过滤器容尘过程对房间负压、风量的影响研究*

刘思涵 张 舟 魏 刚 闫 征 王建峰

(1.中国核电工程有限公司,北京;2.河南核净洁净技术有限公司,郑州)

0 引言

在核电厂与核化工后处理厂等核设施中,通风与空调设计需要确保设备室、热室等红区房间在正常运行状态和事故工况下释放的气载放射性物质含量保持在规定值以下。核设施厂的红区房间气载放射性物质含量较高,其通风系统需要满足以下2个要求。

1) 房间压力相对于相邻低放射性区域为负压。在EJ/T 938—1995[1]等规范中,规定中、高放设备室负压范围为-150～-100 Pa,手套箱、工作箱和热室负压范围为-300～-200 Pa,以保证压力边界及气溶胶的正确流向。

2) 通风系统设置过滤器对进、排风进行过滤:进风一般来自相邻房间或检修大厅,经一级过滤后送至红区;排风系统在红区房间附近就地设置第一级过滤器,在排风机房设置第二级过滤器,过滤后经风机排至烟囱。

随着系统持续运行,过滤器内部会逐渐累积放射性气溶胶、灰尘等颗粒,造成滤芯堵塞。在传统的设计中,进、排风过滤器一般以阻力达到初阻力的2倍作为更换滤芯的指标。然而,过滤器在容尘过程中,由于阻力的急剧上升,可能会出现红区房间负压和风量不满足规范与设计要求的情况。另外,将2倍初阻力作为过滤器更换滤芯的最终指标也缺乏理论依据与数据支撑。对于以上问题,国内外现阶段研究较少。因此,本文研究过滤器从投入运行到更换滤芯期间红区房间负压、风量的变化情况,并针对实际工程中极端工况下房间负压、风量不满足规范和设计要求的情况,制定相应的负压、风量调节策略,以为传统的设计提供理论依据。

1 理论基础

为了增加系统的可靠性,对于红区的排风需要在房间就地设置第一级过滤器,在排风机房设置第二级过滤器,具体流程如图1所示。

图1 红区排风系统流程

核设施空气过滤器在使用一段时间后,滤芯积尘量升高,阻力增大,因此需要更换滤芯,防止过滤器堵塞影响过滤效果。过滤器的阻力是指在一定试验风速下过滤器前后的压差,阻力在过滤器运行过程中是不断变化的,因此,常用初阻力和终阻力来表示过滤器性能[2-3]。初阻力是指过滤器未积尘时额定风量下的阻力;终阻力是指过滤器使用一段时间后,积尘量达到一定数量需要更换过滤器滤芯时的阻力。过滤器的阻力与使用时间基本呈现正相关性,过滤器使用时间越长,积尘越多,阻力越大,且阻力增大速度也会越快。在一些核电厂的调试过程中,对核级高效过滤器终阻力的要求一般也是初阻力的2倍[4]。

随着过滤器的持续使用,滤芯阻力增大,过滤器的通过风量降低,系统排风量减少,造成房间内压力变化,影响房间内放射性气溶胶的排出效率及负压环境的维持。因此,研究过滤器运行周期的阻力变化对房间负压、风量的影响,对于核设施整个排风系统风量的调试、房间负压的控制及房间放射性气溶胶的排除效率有着重要的意义。

基于上述研究目的,本文的研究思路为:1) 在FLoMASTER(热流体系统仿真分析软件)中建立通风系统一维水力平衡模型,代入各个设备的阻力曲线及过滤器初阻力状态下的风量-阻力曲线,得出一种对于后续阀门调节工作最有利的阀门叶片开启角度组合;2) 分别研究进、排风过滤器容尘量对房间风量、负压的影响;3) 针对实际工程几种极端工况下房间负压与风量无法满足规范与设计要求的情况,结合不同设备阀门的敏感性分析,提出相应的调节措施。

2 技术路线及方案

2.1 目标工程通风系统介绍

本文主要针对某工程的红区固化线排风系统建模。总排风量L=6 600 m3/h(每个固化线房间设计风量为3 300 m3/h),固化线房间的负压需要维持在-300～-200 Pa,排风设置就地过滤器,一用一备。净化后的空气经风管集中排至红区排风机房,经第二级过滤器(一用一备)二次净化后,用风机经风管排到地下风道后至排风塔高空扩散、稀释。固化线房间的进风是利用与相邻橙区房间的压差,从相邻橙区房间取风,经过一级进风净化装置(2台,无备用)过滤后进入固化线房间。整个固化线排风系统包括进风过滤器、阀门、排风过滤器、机房过滤器、风机、风管、止回阀等部件。

