通風(fēng)系統(tǒng)不同閥門調(diào)節(jié)對(duì)固化線房間負(fù)壓和風(fēng)量的影響研究

劉思涵 王啟迪 魏 剛 閆 征 王 寅

(中國核電工程有限公司,北京)

0 引言

在核設(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)定限值以下?；诖?常常將房間負(fù)壓控制在某一范圍內(nèi)。在EJ/T 938—1995《核燃料后處理廠通風(fēng)與空氣凈化設(shè)計(jì)規(guī)定》[1]等規(guī)范中,對(duì)于具有不同放射性的紅區(qū)房間有不同的負(fù)壓要求。低放設(shè)備室進(jìn)風(fēng)通常用余壓閥控制,中、高放設(shè)備室負(fù)壓值為-150～-100 Pa,手套箱、工作箱和熱室負(fù)壓值為-300～-200 Pa,以保證壓力邊界及氣溶膠的正確流向。

為了使紅區(qū)房間負(fù)壓保持在規(guī)定范圍內(nèi),需要調(diào)節(jié)進(jìn)、排風(fēng)管道上的閥門開度。然而,核設(shè)施紅區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量較多、管路較長,系統(tǒng)中各個(gè)閥門的調(diào)節(jié)結(jié)果會(huì)相互耦合,影響房間負(fù)壓的保持。本文以某核化工項(xiàng)目固化線房間通風(fēng)系統(tǒng)為例,探究調(diào)節(jié)不同閥門對(duì)紅區(qū)房間負(fù)壓和風(fēng)量的影響。

1 通風(fēng)系統(tǒng)概況

該排風(fēng)系統(tǒng)每個(gè)固化線房間負(fù)壓均需維持在-300～-200 Pa,在負(fù)壓的作用下,進(jìn)風(fēng)來自相鄰橙區(qū)房間,經(jīng)過設(shè)一級(jí)過濾器的過濾裝置凈化后進(jìn)入固化線房間。對(duì)于排風(fēng),設(shè)置就地過濾器裝置(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,再經(jīng)設(shè)兩級(jí)過濾器的過濾裝置(一用一備)二次凈化后,用風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)管排至地下風(fēng)道再至排風(fēng)塔高空擴(kuò)散、稀釋。整個(gè)通風(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。本文采用CFD[2]和FLoMASTER軟件建立該固化線房間通風(fēng)系統(tǒng)水力平衡模型,通過研究調(diào)節(jié)不同閥門對(duì)固化線房間負(fù)壓、風(fēng)量的影響,得到閥門調(diào)試工作量最小的閥門開度組合。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 CFD數(shù)學(xué)模型

CFD的基本控制方程如下。

連續(xù)方程：

(1)

式中ρ為空氣密度,kg/m3;v為空氣流速,m/s;t為時(shí)間,s。

動(dòng)量方程：

(2)

式中p為空氣壓力,Pa;τ為應(yīng)力,Pa;g為自由落體加速度,m/s2;F為體積力,N/m3。

能量方程：

(3)

式中h為空氣比焓,J/kg;cp為空氣的比定壓熱容,J/(kg·K);μt為湍流黏度,Pa·s;σt為湍流普朗特?cái)?shù);T為空氣溫度,K;Sh為熱源項(xiàng),W/m3。

(4)

式中ph為房間的靜壓,Pa;Qh為房間的送風(fēng)量,m3/h;Qh,s為房間的設(shè)計(jì)風(fēng)量,m3/h。

2.2 FLoMASTER軟件理論介紹

FLoMASTER基于矩陣求解對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行求解計(jì)算。矩陣求解網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖1。

注：1～4為節(jié)點(diǎn);①～③為元件;mij為i節(jié)點(diǎn)到j(luò)節(jié)點(diǎn)的流量;pi為i節(jié)點(diǎn)處的壓力。圖1 矩陣求解網(wǎng)絡(luò)示意圖

綜合各個(gè)元件及節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量守恒方程得到系數(shù)矩陣方程,即式(5)。

(5)

式中a為元件A、B、C線性方程的系數(shù),下標(biāo)為系數(shù)編號(hào)。

式(5)矩陣中的系數(shù)由相應(yīng)元件的參數(shù)決定。在對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行求解時(shí),先根據(jù)邊界條件壓力源(流量源)進(jìn)行初次求解,得到各節(jié)點(diǎn)的流量(壓力),再根據(jù)此計(jì)算結(jié)果進(jìn)行再次求解,如此往復(fù)迭代計(jì)算,直到所有結(jié)果的殘差都達(dá)到預(yù)先設(shè)定值,迭代終止,計(jì)算完成。

