核設施廠房通風系統設計研究

楊少東，趙洲，尹俊植，侯京婧，李昂

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

1 引言

在核設施生產活動過程中，會存在放射性污染物泄漏的風險，構成一個氣密性封閉物理空間是防止微粒或氣態物質泄漏最有效的辦法。但是在工程上，由于設備轉運及檢修、維護、物料輸運及人員出入口等需要，會存在一些結構縫，絕對的物理密封殼體是不需要的，也是不可行的。這就要求廠房通風系統作為核設施安全殼整體中的一部分，共同組成工藝生產流程。通風系統通過保持物理密封屏障內、外的負壓差，形成動態密封屏障，為物理密封屏障（靜態密封屏障）提供輔助支撐，達到核設施廠房更完善的密封屏障效果。建立在負壓梯度基礎上的通風系統是核設施物理密封屏障的補充，通風系統設計時，應將最大負壓區設置在放射性潛在污染最高的區域，以便在發生泄漏時，保證氣流從低污染區流向高污染區。綜上，通風密封系統和將內部密封空間完全包圍環繞起來的房間或建筑物組合在一起，構成一個完整的密封系統，并保持其密封功能。

核設施廠房通風系統風量大小直接決定了核設施廠房體積及運行成本，傳統核設施廠房采用全新風直流系統，通風系統管道龐大，風機及過濾凈化設備數量多、造價高，運行期間能耗高。隨著社會發展，特別是在我國積極應對氣候變化，在“碳達峰、碳中和”雙碳戰略目標背景下，核設施廠房全新風直流式系統慢慢顯示出其設計規模大、造價及運行能耗高的弊端，如何降低核設施廠房通風系統風量已成為核工業科技工作者備受關注的研究熱點問題之一。

負壓控制是核設施廠房通風系統設計的核心，正確的氣流流向是最為重要的安全措施，其保證了核設施廠房內空氣流動方向順序地由非污染區到污染區，由低污染區到高污染區，最終目標是最大限度的減少放射性物質向操作區及環境的泄漏，將放射性物質密封在該放射性區域。

通風系統作為核設施廠房安全殼整體中的一部分時，通風系統設計是非常復雜的。本文就核設施廠房通風系統設計，從通風量計算、負壓控制以及通風系統基本配置逐一進行介紹，旨在為工程設計人員提供參考和借鑒。

2 核設施廠房通風量計算方法

核設施室內房間負壓通風量計算方法一般有縫隙漏風量法、換氣次數法、排除余熱余濕法及稀釋有害物質法。

2.1 縫隙漏風量法

按保持內部負壓，通過結構縫隙滲入的空氣量計算法。計算公式可參考通常參考加壓送風系統漏風量計算方法：

式中，Lm為維持壓差所需的風量，m3/h；A 為漏風面積，m3；ΔP 為靜壓差，Pa。

核設施廠房因輻射防護安全需要，墻體均采用鋼筋混凝土澆筑而成，厚度普遍在600～1000mm，所有穿墻管線孔洞均采用高密度硅酮進行嚴密封堵，所以理論上通過維護結構滲漏的風量非常小。

核設施室內房間按照該區域操作放射性物料的放射性危害程度進行分級，從高到低分別為紅區、橙區、綠區以及白區。紅區的特點是在正常操作或事故工況下，都必須防止放射性物質在廠房內部擴散和泄漏到廠房外面去。橙區屬于放射性設備和管道等的維修區域，本區人員是不經常停留的，當需要進行檢修時，工作人員必須得到允許，才能進入從事檢修工作。綠區是工作人員經常停留的，一般是安全的。白區屬于非放射性工作區，一般來說進入白區的工作人員不需要更換工作服。