固化线中的放射性气体经过就地过滤器及机房中的过滤器过滤后排至室外管道,过滤器滤芯能够捕集放射性气溶胶及灰尘,是排风管网系统中的主要阻力元件。目标工程的过滤器选用型号见表1。风机是排风管网的主要动力元件。固化线排风系统在红区排风机房设2台离心式风机,一用一备,风机参数:流量7 511 m3/h,额定全压4 451 Pa。

表1 固化线过滤器选型

2.2 目标工程的FLoMASTER一维水力平衡模型

2.2.1目标工程的FLoMASTER建模

本文采用FLoMASTER对目标工程固化线排风系统进行模拟,将调研及CFD模拟得到的各类设备、固化线房间阻力曲线输入FLoMASTER模型中,探究调节不同设备的阀门对于固化线房间风量及负压的影响。系统模型见图2,仿真条件见表2。

表2 FLoMASTER仿真条件

图2 固化线排风系统的FLoMASTER水力计算模型

2.2.2过滤器初阻力工况下固化线房间的FLoMASTER调节结果

通过调节不同设备的阀门对固化线房间负压、风量的敏感性进行分析,结果表明进风过滤器阀门的阻力系数对于房间负压的影响最大。根据此结论给出过滤器初阻力工况下固化线通风系统阀门调节策略:1) 进风过滤器阀门阻力系数尽量大;2) 固化线房间负压尽量接近-200 Pa;3) 控制固化线房间风量尽量接近设计风量3 300 m3/h。确定以上3条原则的目的是为了使后续过滤器不断容尘的过程中,固化线房间负压和风量尽量满足规范和设计要求,不出现所有阀门全开的状态下都不能使固化线房间负压满足规范要求的情况。

根据以上调节策略,在整个固化线通风系统中,给定风机后阀门阻力系数为12,机房过滤器前阀门的阻力系数为38;由于排风过滤器阀门对固化线房间负压和风量的影响均不敏感,因此,排风过滤器前后阀门的阻力系数可以直接设定为0.2(阀门全开,对应叶片开启角度0°)。然后调节进风过滤器阀门叶片开启角度,调节结果见表3,此时的阀门叶片开启角度组合是初阻力工况下的最优组合,可使后续过滤器容尘过程中阀门调节工作量最少。此时,固化线房间负压最低值为-225 Pa,房间风量满足换气次数要求。

表3 过滤器初阻力工况下固化线房间FLoMASTER调节结果

3 过滤器容尘过程阻力变化对固化线房间负压、风量的影响研究

3.1 过滤器容尘过程风量-阻力曲线的调研

过滤器容尘过程中阻力会不断上升,从而影响固化线房间的负压、风量。过滤器运行周期内阻力曲线需要利用实验数据拟合得出。根据某公司针对高效过滤器VM01滤芯的容尘实验数据,加上过滤器结构阻力30 Pa,可以得到GJ1340-T/B、GJ2340-T/B 过滤器的容尘阻力曲线,见图3。

图3 GJ1340-T/B、GJ2340-T/B过滤器(2种过滤器使用同一款滤芯)不同风量下的容尘量-阻力曲线

可以看出,随着容尘量的增大,过滤器阻力增大。本文研究的固化线排风系统中,进、排风过滤器采用的VM01滤芯过滤效率[5]高达99.98%,排风经排风过滤器后的含尘量极小,与进、排风过滤器相比,机房过滤器的容尘速度很低。所以在研究中假定机房过滤器容尘量和阻力保持不变。

FLoMASTER一维水力平衡模型中需要输入风量-阻力曲线进行计算,可以根据该公司提供的不同风量工况下的过滤器容尘实验数据,整理得出不同容尘量下的过滤器风量-阻力曲线,见图4。在额定风量3 400 m3/h下,当容尘量达到约1 800 g时,过滤器阻力达到646 Pa,为初阻力的2倍(初阻力为323 Pa),可以认为过滤器达到终阻力。

图4 不同容尘量下的过滤器风量-阻力曲线

3.2 进、排风过滤器容尘过程对固化线房间负压、风量的影响

本文取容尘量1 800 g为过滤器终阻力工况,将进、排风过滤器容尘量分别为0、1 800 g时的风量-阻力曲线带入FLoMASTER一维水力平衡模型中,维持初阻力工况下的阀门阻力系数,分别研究进、排风过滤器容尘过程中固化线房间负压、风量变化情况,结果如图5所示。

图5 过滤器容尘过程对固化线房间负压和风量的影响

分析图5可以得知,当进风过滤器容尘量不变、排风过滤器容尘量增大时,固化线房间负压绝对值减小,风量减小;当排风过滤器容尘量不变、进风过滤器容尘量增大时,固化线房间负压增大,风量减小。对比图5a、b可以得知,进风过滤器的容尘过程对固化线房间负压的影响比排风过滤器的影响大,而排风过滤器容尘过程对固化线房间风量的影响更大。

