過濾器容塵過程對房間負(fù)壓、風(fēng)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(shù)有限公司,鄭州)

0 引言

在核電廠與核化工后處理廠等核設(shè)施中,通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)需要確保設(shè)備室、熱室等紅區(qū)房間在正常運(yùn)行狀態(tài)和事故工況下釋放的氣載放射性物質(zhì)含量保持在規(guī)定值以下。核設(shè)施廠的紅區(qū)房間氣載放射性物質(zhì)含量較高,其通風(fēng)系統(tǒng)需要滿足以下2個(gè)要求。

1) 房間壓力相對于相鄰低放射性區(qū)域?yàn)樨?fù)壓。在EJ/T 938—1995[1]等規(guī)范中,規(guī)定中、高放設(shè)備室負(fù)壓范圍為-150～-100 Pa,手套箱、工作箱和熱室負(fù)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(fēng)系統(tǒng)設(shè)置過濾器對進(jìn)、排風(fēng)進(jìn)行過濾:進(jìn)風(fēng)一般來自相鄰房間或檢修大廳,經(jīng)一級(jí)過濾后送至紅區(qū);排風(fēng)系統(tǒng)在紅區(qū)房間附近就地設(shè)置第一級(jí)過濾器,在排風(fēng)機(jī)房設(shè)置第二級(jí)過濾器,過濾后經(jīng)風(fēng)機(jī)排至煙囪。

隨著系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行,過濾器內(nèi)部會(huì)逐漸累積放射性氣溶膠、灰塵等顆粒,造成濾芯堵塞。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,進(jìn)、排風(fēng)過濾器一般以阻力達(dá)到初阻力的2倍作為更換濾芯的指標(biāo)。然而,過濾器在容塵過程中,由于阻力的急劇上升,可能會(huì)出現(xiàn)紅區(qū)房間負(fù)壓和風(fēng)量不滿足規(guī)范與設(shè)計(jì)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(biāo)也缺乏理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。對于以上問題,國內(nèi)外現(xiàn)階段研究較少。因此,本文研究過濾器從投入運(yùn)行到更換濾芯期間紅區(qū)房間負(fù)壓、風(fēng)量的變化情況,并針對實(shí)際工程中極端工況下房間負(fù)壓、風(fēng)量不滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的情況,制定相應(yīng)的負(fù)壓、風(fēng)量調(diào)節(jié)策略,以為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

為了增加系統(tǒng)的可靠性,對于紅區(qū)的排風(fēng)需要在房間就地設(shè)置第一級(jí)過濾器,在排風(fēng)機(jī)房設(shè)置第二級(jí)過濾器,具體流程如圖1所示。

圖1 紅區(qū)排風(fēng)系統(tǒng)流程

核設(shè)施空氣過濾器在使用一段時(shí)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(yàn)風(fēng)速下過濾器前后的壓差,阻力在過濾器運(yùn)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(shí)額定風(fēng)量下的阻力;終阻力是指過濾器使用一段時(shí)間后,積塵量達(dá)到一定數(shù)量需要更換過濾器濾芯時(shí)的阻力。過濾器的阻力與使用時(shí)間基本呈現(xiàn)正相關(guān)性,過濾器使用時(shí)間越長,積塵越多,阻力越大,且阻力增大速度也會(huì)越快。在一些核電廠的調(diào)試過程中,對核級(jí)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(xù)使用,濾芯阻力增大,過濾器的通過風(fēng)量降低,系統(tǒng)排風(fēng)量減少,造成房間內(nèi)壓力變化,影響房間內(nèi)放射性氣溶膠的排出效率及負(fù)壓環(huán)境的維持。因此,研究過濾器運(yùn)行周期的阻力變化對房間負(fù)壓、風(fēng)量的影響,對于核設(shè)施整個(gè)排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量的調(diào)試、房間負(fù)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(tǒng)仿真分析軟件)中建立通風(fēng)系統(tǒng)一維水力平衡模型,代入各個(gè)設(shè)備的阻力曲線及過濾器初阻力狀態(tài)下的風(fēng)量-阻力曲線,得出一種對于后續(xù)閥門調(diào)節(jié)工作最有利的閥門葉片開啟角度組合;2) 分別研究進(jìn)、排風(fēng)過濾器容塵量對房間風(fēng)量、負(fù)壓的影響;3) 針對實(shí)際工程幾種極端工況下房間負(fù)壓與風(fēng)量無法滿足規(guī)范與設(shè)計(jì)要求的情況,結(jié)合不同設(shè)備閥門的敏感性分析,提出相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施。

