HPR1000主控室空調(diào)系統(tǒng)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(tǒng)是整個廠房空氣流通的關(guān)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(nèi)，主控室通風系統(tǒng)正常系列的組合式空調(diào)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(xiàn)在日益重視的空氣環(huán)境來說，其關(guān)鍵部位應(yīng)具備預(yù)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(shè)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(shù)支持等一些技術(shù)性房間和值班室等可居留區(qū)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(xù)運行，以保證居留區(qū)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(shè)計改造

2.1 概述

在原有空調(diào)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(tǒng)的過濾效率由原來的70%提升到99.995%，實現(xiàn)系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)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(jù)通風系統(tǒng)管網(wǎng)特性，系統(tǒng)阻力增加，風機的壓頭要相應(yīng)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(tǒng)各部件的阻力有升有降，系統(tǒng)增加的阻力≠過濾器增加的阻力，需要統(tǒng)籌計算。

2.3 設(shè)計計算

2.3.1 串聯(lián)管網(wǎng)特性

通風機組在管網(wǎng)中工作時，首先要克服管網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)為需要通風機去克服的動壓，因此管網(wǎng)的總阻力損失應(yīng)該為：

式中，δRi：管網(wǎng)中各部件的靜壓，單位Pa；ρ：通過空調(diào)機組的空氣密度，單位kg/m3；Vd：通過空調(diào)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(wǎng)中的各部件阻力大小與其阻力系數(shù)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(zhì)不可壓縮的通風系統(tǒng)而言，上述可寫成：

式中，εi：各部件的靜阻力系數(shù)；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(wǎng)特性系數(shù)。

由以上得知，當管網(wǎng)一定（除管網(wǎng)系統(tǒng)，管內(nèi)徑，管長不變外，還指閥門開度，管內(nèi)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(wǎng)改變后K值也隨之改變，K值表征了管網(wǎng)的特性，稱為“管網(wǎng)特征系數(shù)”。

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(wǎng)阻力損失越大。

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

2.3.2 機組阻力計算

根據(jù)通風系統(tǒng)的特點，通風系統(tǒng)可視為一個串聯(lián)的管網(wǎng)，5/6VCL001/002ZK 機組所在通風系統(tǒng)可以認為由空調(diào)機組本身的阻力和機組外管網(wǎng)的阻力組成，通過機組內(nèi)風機來提供靜壓克服管網(wǎng)阻力，公式如下。

風機靜壓=管網(wǎng)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(shù)見表2。

表2 風量和壓力參數(shù)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(wǎng)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(diào)機組改造后，根據(jù)表1參數(shù)，過濾器總阻力R1=562.5 Pa。

2.3.2.1 額定風量工況

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

圖4 R0管網(wǎng)阻力曲線Fig.4 R0 Pipe network resistance curve

由計算以及仿真［7］可知R0管網(wǎng)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(shù)，由仿真可知，機組參數(shù)為：風量21660 m3/h，風機靜壓1600 Pa，機外靜壓621 Pa。

由于空調(diào)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(diào)節(jié)，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(shè)計溫差，單位℃；q：原設(shè)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(shè)計冷負荷（125 kW） 不是固定的，其數(shù)值和風量成正比關(guān)系［9］，在風量減少、其他參數(shù)（進風溫度、濕度、進水溫度等）不變的情況下，根據(jù)冷卻器的計算書得出其盤管結(jié)構(gòu)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(shè)計要求的范圍內(nèi)。

2.3.2.2 小風量工況

根據(jù)機組參數(shù)，低風量工況下的參數(shù)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(shè)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?shù)惋L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(shè)0 m3/h時阻力為0 Pa，3000 m3/h時壓力≤325 Pa，采用插值法，當?shù)惋L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(shè)計工況為（初阻力+終阻力）/2，終阻力=2×初阻力，換算后設(shè)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(shè)計余量已經(jīng)可以包絡(luò)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(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)場運輸空間不足，那么就需要設(shè)計為可拆結(jié)構(gòu)。

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(yù)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(jié)合處設(shè)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(shè)有用于鎖緊密封袋的凹槽，可以實現(xiàn)“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(diào)節(jié)的支架以及與HALFEN軌安裝的專用緊固件。結(jié)構(gòu)如圖7所示。

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

3 結(jié)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(xiàn)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(tǒng)阻力增加，風機壓頭要相應(yīng)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(tǒng)設(shè)計的允許范圍內(nèi)，滿足整個系統(tǒng)的正常運行要求，實現(xiàn)了對流感病毒傳播的阻礙作用。為同類型或后續(xù)機組在防疫（空氣傳播）期間的系統(tǒng)運行與防疫措施上提供一個借鑒的方法。