某核電站放射性廢物廠房HVAC系統(tǒng)負(fù)壓與溫度控制優(yōu)化

上海核工程研究設(shè)計院有限公司 鄭金鵬 張玉東 陳文強(qiáng) 潘榮輝

0 引言

某核電站放射性廢物廠房位于山東省，廠房內(nèi)設(shè)有廢氣處理工藝，對于化學(xué)廢液等其他各類廢液和固體廢物，只是收集和暫存，封裝在各種屏蔽運輸容器內(nèi)，由汽車轉(zhuǎn)運至廠址放射性廢物處理設(shè)施(SRTF)集中處理；廠房內(nèi)也留有可供移動式處理設(shè)備停放并工作的空間[1]。放射性廢物廠房暖通空調(diào)系統(tǒng)(以下簡稱VRS)的作用是：向工作區(qū)域提供經(jīng)過處理的空氣，使環(huán)境溫度滿足區(qū)域內(nèi)設(shè)備運行和工作人員的需要；保持廠房相對于室外環(huán)境-20 Pa的微負(fù)壓，防止未經(jīng)監(jiān)測的氣體釋放到環(huán)境中，確?？諝獾牧鲃臃较蚴菑那鍧崊^(qū)域流向有潛在污染的區(qū)域；氣體排放前，對其放射性劑量進(jìn)行監(jiān)測。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在設(shè)計參數(shù)下運行時，廠房溫度和負(fù)壓的調(diào)節(jié)存在許多問題，通過對系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，不斷嘗試，對設(shè)計文件中的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，最終提高了系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

1 VRS設(shè)計簡介

VRS為直流通風(fēng)系統(tǒng)，由2個綜合性子系統(tǒng)構(gòu)成：放射性廢物廠房送風(fēng)子系統(tǒng)和放射性廢物廠房排風(fēng)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)間通過協(xié)調(diào)工作，保持服務(wù)區(qū)的溫度，同時有效控制空氣流和廠房內(nèi)的負(fù)壓。圖1為VRS示意圖。送風(fēng)子系統(tǒng)由2臺空氣處理機(jī)組、空氣分配風(fēng)道系統(tǒng)、自動控制和相關(guān)附件構(gòu)成?？諝馓幚頇C(jī)組位于放射性廢物廠房的電氣/機(jī)械設(shè)備室內(nèi)。2臺空氣處理機(jī)組通過室外新風(fēng)口引入100%的新風(fēng)，在風(fēng)機(jī)出口處合并成1個共用的送風(fēng)系統(tǒng)，由主風(fēng)管上的支管通過風(fēng)量調(diào)節(jié)風(fēng)閥送入各服務(wù)區(qū)域。各服務(wù)區(qū)的排風(fēng)口收集排風(fēng)后匯集到主排風(fēng)管，由排風(fēng)機(jī)完成系統(tǒng)排風(fēng)。排風(fēng)機(jī)風(fēng)量固定不變，對流經(jīng)送風(fēng)系統(tǒng)的空氣流量進(jìn)行自動控制，從而使廠房內(nèi)相對于戶外始終保持20 Pa的負(fù)壓。由壓差變送器PDT001為送風(fēng)處理機(jī)組流量控制器提供信號。這些流量控制器通過調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的自動入口導(dǎo)葉MA-01A(VN)/MA-01B(VN)保持廠房內(nèi)的負(fù)壓。

注：LF為低效過濾器；HF為高效過濾器；HC為加熱盤管；CC為冷卻盤管；D027A/B為加熱盤管迎風(fēng)旁通氣動閥；MA-01A/B(VN)為送風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉；TE-002A/B為送風(fēng)溫度傳感器；PDICA-001A/B為控制器；TE008A/B為廠房溫度傳感器；PDT001為壓差變送器。圖1 VRS示意圖