3 模擬過程及分析

該固化線房間中的放射性氣體經(jīng)過就地過濾器及機(jī)房中的過濾器過濾后排往室外管道,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。根據(jù)該項(xiàng)目實(shí)際參數(shù),調(diào)研獲得過濾器選型,如表1所示,過濾器、風(fēng)機(jī)的阻力特性曲線如圖2、3所示。

表1 固化線房間過濾器選型

圖2 過濾器前后壓差-風(fēng)量曲線

圖3 某離心式風(fēng)機(jī)性能曲線

圖4 閥門阻力系數(shù)與葉片開啟角度的關(guān)系

圖5 固化線房間幾何模型

參考圖集07K120《風(fēng)閥選用與安裝》中關(guān)于蝶閥的選用說明,設(shè)計(jì)所選閥門的阻力系數(shù)隨葉片開啟角度的變化如圖4所示。

3.1 固化線房間阻力特性研究

本文利用CFD軟件建立了固化線房間模型。根據(jù)該項(xiàng)目的通風(fēng)技術(shù)路線,將每個(gè)固化線房間簡化為長方體計(jì)算域,并加入攪拌器、提升門等設(shè)備,根據(jù)施工圖中進(jìn)、排風(fēng)管的位置設(shè)置模擬計(jì)算域的入口和出口,具體模型見圖5。固化線房間利用負(fù)壓差從相鄰橙區(qū)房間取風(fēng),而橙區(qū)房間與室外壓差為-50 Pa,因此可以將固化線房間入口設(shè)置為有固定數(shù)值的壓力入口(-50 Pa),出口設(shè)置為速度出口,流速按照固化線房間設(shè)計(jì)風(fēng)量及風(fēng)口截面積進(jìn)行折算。房間內(nèi)流動(dòng)為湍流,選用K-ε雙方程模型,利用CFD軟件求解連續(xù)方程和動(dòng)量方程,從而得到出口處的平均壓力。為了得到固化線房間的風(fēng)量-壓差阻力特性曲線,需要代入不同風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。本文將固化線房間計(jì)算風(fēng)量折算成流速,代入出口邊界條件,并按照25%、50%、75%、100%、125%排風(fēng)量分別進(jìn)行模擬,得到不同排風(fēng)量時(shí)的固化線房間進(jìn)出口壓差,從而總結(jié)出固化線房間的阻力特性曲線。固化線房間排風(fēng)量與進(jìn)出口壓差的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2,固化線房間風(fēng)量-壓差變化曲線(2條固化線排風(fēng)流程完全一致)如圖6所示。

表2 固化線房間排風(fēng)量與進(jìn)出口壓差

圖6 固化線房間風(fēng)量-壓差曲線

3.2 固化線房間負(fù)壓的影響研究

得到固化線房間的阻力曲線后,本文在FLoMASTER中建立通風(fēng)系統(tǒng)模型。將調(diào)研及CFD模擬得到的各類設(shè)備、房間的阻力特性曲線代入到FLoMASTER模型中,探究調(diào)節(jié)不同閥門對(duì)固化線房間風(fēng)量及負(fù)壓的影響。由于固化線房間通風(fēng)系統(tǒng)從橙區(qū)房間取風(fēng),橙區(qū)房間需要維持50 Pa的負(fù)壓。系統(tǒng)排風(fēng)經(jīng)進(jìn)風(fēng)過濾器、固化線房間、排風(fēng)過濾器、機(jī)房過濾器、風(fēng)機(jī)等設(shè)備后排入管溝,可以將管溝接口處設(shè)置為500 Pa壓力出口邊界。整個(gè)系統(tǒng)的模型見圖7,仿真條件見表3。

圖7 固化線通風(fēng)系統(tǒng)FLoMASTER水力計(jì)算模型

固化線房間的排風(fēng)過濾器、機(jī)房過濾器、風(fēng)機(jī)為一用一備,因此,備用設(shè)備支路上的閥門可以暫時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)。將過濾器、風(fēng)機(jī)、固化線房間的阻力曲線輸入到FLoMASTER軟件中,調(diào)整圖7中方框內(nèi)閥門(分別為進(jìn)風(fēng)過濾器后閥門、排風(fēng)過濾器前后閥門、機(jī)房過濾器前閥門、風(fēng)機(jī)后閥門)的阻力系數(shù),使固化線房間負(fù)壓滿足規(guī)范要求。

