，由仿真可知，機組參數為：風量21660 m3/h，風機靜壓1600 Pa，機外靜壓621 Pa。

由于空調機組包含冷卻器、電加熱器和加濕器，機組風量降低會影響到空氣的制冷、制熱和加濕功能［8］，其具體影響分析如下。

加濕器：由于加濕器是比例調節，加濕量可以通過上游控制柜來控制，所以加濕量不受風量變化的影響。

電加熱器：由于電加熱器的電加熱量是固定的（24.7 kW），如果風量減少，溫差就會加大，出口溫度上升。

式中，Δt1：整改后溫差，單位℃；Δt：原設計溫差，單位℃；q：原設計風量，單位m3/h；q1：整改后風量，單位m3/h。

冷卻器：冷卻器的設計冷負荷（125 kW） 不是固定的，其數值和風量成正比關系［9］，在風量減少、其他參數（進風溫度、濕度、進水溫度等）不變的情況下，根據冷卻器的計算書得出其盤管結構為5×36×1725×6-2.54，軟件計算負荷： 504334（BTUH）/3412=148（kW）

由上得知，風量減少，負荷隨之降低，但還在設計要求的范圍內。

2.3.2.2 小風量工況

根據機組參數，低風量工況下的參數為：風量6800 m3/h，風機靜壓800 Pa，機外靜壓250 Pa。

由于沒有阻力曲線，我們可以在這里假設流量為0時壓力為0 Pa，1250 m3/h時壓力≤ 170 Pa，采用插值法［10］，當低風量時，其過濾器單元風量為370 m3/h，那么其阻力為50 Pa。

而改造方案中采用HEPA 過濾器（高效粒子過濾器），其初阻力≤325 Pa，由于沒有阻力曲線，我們可以在這里假設0 m3/h時阻力為0 Pa，3000 m3/h時壓力≤325 Pa，采用插值法，當低風量時，其過濾器單元風量為887 m3/h，那么其阻力為96 Pa，阻力差值為-46 Pa，而設計工況為（初阻力+終阻力）/2，終阻力=2×初阻力，換算后設計工況下的阻力壓差為-69 Pa，此壓差很小，在風機的性能曲線中，風機的設計余量已經可以包絡此壓差。

由以上分析可知，5/6VCL001/002ZK機組在更換過濾器后，在低風量的情況下，性能不受影響。

2.4 結構設計

由圖5可知，過濾器由6個610×610×292單元和3個305×610×292單元組成。由于機組空間的限制，在更換成HEPA后，也是采用6+3的模型。由于濾芯更換，安裝濾芯的排架需要更換成配套的排架（如果合用，可以不更換），而排架一般為整體式，如果現場運輸空間不足，那么就需要設計為可拆結構。

圖5 過濾器單元組成Fig.5 Filter unit composition

HEPA 過濾器和碘吸附器帶快速壓緊裝置，該快速壓緊裝置更換時減少了過濾器或碘吸附器的更換時間［11］。該系列排架主要由排架組件、排架用單夾具、排架用雙夾具、預過濾器壓緊裝置、過濾器壓緊裝置、支架、密封材料 組成［12］，如圖6所示。

圖6 過濾器實物圖Fig.6 Filter unit composition

過濾器排架上配帶有套筒，套筒和排架結合處設有密封圈，通過套筒上的鎖緊件使該密封圈和排架緊密貼合，起到密封作用。套筒上設有用于鎖緊密封袋的凹槽，可以實現“袋進袋出”功能，最大程度地減少污染。配有用于固定排架的夾具和可調節的支架以及與HALFEN軌安裝的專用緊固件。結構如圖7所示。

圖7 過濾器排架實物圖Fig.7 Actual diagram of filter rack

3 結論

本文將原有的過濾組合FP+FF 中的中效過濾器（FF）更改為高效過濾器（FA），即可使得最終的過濾效率由原來的70%（1 μm）提升到99.995%（0.5 μm），從而實現對唾沫、氣溶膠等更高的過濾效率。

由于高效過濾器的阻力高于中效過濾器，過濾器壓差增加，因此改造的首要問題在于系統阻力增加，風機壓頭要相應增大，同時風量減少使得其他部件阻力減少。通過上文的計算和仿真可知，過濾器改造之后引起的風量減少與管道阻力的增加均在系統設計的允許范圍內，滿足整個系統的正常運行要求，實現了對流感病毒傳播的阻礙作用。為同類型或后續機組在防疫（空氣傳播）期間的系統運行與防疫措施上提供一個借鑒的方法。