排風(fēng)子系統(tǒng)由2臺離心式排風(fēng)機(jī)(通過選用適當(dāng)規(guī)格保持廠房內(nèi)的負(fù)壓)、排風(fēng)道收集系統(tǒng)、自動控制和相關(guān)附件構(gòu)成。通過調(diào)節(jié)排風(fēng)機(jī)入口風(fēng)管上的風(fēng)閥對空氣流速進(jìn)行平衡，使風(fēng)機(jī)保持設(shè)計排風(fēng)量。排風(fēng)機(jī)設(shè)在放射性廢物廠房的設(shè)備室內(nèi)。排風(fēng)機(jī)將排風(fēng)排入與電廠排氣相連的公共風(fēng)道，最終經(jīng)電廠煙囪排入大氣。VRS在設(shè)計上并未設(shè)置對排放氣體進(jìn)行放射性凈化或過濾的設(shè)備；該系統(tǒng)僅在排風(fēng)管內(nèi)設(shè)置放射性監(jiān)測儀表，對排氣進(jìn)行放射性監(jiān)測，當(dāng)放射性濃度超過設(shè)定值時，在主控室報警；如果需要，操作員可手動停運VRS。

此系統(tǒng)可確?？諝鈴那鍧崊^(qū)域流向潛在污染區(qū)。因此，如果放射性廢物廠房內(nèi)發(fā)生局部氣載釋放，可以將污染區(qū)限定到發(fā)生釋放的區(qū)域。放射性廢物廠房內(nèi)的排風(fēng)收集風(fēng)道用于排出可能存在低濃度氣載污染區(qū)域和房間內(nèi)的廢氣，配有排風(fēng)接頭，可供移動系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備直接排氣。由于可能存在嚴(yán)重的氣載釋放，因此移動系統(tǒng)內(nèi)裝有高效空氣過濾器。移動系統(tǒng)設(shè)備在設(shè)計時不作為VRS的一部分，這些設(shè)備應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。每根移動系統(tǒng)接管內(nèi)裝有止回閥，在排風(fēng)系統(tǒng)跳閘時，可防止廢氣回流到設(shè)備中。

2 系統(tǒng)負(fù)壓控制解析與改進(jìn)

2.1 系統(tǒng)負(fù)壓調(diào)節(jié)簡介

為防止廠房內(nèi)放射性氣體外泄，放射性廢物廠房HVAC系統(tǒng)要保持廠房維持微負(fù)壓(-20 Pa)。由于放射性廢物廠房的固體廢物需要通過移動設(shè)備處理，暫存的固體廢物通過卡車運出廠房；在移動設(shè)備或卡車進(jìn)出放射性廢物廠房的過程中，需要短暫打開廠房大門(放射性廢物廠房設(shè)有3個大的對開門，系統(tǒng)正常運行時每次只允許1個對開門短暫打開)，因此VRS允許廠房負(fù)壓短暫降至0 Pa，但要保證在關(guān)閉大門后能及時恢復(fù)負(fù)壓狀態(tài)，保持VRS的穩(wěn)定運行。

放射性廢物廠房與室外空氣的差壓通過差壓變送器PDT001測量，PDT001的測量信號通過PDICA-001A和PDICA-001B兩路控制器分別連鎖VRS送風(fēng)機(jī)組MS-01A/B的送風(fēng)機(jī)入口氣動導(dǎo)葉MA-01A(VN)和MA-01B(VN)；排風(fēng)機(jī)風(fēng)量保持不變，當(dāng)廠房負(fù)壓發(fā)生變化時，廠房差壓連鎖調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)風(fēng)量，以此保持廠房負(fù)壓穩(wěn)定。為了保證主控室操作人員能監(jiān)測放射性廢物廠房的負(fù)壓，VRS設(shè)置了負(fù)壓的報警與連鎖功能。當(dāng)廠房壓力低于-11.2 Pa(如-10 Pa)時發(fā)出低壓差報警(L報警)，當(dāng)廠房壓力高于-60 Pa(如-65 Pa)時出現(xiàn)高壓差報警(H報警)，并且連鎖停運排風(fēng)機(jī)。

2.2 調(diào)試過程中負(fù)壓調(diào)節(jié)的問題及改進(jìn)