根據核燃料后處理廠通風與空氣凈化設計規定，

（1）綠區應對相鄰白區保持約10～20Pa 的負壓；

（2）橙區與綠區的壓差應保持20～30Pa 的負壓；

（3）紅區內的負壓值應確保通過任何孔洞和縫隙流向紅區氣流的平均風速不小于1.0m/s。

2.2 換氣次數法

按照核設施房間內具體潛在污染性水平及功能選取換氣次數，計算負壓通風量。目前大部分核設施廠房基于此方法設計，但對于大空間、情況復雜的場所，計算風量往往巨大，造成風管設計占據大量空間，且通風系統造價及運行成本顯著增加。另外，在具有潛在氣載放射性的區域，增加換氣次數不一定能顯著降低操作人員所在局部的氣載放射性水平；且應該避免過大的通風量，否則會引起污染物再懸浮，從而提高氣載放射性水平，但加大通風量能降低整個區域的平均污染濃度。

2.3 排除余熱余濕法

核設施內某些工藝性房間在生產活動過程中，會產生大量余熱及余濕，根據消除余熱余濕計算方法時，換氣量按其在最大值取。

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2.4 稀釋有害物質法

對于散發爆炸性氣體的設備室，應按將爆炸性氣體沖淡到爆炸下限濃度的25%，核算換氣量。如室內同時散發幾種有害物質時，換氣量按其中最大值取。但當數種溶劑（苯及其同系物、醇類或醋酸酯類）的蒸汽或數種刺激性氣體（三氧化硫及二氧化硫或氟化氫及其鹽類等）同時在室內散發時，換氣量按稀釋各有害氣體所需換氣量的總和計算。

3 室內負壓控制方式

負壓控制是核設施廠房通風系統設計的核心，不同區域之間要維持一定負壓，以便在正常和異常工況下，保證在孔洞或事故開口處吸入氣流不低于規定平均風速。核設施室內負壓控制方式常見的有直接壓力控制、余風量控制、自適應風量控制及余壓閥控制4 種方式。

3.1 直接壓力控制

直接壓力控制，也叫直接壓差控制。直接壓力控制策略是通過測量房間室內壓力與壓力參照區域的壓差并和給定值進行比較，通過調節進入和或排出房間的風量維持受控區域的壓差。其優點是控制系統邏輯簡單，可以精確控制受控區域與壓力參照區域的壓差，其難點在于：在房間開門時如何保持壓差；如何找到合適的壓力傳感器安裝位置并持續穩定的測量壓力以及如何保持壓力傳感器的準確性。

夏本明在實驗室直接壓差控制研究中指出，通過借助門磁開關來協助控制系統在開門時過濾壓差反饋或延遲變風量閥的響應時間，可應對房間開門所引起的房間壓力波動問題。壓力傳感器測點應布置在人為擾動少的區域，具體可通過CFD 數值模擬軟件研究房間壓力變化特性，以此確定傳感器布置最佳位置及數量。

3.2 余風量控制

余風量控制方法，也叫風量追蹤控制。余風量指的是室內送風量與排風量差值，室內負壓就是通過排風量大于送風量以維持負壓狀態，為維持室內風量平衡，其余風量則通過維護結構滲漏進風量滿足。對于核設施廠房而言，只要房間送風量小于排風量，即可實現房間負壓狀態。余風量控制方法通過既測量排風量又測量送風量，并控制二者差值以保持所需的壓差，由于其很好的解決了由于房間開門所帶來的壓力波動問題已成為房間壓差設計中較為普遍采用的控制方式。

但由于其僅僅是理論保持房間負壓并非實際測量，其對于危險性較大的房間壓差控制并非最優方案。另外，余風量控制設計中，余風量需通過縫隙法和換氣次數法進行計算和復核，但其需大于閥門測量風量的精度及控制系統的控制誤差，以防止出現壓差逆轉導致氣流逆流現象的發生。