表3 FLoMASTER仿真條件

在FLoMASTER中,調(diào)節(jié)不同位置的閥門對(duì)模擬結(jié)果的影響不同,圖8、9顯示了模擬中調(diào)節(jié)不同位置閥門阻力系數(shù)對(duì)固化線房間負(fù)壓和風(fēng)量的影響。

圖8 閥門阻力系數(shù)對(duì)固化線負(fù)壓的影響

圖9 閥門阻力系數(shù)對(duì)固化線房間風(fēng)量的影響

分析圖8a可以看出,不同閥門阻力系數(shù)對(duì)于固化線房間負(fù)壓的影響不同。當(dāng)進(jìn)風(fēng)過濾器閥門阻力系數(shù)增大時(shí),閥門阻力增大,房間負(fù)壓增大;而調(diào)節(jié)排風(fēng)過濾器、機(jī)房過濾器前和風(fēng)機(jī)后閥門葉片開啟角度,會(huì)導(dǎo)致房間負(fù)壓減小,影響程度遠(yuǎn)小于調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)過濾器閥門。圖8b顯示了過濾器處于初阻力工況下,不同閥門阻力系數(shù)處于最終調(diào)節(jié)結(jié)果附近時(shí)對(duì)負(fù)壓的影響。根據(jù)整個(gè)固化線房間排風(fēng)系統(tǒng)的阻力都是由風(fēng)機(jī)的壓頭克服的,可以列出固化線房間負(fù)壓的關(guān)系式(見式(6)、(7))。由于進(jìn)風(fēng)過濾器進(jìn)風(fēng)處不接風(fēng)管,直接從大廳取風(fēng),且出風(fēng)處與固化線房間入口距離很近,可以忽略整個(gè)管網(wǎng)進(jìn)風(fēng)端的風(fēng)管阻力,因此,式(7)中忽略了風(fēng)管的阻力。

pg=pc+Δpjg+Δpjgf

(6)

pg=Δpg+2Δppgf+Δppg+Δpf+Δpfgf+

Δpfg+Δpff+pgg-Δpfj

(7)

式(6)、(7)中pg為固化線房間壓力,Pa;pc為橙區(qū)大廳壓力,Pa;Δpjg為進(jìn)風(fēng)過濾器阻力(壓降),Pa;Δpjgf為進(jìn)風(fēng)過濾器閥門阻力(壓降),Pa;Δpg為固化線房間阻力(壓降),Pa;Δppgf為排風(fēng)過濾器閥門阻力(壓降),Pa;Δppg為排風(fēng)過濾器阻力(壓降),Pa;Δpf為風(fēng)管阻力(壓降),Pa;Δpfgf為機(jī)房過濾器閥門阻力(壓降),Pa;Δpfg為機(jī)房過濾器阻力(壓降),Pa;Δpff為風(fēng)機(jī)后閥門阻力(壓降),Pa;pgg為管溝壓力,Pa;Δpfj為風(fēng)機(jī)阻力,Pa。

以上參數(shù)中,L1=0.50L2=0.25L,d1=0.26 m、d2=0.40 m、d=0.60 m,將相關(guān)數(shù)據(jù)代入各個(gè)閥門的阻力系數(shù)計(jì)算式中,可以算得進(jìn)風(fēng)過濾器閥門阻力系數(shù)前的系數(shù)為負(fù)數(shù),且絕對(duì)值較大,大于其他閥門阻力系數(shù)前的系數(shù)的絕對(duì)值,因此,調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)過濾器閥門阻力系數(shù),對(duì)于固化線房間負(fù)壓的影響更大。

分析圖9a可以看出,當(dāng)閥門阻力系數(shù)增大時(shí),房間風(fēng)量減小。圖9b顯示了過濾器處于初阻力工況下,不同閥門阻力系數(shù)處于最終調(diào)節(jié)結(jié)果附近時(shí)對(duì)固化線房間風(fēng)量的影響。從圖9a可以看出,調(diào)節(jié)機(jī)房過濾器前閥門和風(fēng)機(jī)后閥門對(duì)固化線房間風(fēng)量的影響比調(diào)節(jié)進(jìn)、排風(fēng)過濾器閥門更大,這是由于機(jī)房過濾器前和風(fēng)機(jī)后閥門的直徑大于進(jìn)、排風(fēng)過濾器閥門直徑,在調(diào)節(jié)閥門阻力系數(shù),即調(diào)節(jié)葉片開啟角度時(shí),對(duì)應(yīng)改變的風(fēng)量與閥門直徑相關(guān)。閥門直徑越大,開啟同樣的葉片角度時(shí)改變的閥門過風(fēng)面積越大,過風(fēng)量也越大,對(duì)固化線房間的風(fēng)量影響也越大。然而,在實(shí)際調(diào)試過程中,機(jī)房過濾器前閥門為檢修用閥門,有效調(diào)節(jié)范圍較小,一般運(yùn)行時(shí)不通過調(diào)節(jié)該閥門來控制風(fēng)量,因此,可以認(rèn)為調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)后閥門對(duì)固化線房間風(fēng)量的影響最大。