2 技術(shù)路線及方案

2.1 目標(biāo)工程通風(fēng)系統(tǒng)介紹

本文主要針對某工程的紅區(qū)固化線排風(fēng)系統(tǒng)建模。總排風(fēng)量L=6 600 m3/h(每個(gè)固化線房間設(shè)計(jì)風(fēng)量為3 300 m3/h),固化線房間的負(fù)壓需要維持在-300～-200 Pa,排風(fēng)設(shè)置就地過濾器,一用一備。凈化后的空氣經(jīng)風(fēng)管集中排至紅區(qū)排風(fēng)機(jī)房,經(jīng)第二級(jí)過濾器(一用一備)二次凈化后,用風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)管排到地下風(fēng)道后至排風(fēng)塔高空擴(kuò)散、稀釋。固化線房間的進(jìn)風(fēng)是利用與相鄰橙區(qū)房間的壓差,從相鄰橙區(qū)房間取風(fēng),經(jīng)過一級(jí)進(jìn)風(fēng)凈化裝置(2臺(tái),無備用)過濾后進(jìn)入固化線房間。整個(gè)固化線排風(fēng)系統(tǒng)包括進(jìn)風(fēng)過濾器、閥門、排風(fēng)過濾器、機(jī)房過濾器、風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、止回閥等部件。

固化線中的放射性氣體經(jīng)過就地過濾器及機(jī)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(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)中的主要阻力元件。目標(biāo)工程的過濾器選用型號(hào)見表1。風(fēng)機(jī)是排風(fēng)管網(wǎng)的主要?jiǎng)恿υ?。固化線排風(fēng)系統(tǒng)在紅區(qū)排風(fēng)機(jī)房設(shè)2臺(tái)離心式風(fēng)機(jī),一用一備,風(fēng)機(jī)參數(shù):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(biāo)工程的FLoMASTER一維水力平衡模型

2.2.1目標(biāo)工程的FLoMASTER建模

本文采用FLoMASTER對目標(biāo)工程固化線排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬,將調(diào)研及CFD模擬得到的各類設(shè)備、固化線房間阻力曲線輸入FLoMASTER模型中,探究調(diào)節(jié)不同設(shè)備的閥門對于固化線房間風(fēng)量及負(fù)壓的影響。系統(tǒng)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(fēng)系統(tǒng)的FLoMASTER水力計(jì)算模型

2.2.2過濾器初阻力工況下固化線房間的FLoMASTER調(diào)節(jié)結(jié)果

通過調(diào)節(jié)不同設(shè)備的閥門對固化線房間負(fù)壓、風(fēng)量的敏感性進(jìn)行分析,結(jié)果表明進(jìn)風(fēng)過濾器閥門的阻力系數(shù)對于房間負(fù)壓的影響最大。根據(jù)此結(jié)論給出過濾器初阻力工況下固化線通風(fēng)系統(tǒng)閥門調(diào)節(jié)策略:1) 進(jìn)風(fēng)過濾器閥門阻力系數(shù)盡量大;2) 固化線房間負(fù)壓盡量接近-200 Pa;3) 控制固化線房間風(fēng)量盡量接近設(shè)計(jì)風(fēng)量3 300 m3/h。確定以上3條原則的目的是為了使后續(xù)過濾器不斷容塵的過程中,固化線房間負(fù)壓和風(fēng)量盡量滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,不出現(xiàn)所有閥門全開的狀態(tài)下都不能使固化線房間負(fù)壓滿足規(guī)范要求的情況。

根據(jù)以上調(diào)節(jié)策略,在整個(gè)固化線通風(fēng)系統(tǒng)中,給定風(fēng)機(jī)后閥門阻力系數(shù)為12,機(jī)房過濾器前閥門的阻力系數(shù)為38;由于排風(fēng)過濾器閥門對固化線房間負(fù)壓和風(fēng)量的影響均不敏感,因此,排風(fēng)過濾器前后閥門的阻力系數(shù)可以直接設(shè)定為0.2(閥門全開,對應(yīng)葉片開啟角度0°)。然后調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)過濾器閥門葉片開啟角度,調(diào)節(jié)結(jié)果見表3,此時(shí)的閥門葉片開啟角度組合是初阻力工況下的最優(yōu)組合,可使后續(xù)過濾器容塵過程中閥門調(diào)節(jié)工作量最少。此時(shí),固化線房間負(fù)壓最低值為-225 Pa,房間風(fēng)量滿足換氣次數(shù)要求。