在系統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，廠房高壓差報警(-60 Pa)時就連鎖停運排風(fēng)機(jī)會導(dǎo)致排風(fēng)機(jī)頻繁停運，因此增加45 s的延時，當(dāng)廠房高壓差報警信號出現(xiàn)并持續(xù)超過45 s后，再連鎖停運排風(fēng)機(jī)，這樣可大大減少排風(fēng)機(jī)的停運次數(shù)。

調(diào)試試驗過程中模擬卡車進(jìn)出工況，觀察廠房負(fù)壓的變化及VRS的運行情況。出現(xiàn)如下問題：有時只有一列風(fēng)機(jī)跳機(jī)，而另一列風(fēng)機(jī)仍然運行，壓差變化曲線如圖2a所示；有時會出現(xiàn)廠房壓差超過差壓變送器PDT001量程的情況，送風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉由自動調(diào)節(jié)變手動調(diào)節(jié)，導(dǎo)致廠房負(fù)壓過高且無法自動調(diào)節(jié)，壓差變化曲線如圖2b所示。

圖2 模擬卡車進(jìn)出廠房2種狀況壓差曲線

分析圖2a，VRS投入自動運行后，運行平穩(wěn)，廠房壓力維持在-20 Pa；M時刻打開一個對開門后，室外空氣大量進(jìn)入廠房，廠房壓力逐漸達(dá)到0 Pa(N點)，同時送風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉MA-01A(VN)和MA-01B(VN)開度逐漸變?。槐３忠粫汉缶徛P(guān)閉對開門；此時，室外空氣無法進(jìn)入廠房，排風(fēng)機(jī)風(fēng)量不變，由于在關(guān)門瞬間送風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉的開度仍然非常小，導(dǎo)致排風(fēng)量遠(yuǎn)大于送風(fēng)量，因此廠房負(fù)壓迅速增大，最大負(fù)壓(C點)為-90 Pa。隨著送風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉MA-01A(VN)/B(VN)開度逐漸增大，送風(fēng)量變大，房間負(fù)壓也逐漸變小。但由于房間負(fù)壓大于-60 Pa(H報警)的時間約1 min(超過45 s)，導(dǎo)致B列風(fēng)機(jī)跳機(jī)，在D～E階段只有A列風(fēng)機(jī)運行，房間負(fù)壓維持在-6 Pa左右。在E點將A列風(fēng)機(jī)手動停運，廠房壓力回歸到大氣壓力0 Pa。

當(dāng)廠房負(fù)壓大于-60 Pa且持續(xù)時間超過45 s后，2列風(fēng)機(jī)應(yīng)同時連鎖停運。但在本次試驗中，達(dá)到連鎖跳機(jī)條件后，只有B列風(fēng)機(jī)停機(jī)，而A列風(fēng)機(jī)并未停機(jī)；試驗中還發(fā)現(xiàn)A、B 2列送風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉開度會出現(xiàn)相差很大的情況(如MA-01A(VN)開度92%，MA-01B(VN)開度57%)，這不利于2列風(fēng)機(jī)的同時穩(wěn)定運行，與設(shè)計要求不符。查看設(shè)計邏輯發(fā)現(xiàn)，差壓變送器PDT001傳送給PDICA-001A/B的2路信號分別連鎖A、B 2列送風(fēng)機(jī)的入口導(dǎo)葉及2列排風(fēng)機(jī)，根據(jù)PLC邏輯，這2路信號的值可能會出現(xiàn)差異，導(dǎo)致在系統(tǒng)運行過程中由于PDICA-001A和PDICA-001B的信號值不同而出現(xiàn)2列風(fēng)機(jī)狀態(tài)不同步的情況。通過與設(shè)計方溝通，設(shè)計方發(fā)布設(shè)計變更，將PDT001壓力變送器信號傳送給PDICA-001一個控制器后同時連鎖A、B 2列風(fēng)機(jī)，保證了2列風(fēng)機(jī)的連鎖信號一致，使2列風(fēng)機(jī)同步運行，避免了2列風(fēng)機(jī)運行不一致的情況；同時設(shè)計變更將高壓差報警連鎖排風(fēng)機(jī)停運的時間由45 s延長至90 s，以給系統(tǒng)更長的反應(yīng)時間恢復(fù)廠房的負(fù)壓。經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計方的評估，該變更能增加系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，且不會對相鄰區(qū)域造成影響。設(shè)計方發(fā)布了設(shè)計變更且現(xiàn)場實施完成。