當(dāng)過濾器處于初阻力工況時(shí),需要調(diào)節(jié)固化線房間通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)調(diào)節(jié)閥的葉片開啟角度(阻力系數(shù)),以滿足房間的負(fù)壓與設(shè)計(jì)通風(fēng)量。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),過濾器容塵過程會(huì)造成房間負(fù)壓增大,為了使過濾器容塵過程中固化線房間負(fù)壓和風(fēng)量盡量長時(shí)間地滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,盡量避免出現(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,應(yīng)當(dāng)通過調(diào)節(jié)閥門葉片開啟角度,使固化線房間在過濾器初阻力狀態(tài)下的負(fù)壓盡量接近規(guī)范規(guī)定的最高值,即-200 Pa,為后續(xù)過濾器容塵過程的閥門調(diào)節(jié)提供余量。當(dāng)整個(gè)通風(fēng)管網(wǎng)中所有具有調(diào)節(jié)功能的閥門的葉片開啟角度組合能夠使固化線房間負(fù)壓值最大,且滿足規(guī)范規(guī)定值,即之后再調(diào)節(jié)任意閥門都不能使負(fù)壓高于這個(gè)最大值,此時(shí)的閥門葉片開啟角度組合可以作為對(duì)后續(xù)調(diào)節(jié)最優(yōu)的組合。根據(jù)之前的結(jié)論,固化線房間負(fù)壓受進(jìn)風(fēng)過濾器閥門阻力系數(shù)影響最大,且閥門阻力系數(shù)越大,負(fù)壓越大,因此,固化線負(fù)壓調(diào)節(jié)主要以調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)過濾器閥門為主,這樣可以使后續(xù)容塵過程的閥門調(diào)節(jié)更加簡單,只需要調(diào)節(jié)相對(duì)同一位置(例如,所有支路的進(jìn)風(fēng)過濾器閥門可以被看作在相對(duì)同一位置)的閥門即可滿足規(guī)范規(guī)定的負(fù)壓。然而在實(shí)際調(diào)試過程中,由于機(jī)房過濾器和風(fēng)機(jī)位于排風(fēng)機(jī)房內(nèi),閥門安裝位置普遍較高,調(diào)節(jié)有一定的難度,因此,只調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)過濾器閥門也有助于減少閥門調(diào)節(jié)的工作量。

根據(jù)以上閥門調(diào)節(jié)思路,根據(jù)固化線通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量與風(fēng)機(jī)、機(jī)房過濾器額定風(fēng)量,給定風(fēng)機(jī)后和機(jī)房過濾器前閥門的阻力系數(shù)為22;根據(jù)固化線房間設(shè)計(jì)風(fēng)量與就地排風(fēng)過濾器設(shè)備額定風(fēng)量,給定就地排風(fēng)過濾器前后閥門的阻力系數(shù)為2。然后,調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)過濾器閥門葉片開啟角度,結(jié)果見表4,此時(shí)的閥門葉片開啟角度組合是對(duì)后續(xù)調(diào)節(jié)影響較小的最優(yōu)組合,固化線房間負(fù)壓最高值為-200 Pa,每個(gè)固化線房間的風(fēng)量也滿足換氣次數(shù)要求。

如表4所示,對(duì)各個(gè)房間調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié),使得在滿足房間的設(shè)計(jì)風(fēng)量的同時(shí),滿足固化線房間與橙區(qū)房間負(fù)壓維持在-300～-200 Pa之間,從而滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 固化線房間FLoMASTER調(diào)節(jié)結(jié)果

4 結(jié)論

1) 固化線房間的風(fēng)量與阻力的關(guān)系基本呈二次多項(xiàng)式的形式,隨著風(fēng)量的增大,房間阻力急劇上升。

2) 固化線房間負(fù)壓受進(jìn)風(fēng)過濾器閥門阻力系數(shù)影響更大,而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)后閥門對(duì)房間風(fēng)量的影響更加明顯。

3) 找到了一種有利于減少固化線房間通風(fēng)系統(tǒng)后續(xù)閥門調(diào)節(jié)工作量的最優(yōu)的閥門葉片開啟角度組合,可以使后續(xù)容塵過程中的閥門調(diào)節(jié)更加簡單。