表3 過濾器初阻力工況下固化線房間FLoMASTER調(diào)節(jié)結(jié)果

3 過濾器容塵過程阻力變化對固化線房間負(fù)壓、風(fēng)量的影響研究

3.1 過濾器容塵過程風(fēng)量-阻力曲線的調(diào)研

過濾器容塵過程中阻力會(huì)不斷上升,從而影響固化線房間的負(fù)壓、風(fēng)量。過濾器運(yùn)行周期內(nèi)阻力曲線需要利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出。根據(jù)某公司針對高效過濾器VM01濾芯的容塵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),加上過濾器結(jié)構(gòu)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(fēng)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(fēng)系統(tǒng)中,進(jìn)、排風(fēng)過濾器采用的VM01濾芯過濾效率[5]高達(dá)99.98%,排風(fēng)經(jīng)排風(fēng)過濾器后的含塵量極小,與進(jìn)、排風(fēng)過濾器相比,機(jī)房過濾器的容塵速度很低。所以在研究中假定機(jī)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(fēng)量-阻力曲線進(jìn)行計(jì)算,可以根據(jù)該公司提供的不同風(fēng)量工況下的過濾器容塵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),整理得出不同容塵量下的過濾器風(fēng)量-阻力曲線,見圖4。在額定風(fēng)量3 400 m3/h下,當(dāng)容塵量達(dá)到約1 800 g時(shí),過濾器阻力達(dá)到646 Pa,為初阻力的2倍(初阻力為323 Pa),可以認(rèn)為過濾器達(dá)到終阻力。

圖4 不同容塵量下的過濾器風(fēng)量-阻力曲線

3.2 進(jìn)、排風(fēng)過濾器容塵過程對固化線房間負(fù)壓、風(fēng)量的影響

本文取容塵量1 800 g為過濾器終阻力工況,將進(jìn)、排風(fēng)過濾器容塵量分別為0、1 800 g時(shí)的風(fēng)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(shù),分別研究進(jìn)、排風(fēng)過濾器容塵過程中固化線房間負(fù)壓、風(fēng)量變化情況,結(jié)果如圖5所示。

圖5 過濾器容塵過程對固化線房間負(fù)壓和風(fēng)量的影響

分析圖5可以得知,當(dāng)進(jìn)風(fēng)過濾器容塵量不變、排風(fēng)過濾器容塵量增大時(shí),固化線房間負(fù)壓絕對值減小,風(fēng)量減小;當(dāng)排風(fēng)過濾器容塵量不變、進(jìn)風(fēng)過濾器容塵量增大時(shí),固化線房間負(fù)壓增大,風(fēng)量減小。對比圖5a、b可以得知,進(jìn)風(fēng)過濾器的容塵過程對固化線房間負(fù)壓的影響比排風(fēng)過濾器的影響大,而排風(fēng)過濾器容塵過程對固化線房間風(fēng)量的影響更大。

表4、5分別顯示了通風(fēng)系統(tǒng)所有閥門處于過濾器初阻力工況下,進(jìn)、排風(fēng)過濾器不同容塵量時(shí)的固化線房間負(fù)壓、風(fēng)量結(jié)果。

表4 初阻力工況不同進(jìn)、排風(fēng)過濾器容塵量時(shí)固化線房間負(fù)壓(陰影部分為負(fù)壓不滿足規(guī)范的結(jié)果) Pa

表5 初阻力工況不同進(jìn)、排風(fēng)過濾器容塵量時(shí)固化線房間風(fēng)量 m3/h

在進(jìn)風(fēng)過濾器容塵量為0 g,排風(fēng)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(shí),固化線房間負(fù)壓均處于-300～-200 Pa范圍內(nèi),即當(dāng)進(jìn)風(fēng)過濾器處于初阻力時(shí),無論排風(fēng)過濾器處于初阻力至終阻力之間的何種狀態(tài),均不需要采取調(diào)節(jié)手段。

在進(jìn)風(fēng)過濾器容塵量為1 800 g,排風(fēng)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(shí),固化線房間負(fù)壓均低于-300 Pa,即當(dāng)進(jìn)風(fēng)過濾器處于終阻力時(shí),無論排風(fēng)過濾器處于何種過程,均需要采取調(diào)節(jié)手段。

在排風(fēng)過濾器容塵量為0 g、進(jìn)風(fēng)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(shí),固化線房間負(fù)壓低于-300 Pa,即當(dāng)排風(fēng)過濾器處于初阻力、進(jìn)風(fēng)過濾器阻力超過495 Pa時(shí),需要采取調(diào)節(jié)手段。