分析圖2b，VRS投入自動運行后,廠房負(fù)壓穩(wěn)定維持在-20 Pa；A點位置即為打開3個對開門中的1個時，隨著外部空氣進(jìn)入廠房，廠房負(fù)壓不斷減小，直至B點壓力為0 Pa；與此同時，送風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉MA-01A/B(VN)開度逐漸變??；保持對開門打開狀態(tài)直至C點模擬卡車出廠房；C點后快速關(guān)閉對開門，此時，廠房負(fù)壓迅速增大，最大至D點的-100 Pa，超出了差壓儀表PDT001的量程(-100～0 Pa)。根據(jù)設(shè)計邏輯，當(dāng)差壓值超過儀表量程時，送風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉狀態(tài)會由自動控制變?yōu)槭謩涌刂疲慈肟趯?dǎo)葉MA-01A/B(VN)會保持在關(guān)閉對開門時的非常小的開度而無法與廠房壓差PDT001連鎖進(jìn)行自動調(diào)節(jié)；如圖2b所示，在E點之后，廠房負(fù)壓保持在約-42 Pa而無法調(diào)節(jié)。此時，只能由操作員在主控室對系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)來調(diào)節(jié)廠房負(fù)壓，這不利于系統(tǒng)的自動運行，需要對系統(tǒng)改進(jìn)。最終，將差壓變送器的量程從-100～0 Pa更改為-200～0 Pa；將風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉的PID調(diào)節(jié)參數(shù)由(0.1，50，0)更改為(1，50，0)，加快了送風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉MA-01A(VN)和MA-01B(VN)的響應(yīng)速度，使廠房負(fù)壓在廠房門關(guān)閉后能快速恢復(fù)。上述變更均已經(jīng)過設(shè)計方評估并實施完成。

分析圖2a、b發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模擬卡車進(jìn)出廠房時，在關(guān)閉對開門的過程中，若關(guān)門速度過快，會造成廠房負(fù)壓瞬間變得非常大，會超過差壓變送儀表的量程(見圖2b)；而當(dāng)關(guān)閉對開門時速度放緩，關(guān)閉對開門的一扇后再關(guān)閉另一扇時，廠房負(fù)壓降的不會太低(見圖2a)。因此，在電廠正常運行、有卡車進(jìn)出放射性廢物廠房時，應(yīng)盡量緩慢地關(guān)閉廠房的對開門，以保證VRS平穩(wěn)運行。

3 廠房溫度控制解析與改進(jìn)

3.1 廠房溫度調(diào)節(jié)介紹

放射性廢物廠房高約10 m，為了方便廠房內(nèi)移動處理設(shè)備及大型構(gòu)件的搬運，在廠房上部安裝有橫跨整個廠房寬度的行車；VRS所有送/排風(fēng)風(fēng)口均位于廠房上部(僅有5個臨時排風(fēng)口位于廠房底部離地面1.5 m高度處)。VRS維持放射性廢物廠房的溫度在設(shè)計范圍(10～40.5 ℃)內(nèi)。如圖1所示，送風(fēng)機(jī)組內(nèi)設(shè)置有加熱盤管、冷卻盤管，與送風(fēng)空氣對流換熱，保證房間溫度滿足要求。

