泄漏率对核通风系统高效空气过滤器净化系数的影响分析

0 引言

核通风系统中常使用高效空气过滤器去除放射性气溶胶粒子，过滤器安装后需验证系统的有效性[1]。在通风系统施工、运行及过滤器安装过程中可能存在一定的泄漏，现场试验时更多关注的是过滤器性能，容易忽视泄漏的影响。本文总结了核通风系统中常见的泄漏形式，推导了泄漏率与系统净化系数的关系，并以此分析泄漏率对系统净化系数的影响[2]。

1 泄漏率

泄漏率η可由下式计算：

(1)

式中Vx为泄漏的空气量，m3/h；V为气流流量，m3/h。

通风系统泄漏可分为以下4种形式：

1) 设计不当引起的泄漏，如某些消防水管道设计不合理，引起过滤器前后气流短路。此类泄漏在新设计的系统中容易出现。

2) 施工引起墙体、排架的泄漏，主要包含某些电缆线、测压管等贯穿件密封不严，过滤器排架与墙体之间有缝隙。

3) 过滤器安装不当引起的泄漏，包括压紧装置调整不到位无法将过滤器压紧及过滤器滤材发生破损2种情况。前者易于发现，而后者很难发现。

4) 运行时某些贯穿管道隔离不当引起的泄漏，如某些贯穿阀门关闭不严或没有关闭等。

经常遇到的是第2)、3)种形式的泄漏。由于通风小室施工及过滤器安装不当等原因造成的泄漏问题较为突出。现场进行高效空气过滤器系统试验时，经常出现新安装的过滤器净化系数较低的情况，有的甚至不满足规范和设计要求。

核通风系统的泄漏率随系统的运行状况而发生变化，泄漏率的变化有缓慢增大及突然增大2种情况：过滤器安装初期，随着系统运行过滤器阻力增大，使得压紧装置稍有松动、某些封堵小面积开裂等情况，系统的初始泄漏率缓慢增大；系统局部风量不均匀、在超过额定风量较长时间下运行，或者气流相对湿度过大引起过滤器滤纸的破损，或某些封堵的大面积脱落，导致系统泄漏率突然增大。

高效空气过滤器作为吸附放射性气溶胶的核设备之一，如果泄漏率过大，就不能满足设计要求，过量的放射性物质通过通风系统排至周围环境大气中，会对厂区工作人员、周围民众和环境造成放射性污染和伤害。

2 泄漏率与系统净化系数的关系

2.1 泄漏率与系统净化系数的关系推导

高效空气过滤器的净化系数CE可根据下式计算[3]：

(2)

式中Cu、Cd分别为高效空气过滤器上、下游放射性气体质量浓度，mg/m3。

为严格控制放射性气体泄漏到环境中，高效空气过滤器的净化系数应不小于1 000，相当于净化效率不小于99.9%。

对于通风系统，假定其流量为V，泄漏率为η，则泄漏量为Vη，流过高效空气过滤器滤材的空气为V(1-η)。由于下游气流中放射性气体浓度由泄漏及过滤器过滤不完全两部分气体叠加，则有：

(3)

式中C′u、C′d分别为系统上、下游气体中放射性气体质量浓度，mg/m3。

简化式(3)可得：

(4)

根据净化系数的定义，通风系统的净化系数C′E为

(5)

由此可见，系统的净化系数C′E由过滤器的净化系数CE和泄漏率η两部分决定，不考虑分析设备精度和环境本底的影响时，C′E与上游气流中的放射性气体浓度无关。泄漏的存在对系统的净化性能产生不利影响，使其净化系数低于过滤器的净化系数。只有当系统泄漏率为0时，系统的净化系数C′E才等于过滤器的净化系数CE。

以C′E/CE作为表征系统净化系数偏离过滤器净化系数的程度。该值越小说明系统净化系数低于高效空气过滤器的程度越大，泄漏的影响也越大；该值越接近于1，说明泄漏的影响越小。

2.2 泄漏率对系统净化系数的影响

以过滤器净化系数10 000为例，计算不同泄漏率下系统的净化系数，结果见表1。由表1可见，即便泄漏率仅为0.01%，对于风量10 000 m3/h的系统，存在1 m3/h的泄漏，系统净化系数就降低为过滤器净化系数的一半。可以看出，系统存在极低的泄漏也会对系统的净化系数产生很大影响。当泄漏率增大到0.04%时，系统净化系数降低为2 000，仅为过滤器净化系数的20%；当泄漏率为0.10%时，系统净化系数低于1 000。