表4、5分别显示了通风系统所有阀门处于过滤器初阻力工况下,进、排风过滤器不同容尘量时的固化线房间负压、风量结果。

表4 初阻力工况不同进、排风过滤器容尘量时固化线房间负压(阴影部分为负压不满足规范的结果) Pa

表5 初阻力工况不同进、排风过滤器容尘量时固化线房间风量 m3/h

在进风过滤器容尘量为0 g,排风过滤器容尘量从0 g增加到1 800 g的过程中,维持初阻力工况下阀门的叶片开启角度组合时,固化线房间负压均处于-300～-200 Pa范围内,即当进风过滤器处于初阻力时,无论排风过滤器处于初阻力至终阻力之间的何种状态,均不需要采取调节手段。

在进风过滤器容尘量为1 800 g,排风过滤器容尘量从0 g增加到1 800 g的过程中,维持初阻力工况下阀门的叶片开启角度组合时,固化线房间负压均低于-300 Pa,即当进风过滤器处于终阻力时,无论排风过滤器处于何种过程,均需要采取调节手段。

在排风过滤器容尘量为0 g、进风过滤器容尘量超过1 000 g,维持初阻力工况下阀门的叶片开启角度组合时,固化线房间负压低于-300 Pa,即当排风过滤器处于初阻力、进风过滤器阻力超过495 Pa时,需要采取调节手段。

在排风过滤器容尘量处于1 800 g、进风过滤器容尘量超过1 200 g时,维持初阻力工况下阀门的叶片开启角度组合无法使固化线负压满足在-300～-200 Pa范围的要求,即当排风过滤器处于终阻力、进风过滤器阻力超过525 Pa时需要采取调节手段。

3.3 极端工况下的固化线房间负压、风量调节措施

本文主要研究3种极端工况下固化线房间负压、风量的调节措施:1) 进风过滤器处于初阻力工况、排风过滤器处于终阻力工况;2) 进风过滤器处于终阻力工况、排风过滤器处于初阻力工况;3) 进风过滤器处于终阻力工况、排风过滤器也处于终阻力工况。

分析表4、5可以得知:当进风过滤器处于初阻力工况、排风过滤器处于终阻力工况时,固化线负压降低到-215 Pa时无需调节阀门;当进风过滤器处于终阻力工况、排风过滤器处于初阻力工况时,固化线负压增大到-350 Pa;当进风过滤器处于终阻力工况、排风过滤器也处于终阻力工况时,固化线负压为-335 Pa。针对第2)、3)种极端工况,调节所有进风过滤器阀门阻力系数,调节结果见表6。

表6 极端工况2)、3)的调节结果

通过上述分析可以得知,在某些极端工况下,当过滤器达到2倍初阻力所对应的容尘量时,无法通过调节阀门使固化线负压维持在规定范围内。因此,2倍初阻力不能作为滤芯更换的依据,需要结合相关房间的负压、风量情况,以及滤芯剂量率情况进行综合判定。

针对以上结论,可以对核设施厂房通风系统进行优化:

1) 研发各设备阀门关于红区房间负压、风量的自动控制系统,以使在过滤器处于初阻力的工况下,阀门能自动调节到相应开度,使房间负压处于满足规范要求的最小值,且风量满足设计要求。

2) 将进风过滤器阀门更换为电动密闭调节阀,并与房间负压、风量进行连锁控制,通过反馈房间负压、风量等信号实现自动调节功能。

3) 开发智能过滤器,可以显示过滤器当前的阻力、容尘量、剂量率等信息,并通过模拟仿真等方式将这些参数信号整合输出,预测运行一段时间后过滤器的阻力、容尘量、剂量率,为运维人员提供预计更换滤芯时间,剂量率超出目标值时发出预警信号,并在过滤器未达到终阻力、房间负压已超过可调阻力值时也发出预警信号。

4 结论

1) 在整个通风系统中,进风过滤器阀门的阻力系数对固化线房间负压的影响最大。

2) 找到了一种初阻力工况下阀门叶片开启角度组合,可以使后续容尘过程只需要调节进风过滤器的阀门,大大降低了调试工作量。

3) 进风过滤器的容尘量变化对固化线房间负压的影响比排风过滤器的影响大,而排风过滤器容尘变化对固化线房间风量的影响更大。

4) 当进、排风过滤器均处于终阻力时,可以将进风过滤器阀门调至全开,维持固化线房间负压范围;当进风过滤器处于终阻力、排风过滤器处于初阻力时,无法通过调节阀门使固化线房间负压维持在规定范围内。