在冬季，放射性廢物廠房通過加熱盤管前的迎風(fēng)旁通風(fēng)閥D027A/B調(diào)節(jié)送風(fēng)的溫度。當(dāng)D027A/B開度為0時表示全加熱，所有通過的風(fēng)量均與加熱盤管換熱；當(dāng)D027A/B開度為100%時，所有通過的風(fēng)量均不與加熱盤管換熱。廠房內(nèi)的溫度傳感器TE008A/B位于廠房長邊中間距離地面1.5 m高度處，TE008A/B分別與迎風(fēng)旁通閥D027A/B連鎖，當(dāng)廠房溫度低于12.8 ℃時，TE008A/B連鎖D027A/B減小旁通閥開度，增加送風(fēng)的熱量，以提高廠房的溫度。在送風(fēng)機(jī)出口處設(shè)有溫度傳感器TE002A/B，該溫度傳感器測量送風(fēng)溫度，當(dāng)送風(fēng)溫度低于8.3 ℃時，連鎖對應(yīng)列的送風(fēng)機(jī)停機(jī)，以防止送風(fēng)溫度過低導(dǎo)致設(shè)備凍壞。

3.2 調(diào)試過程中廠房溫度調(diào)節(jié)的問題及改進(jìn)

在VRS溫度調(diào)試試驗過程中發(fā)現(xiàn)，夏季時廠房溫度控制較為理想，且送、排風(fēng)機(jī)運行平穩(wěn)；但在冬季，當(dāng)室外溫度低于-10 ℃時，VRS送風(fēng)機(jī)MA-01A/B經(jīng)常會因為送風(fēng)溫度TE002A/B低于8.3 ℃而連鎖停機(jī)。另外，2列送風(fēng)機(jī)組會出現(xiàn)運行狀態(tài)不一致的情況。由于氣候條件的差異，北方冬天可能會出現(xiàn)低于-10 ℃的天氣，而南方冬天則不會出現(xiàn)如此低溫，因此南方的某核電站2臺同型號機(jī)組的VRS并未出現(xiàn)本文介紹的低溫停機(jī)情況。

圖3～5顯示了VRS在室外溫度低于-10 ℃時，系統(tǒng)送風(fēng)溫度傳感器TE002A/B、廠房溫度傳感器TE008A/B和加熱盤管迎風(fēng)旁通閥D027A/B監(jiān)測參數(shù)的變化趨勢。風(fēng)機(jī)停機(jī)過程描述如下：風(fēng)機(jī)啟動后，將系統(tǒng)置于自動運行狀態(tài)，廠房初始溫度低于12.8 ℃，迎風(fēng)旁通閥D027A/B為全加熱模式，廠房溫度逐漸升高并超過12.8 ℃，之后送風(fēng)機(jī)組迎風(fēng)旁通閥D027A/B增大旁通風(fēng)量，減小加熱量，直至旁通閥處于全旁通模式。圖6為廠房高度方向的送排風(fēng)示意圖，由于VRS送、排風(fēng)口均位于廠房頂部(約10 m高度處)，溫度傳感器TE008A/B則設(shè)在廠房底部(約1.5 m高度處)，而且放射性廢物廠房空間非常大，因此，TE008A/B要監(jiān)測出房間溫度的變化需要很長的時間；當(dāng)TE008A/B監(jiān)測到廠房溫度高于12.8 ℃后，迎風(fēng)旁通閥D027A/B增大旁通量，減小加熱量，以降低房間溫度。由于TE008A/B監(jiān)測到溫度降低的過程緩慢，使D027A/B一直處在全旁通狀態(tài)，導(dǎo)致新風(fēng)的加熱量非常小，當(dāng)室外溫度低于-10 ℃時，送風(fēng)溫度很快會低于8.3 ℃，低于送風(fēng)低溫停機(jī)連鎖溫度，導(dǎo)致送風(fēng)機(jī)MA-01A/B連鎖停機(jī)。

