過濾器容塵過程對房間負壓、風量的影響研究*

劉思涵 張 舟 魏 剛 閆 征 王建峰

(1.中國核電工程有限公司,北京;2.河南核凈潔凈技術有限公司,鄭州)

0 引言

在核電廠與核化工后處理廠等核設施中,通風與空調設計需要確保設備室、熱室等紅區房間在正常運行狀態和事故工況下釋放的氣載放射性物質含量保持在規定值以下。核設施廠的紅區房間氣載放射性物質含量較高,其通風系統需要滿足以下2個要求。

1) 房間壓力相對于相鄰低放射性區域為負壓。在EJ/T 938—1995[1]等規范中,規定中、高放設備室負壓范圍為-150～-100 Pa,手套箱、工作箱和熱室負壓范圍為-300～-200 Pa,以保證壓力邊界及氣溶膠的正確流向。

2) 通風系統設置過濾器對進、排風進行過濾:進風一般來自相鄰房間或檢修大廳,經一級過濾后送至紅區;排風系統在紅區房間附近就地設置第一級過濾器,在排風機房設置第二級過濾器,過濾后經風機排至煙囪。

隨著系統持續運行,過濾器內部會逐漸累積放射性氣溶膠、灰塵等顆粒,造成濾芯堵塞。在傳統的設計中,進、排風過濾器一般以阻力達到初阻力的2倍作為更換濾芯的指標。然而,過濾器在容塵過程中,由于阻力的急劇上升,可能會出現紅區房間負壓和風量不滿足規范與設計要求的情況。另外,將2倍初阻力作為過濾器更換濾芯的最終指標也缺乏理論依據與數據支撐。對于以上問題,國內外現階段研究較少。因此,本文研究過濾器從投入運行到更換濾芯期間紅區房間負壓、風量的變化情況,并針對實際工程中極端工況下房間負壓、風量不滿足規范和設計要求的情況,制定相應的負壓、風量調節策略,以為傳統的設計提供理論依據。

1 理論基礎

為了增加系統的可靠性,對于紅區的排風需要在房間就地設置第一級過濾器,在排風機房設置第二級過濾器,具體流程如圖1所示。

圖1 紅區排風系統流程

核設施空氣過濾器在使用一段時間后,濾芯積塵量升高,阻力增大,因此需要更換濾芯,防止過濾器堵塞影響過濾效果。過濾器的阻力是指在一定試驗風速下過濾器前后的壓差,阻力在過濾器運行過程中是不斷變化的,因此,常用初阻力和終阻力來表示過濾器性能[2-3]。初阻力是指過濾器未積塵時額定風量下的阻力;終阻力是指過濾器使用一段時間后,積塵量達到一定數量需要更換過濾器濾芯時的阻力。過濾器的阻力與使用時間基本呈現正相關性,過濾器使用時間越長,積塵越多,阻力越大,且阻力增大速度也會越快。在一些核電廠的調試過程中,對核級高效過濾器終阻力的要求一般也是初阻力的2倍[4]。

隨著過濾器的持續使用,濾芯阻力增大,過濾器的通過風量降低,系統排風量減少,造成房間內壓力變化,影響房間內放射性氣溶膠的排出效率及負壓環境的維持。因此,研究過濾器運行周期的阻力變化對房間負壓、風量的影響,對于核設施整個排風系統風量的調試、房間負壓的控制及房間放射性氣溶膠的排除效率有著重要的意義。

基于上述研究目的,本文的研究思路為:1) 在FLoMASTER(熱流體系統仿真分析軟件)中建立通風系統一維水力平衡模型,代入各個設備的阻力曲線及過濾器初阻力狀態下的風量-阻力曲線,得出一種對于后續閥門調節工作最有利的閥門葉片開啟角度組合;2) 分別研究進、排風過濾器容塵量對房間風量、負壓的影響;3) 針對實際工程幾種極端工況下房間負壓與風量無法滿足規范與設計要求的情況,結合不同設備閥門的敏感性分析,提出相應的調節措施。

2 技術路線及方案

2.1 目標工程通風系統介紹

本文主要針對某工程的紅區固化線排風系統建模。總排風量L=6 600 m3/h(每個固化線房間設計風量為3 300 m3/h),固化線房間的負壓需要維持在-300～-200 Pa,排風設置就地過濾器,一用一備。凈化后的空氣經風管集中排至紅區排風機房,經第二級過濾器(一用一備)二次凈化后,用風機經風管排到地下風道后至排風塔高空擴散、稀釋。固化線房間的進風是利用與相鄰橙區房間的壓差,從相鄰橙區房間取風,經過一級進風凈化裝置(2臺,無備用)過濾后進入固化線房間。整個固化線排風系統包括進風過濾器、閥門、排風過濾器、機房過濾器、風機、風管、止回閥等部件。