3.3 自適應余風量控制

3.4 余壓閥控制

余壓閥是一種單向開啟的風量調節裝置，按靜壓差來調整開啟度，用重錘的位置來平衡風壓。一般用于潔凈空調和有特殊負壓（正壓）要求的場合。對于核設施廠房，余壓閥一般用于中低放設備室進風、防煙樓梯間及前室。其一般安裝于需要維持壓差的2 個空間的隔墻上，通過調整閥上重塊或預制定型壓差，使之達到設定的壓差時打開，最大壓差時全開，排除一定風量后達到平衡，壓差降低到最小壓差后關閉。余壓閥因其調節方便、外觀美觀且不消耗能源已被廣泛應用，當然余壓閥尺寸一般較大，通風量有限，也不方便安裝，且容易受外界環境如銹蝕、積塵、變形等影響而失去作用。

4 通風系統基本配置

從前述章節介紹可知，核設施室內房間按照該區域操作放射性物料的放射性危害程度進行分級，從高到低分別為紅區、橙區、綠區以及白區。各區排風應各自組成獨立的系統，且不同凈化要求的系統不應合并為一個系統。下面對各分區通風系統（含過濾裝置）基本配置進行說明。

4.1 排風系統

白區即為無污染區，其房間送排風可按照GB50019《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》進行設計。排風無需經過過濾可就地排放。

綠區在正常情況下無表面污染，只有在例外的情況下會產生，但是可接受輕微污染。典型的綠區通風系統（含過濾裝置）原理圖見圖1 所示，值得注意的是，綠區排風時，需由建筑物頂部排放，排出口的高度應高于附近50m 內最高建筑物3m，出口不應安裝傘形或其他可能明顯改變出口氣流方向的風帽。

圖1 綠區通風系統（含過濾裝置）原理圖

橙區房間內部有一定程度的表面污染，但在正常情況下無氣載污染，在某些事故情況下會造成潛在表面污染或氣載污染，因而需采取適當的控制措施。橙區排風需設置一級凈化，高效過濾凈化裝置N 用1 備，風機按照2×50%設置。橙區進風由室外新風經一級過濾進入，典型的橙區通風系統（含過濾裝置）原理圖見圖2。

圖2 橙區通風系統（含過濾裝置）原理圖

對于紅區房間來說，無論是常態或事故狀態下都受到嚴重污染，當人員進入時必須配備適當的防護裝備。紅區排風一般設置兩級凈化，紅區房間出口就地設置一級凈化，第二級集中設置于過濾器間；如果對于放射性污染程度更高的紅區房間，第一級凈化需采用帶屏蔽高效過濾裝置，第一級高效過濾凈化裝置可設置旁通管，第二級凈化裝置N 用1 備，風機按照2×100%設置。紅區進風一般由其他區轉送，對于中高放設備室紅區進風須經高效過濾器進入，對于低放設備室進風，可經余壓閥進入，典型的紅區通風系統（含過濾裝置）原理圖見圖3。

圖3 紅區通風系統（含過濾裝置）原理圖

橙區排風及紅區排風最后通過整個廠區地下排風管溝匯總到排風煙囪進行高空排放。排風煙囪應設在核設施廠區常年主導風向的下風向，并且盡量靠近排風負荷中心。排風煙囪的高度需經計算或大氣擴散試驗和技術經濟比較確定。

4.2 進風系統

核設施廠區一般設置集中進風中心，通過對送風進行集中處理（除塵、加熱、水洗、過濾等）然后輸送至各廠房。

5 結語

在核設施中，通風系統是生產流程的重要組成部分，除了具有提供可接受工作環境的作用以外，其還承擔動態包容及封閉、空氣過濾凈化重要功能，用于保護環境和操作人員免受空氣中含有的放射性微塵、放射性氣溶膠和放射性氣體的危害，是防止放射性氣載污染物向環境擴散的有效方法。當通風系統作為核設施廠房安全殼整體中的一部分時，通風系統設計是非常復雜的。這其中包括通風量計算、房間負壓設計及通風系統配置。本文就核設施廠房通風系統設計中通風量計算、負壓控制以及通風系統基本配置進行了逐一概括，旨在為工程設計人員提供參考和借鑒。