圖3 廠房溫度變化曲線

由圖4可以看出，A列風(fēng)機(jī)在A時間點由于送風(fēng)溫度傳感器TE002A低溫報警而連鎖停機(jī)；在A′時間點，操作員在主控室手動啟動風(fēng)機(jī)，隨后送風(fēng)溫度傳感器TE002A溫度迅速上升；在B～B′點時間段內(nèi)，旁通閥D027A開度為0(全加熱狀態(tài))，這段時間可能是由于風(fēng)閥D027A在開度為0的狀態(tài)下卡住了，無法根據(jù)TE008A的溫度動作，在B′時間點后的動作證明了之前是由于卡頓造成的風(fēng)閥D027A開度不變；在相同的時間段內(nèi)，由圖5可以看到，B列送風(fēng)機(jī)MA-01B由于送風(fēng)溫度(TE002B)低而多次連鎖跳機(jī)，在B、C、D、E4個時間點均由于送風(fēng)溫度低而連鎖跳機(jī)，在B′、C′、D′、E′ 4個時間點操作員在主控室重新手動啟動風(fēng)機(jī)后將系統(tǒng)置于自動狀態(tài)。從圖3可以看出，TE008A的測量溫度始終高于TE008B，這與2個溫度傳感器的位置有關(guān)，TE008A位于放射性廢物廠房靠近輔助廠房一側(cè)，該側(cè)墻體熱量散失較??；而TE008B位于放射性廢除廠房靠近大氣一側(cè)的墻體，熱量散失較大，TE008A的溫度較高。設(shè)計邏輯是TE008A/B分別連鎖對應(yīng)列的加熱盤管迎風(fēng)旁通閥D027A/B，這導(dǎo)致2列風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)不一致，不利于系統(tǒng)的整體穩(wěn)定運行。

圖4 VRS A列狀態(tài)參數(shù)變化

圖5 VRS B列狀態(tài)參數(shù)變化

圖6 高度方向送排風(fēng)示意圖

在多次嘗試與試驗后，對上述問題找到了較好的解決方案。首先，將TE008A/B 2個溫度值做一個取平均值的邏輯，TE008A/B同時連鎖送風(fēng)機(jī)加熱盤管迎風(fēng)旁通閥D027A/B，以此來保證VRS 2列送風(fēng)機(jī)組運行的一致性，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；其次，D027A/B的PID調(diào)節(jié)參數(shù)由最初的(1.0,10,0)修改為(0.1,10,0)，即將P值由1.0降至0.1，減緩了D027A/B的調(diào)節(jié)速率，減少了TE008A/B測量溫度變化滯后所帶來的影響；對于送風(fēng)溫度傳感器TE002A/B的低溫跳機(jī)設(shè)定為8.3 ℃，該設(shè)定值的目的是為了設(shè)備低溫保護(hù)，實際上只要溫度不低于0 ℃就不存在設(shè)備凍壞的風(fēng)險?？紤]到該核電機(jī)組其他通風(fēng)系統(tǒng)中有的系統(tǒng)(如輔助/附屬廠房非放射性通風(fēng)系統(tǒng)，VXS)低溫跳機(jī)連鎖值為4.4 ℃，為實現(xiàn)設(shè)備低溫保護(hù)，將送風(fēng)低溫跳機(jī)值降低至4.4 ℃。有關(guān)溫度的優(yōu)化方案得到設(shè)計方的認(rèn)可并發(fā)布相應(yīng)的設(shè)計變更，設(shè)計方授權(quán)主控室操作員可以根據(jù)系統(tǒng)的實際狀況對設(shè)備的PID調(diào)節(jié)值進(jìn)行相應(yīng)的修改?，F(xiàn)場已經(jīng)完成驗證，系統(tǒng)運行平穩(wěn)。

4 結(jié)語

調(diào)試工作是對系統(tǒng)設(shè)計的檢驗，是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程。要讓系統(tǒng)可能存在的不穩(wěn)定因素及問題盡可能全面地暴露出來，并對問題加以解決，這樣才能保證系統(tǒng)在投產(chǎn)運行后穩(wěn)定安全地運行。某核電廠的放射性廢物廠房由于潛在的放射性危險，VRS的穩(wěn)定安全運行至關(guān)重要，而調(diào)試的質(zhì)量則是其穩(wěn)定運行最重要的保證。通過對VRS溫度與負(fù)壓控制調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，提出了解決方法，可供相關(guān)人員借鑒。