固化線中的放射性氣體經過就地過濾器及機房中的過濾器過濾后排至室外管道,過濾器濾芯能夠捕集放射性氣溶膠及灰塵,是排風管網系統中的主要阻力元件。目標工程的過濾器選用型號見表1。風機是排風管網的主要動力元件。固化線排風系統在紅區排風機房設2臺離心式風機,一用一備,風機參數:流量7 511 m3/h,額定全壓4 451 Pa。

表1 固化線過濾器選型

2.2 目標工程的FLoMASTER一維水力平衡模型

2.2.1目標工程的FLoMASTER建模

本文采用FLoMASTER對目標工程固化線排風系統進行模擬,將調研及CFD模擬得到的各類設備、固化線房間阻力曲線輸入FLoMASTER模型中,探究調節不同設備的閥門對于固化線房間風量及負壓的影響。系統模型見圖2,仿真條件見表2。

表2 FLoMASTER仿真條件

圖2 固化線排風系統的FLoMASTER水力計算模型

2.2.2過濾器初阻力工況下固化線房間的FLoMASTER調節結果

通過調節不同設備的閥門對固化線房間負壓、風量的敏感性進行分析,結果表明進風過濾器閥門的阻力系數對于房間負壓的影響最大。根據此結論給出過濾器初阻力工況下固化線通風系統閥門調節策略:1) 進風過濾器閥門阻力系數盡量大;2) 固化線房間負壓盡量接近-200 Pa;3) 控制固化線房間風量盡量接近設計風量3 300 m3/h。確定以上3條原則的目的是為了使后續過濾器不斷容塵的過程中,固化線房間負壓和風量盡量滿足規范和設計要求,不出現所有閥門全開的狀態下都不能使固化線房間負壓滿足規范要求的情況。

根據以上調節策略,在整個固化線通風系統中,給定風機后閥門阻力系數為12,機房過濾器前閥門的阻力系數為38;由于排風過濾器閥門對固化線房間負壓和風量的影響均不敏感,因此,排風過濾器前后閥門的阻力系數可以直接設定為0.2(閥門全開,對應葉片開啟角度0°)。然后調節進風過濾器閥門葉片開啟角度,調節結果見表3,此時的閥門葉片開啟角度組合是初阻力工況下的最優組合,可使后續過濾器容塵過程中閥門調節工作量最少。此時,固化線房間負壓最低值為-225 Pa,房間風量滿足換氣次數要求。

表3 過濾器初阻力工況下固化線房間FLoMASTER調節結果

3 過濾器容塵過程阻力變化對固化線房間負壓、風量的影響研究

3.1 過濾器容塵過程風量-阻力曲線的調研

過濾器容塵過程中阻力會不斷上升,從而影響固化線房間的負壓、風量。過濾器運行周期內阻力曲線需要利用實驗數據擬合得出。根據某公司針對高效過濾器VM01濾芯的容塵實驗數據,加上過濾器結構阻力30 Pa,可以得到GJ1340-T/B、GJ2340-T/B 過濾器的容塵阻力曲線,見圖3。

圖3 GJ1340-T/B、GJ2340-T/B過濾器(2種過濾器使用同一款濾芯)不同風量下的容塵量-阻力曲線

可以看出,隨著容塵量的增大,過濾器阻力增大。本文研究的固化線排風系統中,進、排風過濾器采用的VM01濾芯過濾效率[5]高達99.98%,排風經排風過濾器后的含塵量極小,與進、排風過濾器相比,機房過濾器的容塵速度很低。所以在研究中假定機房過濾器容塵量和阻力保持不變。

FLoMASTER一維水力平衡模型中需要輸入風量-阻力曲線進行計算,可以根據該公司提供的不同風量工況下的過濾器容塵實驗數據,整理得出不同容塵量下的過濾器風量-阻力曲線,見圖4。在額定風量3 400 m3/h下,當容塵量達到約1 800 g時,過濾器阻力達到646 Pa,為初阻力的2倍(初阻力為323 Pa),可以認為過濾器達到終阻力。

圖4 不同容塵量下的過濾器風量-阻力曲線

3.2 進、排風過濾器容塵過程對固化線房間負壓、風量的影響

本文取容塵量1 800 g為過濾器終阻力工況,將進、排風過濾器容塵量分別為0、1 800 g時的風量-阻力曲線帶入FLoMASTER一維水力平衡模型中,維持初阻力工況下的閥門阻力系數,分別研究進、排風過濾器容塵過程中固化線房間負壓、風量變化情況,結果如圖5所示。

圖5 過濾器容塵過程對固化線房間負壓和風量的影響

分析圖5可以得知,當進風過濾器容塵量不變、排風過濾器容塵量增大時,固化線房間負壓絕對值減小,風量減小;當排風過濾器容塵量不變、進風過濾器容塵量增大時,固化線房間負壓增大,風量減小。對比圖5a、b可以得知,進風過濾器的容塵過程對固化線房間負壓的影響比排風過濾器的影響大,而排風過濾器容塵過程對固化線房間風量的影響更大。