表1 系统净化系数与泄漏率的关系(CE=10 000)

3 福清核电案例原因分析

3.1 SBE(热洗衣机房系统)过滤器滤芯破损

2015年9月3日，在对101大修SBE系统高效空气过滤器进行性能试验发现，刚更换过滤器后系统的净化系数为396，不满足净化系数为1 000的要求。

试验人员分析了SBE系统高效空气过滤器净化系数不合格的原因，可能包括：过滤器装置未压紧、过滤器单元破损、风量不满足要求、试验数据采集不准确、过滤器运行时间过长失效。其中风量不满足要求、试验数据采集不准确属于人工操作不当。经调查，风量数据记录表满足额定风量要求，上下游采样分析结果均有采样数据，并与类似试验数据相近，上述原因排除；过滤器运行过久失效属于过滤器本身性能原因，因为过滤器是新更换的设备，可排除；过滤器装置未压紧、过滤器单元破损会导致泄漏率偏大，经过分析，不能排除该原因。

过滤器装置未压紧、过滤器单元破损可能是主要原因，试验人员组织机械安装人员、厂房管理人员对过滤器箱体、过滤器本身、过滤器压紧装置进行检查，最后发现某个过滤器滤芯存在破损。由于安装人员对安装流程、过滤器的性能不熟悉，导致安装过程中过滤器滤芯出现了破损，从而导致试验不合格。更换破损的过滤器滤芯并整理压紧装置后重新试验，系统的净化系数为5 920。该系统共安装9个高效空气过滤器，破损处面积仅为1个高效空气过滤器面积的1/200。

3.2 DWA(热机修车间和仓库通风系统)过滤器压紧装置部分缺失

2017年1月9日，在对102大修DWA系统101/102高效空气过滤器进行性能试验时，系统的净化系数为536，不合格。

在对安装过滤器的小室进行检查时，发现某个过滤器的部分压紧装置缺失，导致过滤器的压紧面与过滤器小室排架密封不严，存在泄漏。

对压紧装置进行处理后，重新试验，系统的净化系数为4 960，满足要求。

4 降低系统泄漏率的措施

由于通风系统泄漏率是多种因素的综合体现，随系统的运行泄漏率不断发生变化，甚至发生过滤器滤纸破损或贯穿件封堵的突然失效导致的泄漏率数值突然增大的极端情况，而现场难以监测查找，需要对高效空气过滤器净化系统进行现场性能试验，通过测定系统的净化系数推测系统的泄漏情况。目前试验主要有3种，存在的问题及解决措施如下。

4.1 调试试验

1) 存在问题。

调试试验为核通风系统施工完成后的首次试验，目的是解决施工、建造中存在的泄漏问题。如果此阶段初始泄漏率较大，将会对后续的定期试验结果影响较大。

2) 解决措施。

对过滤器的小室、箱体、排架进行检查，不留任何贯穿孔洞；对电缆、引压管线等孔洞进行封堵。验收试验必须将系统的泄漏率控制在较低水平，如果首次试验核通风系统净化系数较低，可考虑对小室及安装排架进行检漏试验以减少泄漏对系统净化系数的影响。

4.2 定期试验

1) 存在问题。

福清核电站对于高效空气过滤器的定期性能试验为一个换料周期，此阶段可能出现过滤器运行过长老化失效的问题。

2) 解决措施。

建议在高效空气过滤器性能试验前，对通风过滤器小室的过滤器滤芯、过滤器紧固件等进行检查。

4.3 更换试验

1) 存在问题。

更换试验是在净化系数不满足系统要求或过滤器阻力超标而更换过滤器之后进行的试验。可能存在过滤器安装过程过滤器安装不严、过滤器破损，按照现场运行经验，系统运行24个月后可能出现过滤器排架紧固件松动等问题。

2) 解决措施。

规范过滤器安装人员的行为，必要时对过滤器排架进行检查。安装后由专门人员进行检查，排除过滤器的安装问题，确保核通风系统的正常运行。

5 结语

高效空气过滤器为去除通风系统中放射性气溶胶粒子的重要设备，净化系数作为反映高效过滤器性能的重要参数，数值越大说明系统去除放射性气溶胶粒子的能力越强。本文结合理论分析和福清核电站工程案例，发现泄漏率对系统的净化系数有很大影响，提出了提高核通风系统净化系数的措施，可供相关人员参考。