在排風(fēng)過濾器容塵量處于1 800 g、進(jìn)風(fēng)過濾器容塵量超過1 200 g時(shí),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(fù)壓滿足在-300～-200 Pa范圍的要求,即當(dāng)排風(fēng)過濾器處于終阻力、進(jìn)風(fēng)過濾器阻力超過525 Pa時(shí)需要采取調(diào)節(jié)手段。

3.3 極端工況下的固化線房間負(fù)壓、風(fēng)量調(diào)節(jié)措施

本文主要研究3種極端工況下固化線房間負(fù)壓、風(fēng)量的調(diào)節(jié)措施:1) 進(jìn)風(fēng)過濾器處于初阻力工況、排風(fēng)過濾器處于終阻力工況;2) 進(jìn)風(fēng)過濾器處于終阻力工況、排風(fēng)過濾器處于初阻力工況;3) 進(jìn)風(fēng)過濾器處于終阻力工況、排風(fēng)過濾器也處于終阻力工況。

分析表4、5可以得知:當(dāng)進(jìn)風(fēng)過濾器處于初阻力工況、排風(fēng)過濾器處于終阻力工況時(shí),固化線負(fù)壓降低到-215 Pa時(shí)無需調(diào)節(jié)閥門;當(dāng)進(jìn)風(fēng)過濾器處于終阻力工況、排風(fēng)過濾器處于初阻力工況時(shí),固化線負(fù)壓增大到-350 Pa;當(dāng)進(jìn)風(fēng)過濾器處于終阻力工況、排風(fēng)過濾器也處于終阻力工況時(shí),固化線負(fù)壓為-335 Pa。針對第2)、3)種極端工況,調(diào)節(jié)所有進(jìn)風(fēng)過濾器閥門阻力系數(shù),調(diào)節(jié)結(jié)果見表6。

表6 極端工況2)、3)的調(diào)節(jié)結(jié)果

通過上述分析可以得知,在某些極端工況下,當(dāng)過濾器達(dá)到2倍初阻力所對應(yīng)的容塵量時(shí),無法通過調(diào)節(jié)閥門使固化線負(fù)壓維持在規(guī)定范圍內(nèi)。因此,2倍初阻力不能作為濾芯更換的依據(jù),需要結(jié)合相關(guān)房間的負(fù)壓、風(fēng)量情況,以及濾芯劑量率情況進(jìn)行綜合判定。

針對以上結(jié)論,可以對核設(shè)施廠房通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化:

1) 研發(fā)各設(shè)備閥門關(guān)于紅區(qū)房間負(fù)壓、風(fēng)量的自動(dòng)控制系統(tǒng),以使在過濾器處于初阻力的工況下,閥門能自動(dòng)調(diào)節(jié)到相應(yīng)開度,使房間負(fù)壓處于滿足規(guī)范要求的最小值,且風(fēng)量滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 將進(jìn)風(fēng)過濾器閥門更換為電動(dòng)密閉調(diào)節(jié)閥,并與房間負(fù)壓、風(fēng)量進(jìn)行連鎖控制,通過反饋房間負(fù)壓、風(fēng)量等信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

3) 開發(fā)智能過濾器,可以顯示過濾器當(dāng)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(shù)信號(hào)整合輸出,預(yù)測運(yùn)行一段時(shí)間后過濾器的阻力、容塵量、劑量率,為運(yùn)維人員提供預(yù)計(jì)更換濾芯時(shí)間,劑量率超出目標(biāo)值時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào),并在過濾器未達(dá)到終阻力、房間負(fù)壓已超過可調(diào)阻力值時(shí)也發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

4 結(jié)論

1) 在整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)中,進(jìn)風(fēng)過濾器閥門的阻力系數(shù)對固化線房間負(fù)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(xù)容塵過程只需要調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)過濾器的閥門,大大降低了調(diào)試工作量。

3) 進(jìn)風(fēng)過濾器的容塵量變化對固化線房間負(fù)壓的影響比排風(fēng)過濾器的影響大,而排風(fēng)過濾器容塵變化對固化線房間風(fēng)量的影響更大。

4) 當(dāng)進(jìn)、排風(fēng)過濾器均處于終阻力時(shí),可以將進(jìn)風(fēng)過濾器閥門調(diào)至全開,維持固化線房間負(fù)壓范圍;當(dāng)進(jìn)風(fēng)過濾器處于終阻力、排風(fēng)過濾器處于初阻力時(shí),無法通過調(diào)節(jié)閥門使固化線房間負(fù)壓維持在規(guī)定范圍內(nèi)。