表4、5分別顯示了通風系統所有閥門處于過濾器初阻力工況下,進、排風過濾器不同容塵量時的固化線房間負壓、風量結果。

表4 初阻力工況不同進、排風過濾器容塵量時固化線房間負壓(陰影部分為負壓不滿足規范的結果) Pa

表5 初阻力工況不同進、排風過濾器容塵量時固化線房間風量 m3/h

在進風過濾器容塵量為0 g,排風過濾器容塵量從0 g增加到1 800 g的過程中,維持初阻力工況下閥門的葉片開啟角度組合時,固化線房間負壓均處于-300～-200 Pa范圍內,即當進風過濾器處于初阻力時,無論排風過濾器處于初阻力至終阻力之間的何種狀態,均不需要采取調節手段。

在進風過濾器容塵量為1 800 g,排風過濾器容塵量從0 g增加到1 800 g的過程中,維持初阻力工況下閥門的葉片開啟角度組合時,固化線房間負壓均低于-300 Pa,即當進風過濾器處于終阻力時,無論排風過濾器處于何種過程,均需要采取調節手段。

在排風過濾器容塵量為0 g、進風過濾器容塵量超過1 000 g,維持初阻力工況下閥門的葉片開啟角度組合時,固化線房間負壓低于-300 Pa,即當排風過濾器處于初阻力、進風過濾器阻力超過495 Pa時,需要采取調節手段。

在排風過濾器容塵量處于1 800 g、進風過濾器容塵量超過1 200 g時,維持初阻力工況下閥門的葉片開啟角度組合無法使固化線負壓滿足在-300～-200 Pa范圍的要求,即當排風過濾器處于終阻力、進風過濾器阻力超過525 Pa時需要采取調節手段。

3.3 極端工況下的固化線房間負壓、風量調節措施

本文主要研究3種極端工況下固化線房間負壓、風量的調節措施:1) 進風過濾器處于初阻力工況、排風過濾器處于終阻力工況;2) 進風過濾器處于終阻力工況、排風過濾器處于初阻力工況;3) 進風過濾器處于終阻力工況、排風過濾器也處于終阻力工況。

分析表4、5可以得知:當進風過濾器處于初阻力工況、排風過濾器處于終阻力工況時,固化線負壓降低到-215 Pa時無需調節閥門;當進風過濾器處于終阻力工況、排風過濾器處于初阻力工況時,固化線負壓增大到-350 Pa;當進風過濾器處于終阻力工況、排風過濾器也處于終阻力工況時,固化線負壓為-335 Pa。針對第2)、3)種極端工況,調節所有進風過濾器閥門阻力系數,調節結果見表6。

表6 極端工況2)、3)的調節結果

通過上述分析可以得知,在某些極端工況下,當過濾器達到2倍初阻力所對應的容塵量時,無法通過調節閥門使固化線負壓維持在規定范圍內。因此,2倍初阻力不能作為濾芯更換的依據,需要結合相關房間的負壓、風量情況,以及濾芯劑量率情況進行綜合判定。

針對以上結論,可以對核設施廠房通風系統進行優化:

1) 研發各設備閥門關于紅區房間負壓、風量的自動控制系統,以使在過濾器處于初阻力的工況下,閥門能自動調節到相應開度,使房間負壓處于滿足規范要求的最小值,且風量滿足設計要求。

2) 將進風過濾器閥門更換為電動密閉調節閥,并與房間負壓、風量進行連鎖控制,通過反饋房間負壓、風量等信號實現自動調節功能。

3) 開發智能過濾器,可以顯示過濾器當前的阻力、容塵量、劑量率等信息,并通過模擬仿真等方式將這些參數信號整合輸出,預測運行一段時間后過濾器的阻力、容塵量、劑量率,為運維人員提供預計更換濾芯時間,劑量率超出目標值時發出預警信號,并在過濾器未達到終阻力、房間負壓已超過可調阻力值時也發出預警信號。

4 結論

1) 在整個通風系統中,進風過濾器閥門的阻力系數對固化線房間負壓的影響最大。

2) 找到了一種初阻力工況下閥門葉片開啟角度組合,可以使后續容塵過程只需要調節進風過濾器的閥門,大大降低了調試工作量。

3) 進風過濾器的容塵量變化對固化線房間負壓的影響比排風過濾器的影響大,而排風過濾器容塵變化對固化線房間風量的影響更大。

4) 當進、排風過濾器均處于終阻力時,可以將進風過濾器閥門調至全開,維持固化線房間負壓范圍;當進風過濾器處于終阻力、排風過濾器處于初阻力時,無法通過調節閥門使固化線房間負壓維持在規定范圍內。