泄漏率對(duì)核通風(fēng)系統(tǒng)高效空氣過濾器凈化系數(shù)的影響分析

0 引言

核通風(fēng)系統(tǒng)中常使用高效空氣過濾器去除放射性氣溶膠粒子，過濾器安裝后需驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性[1]。在通風(fēng)系統(tǒng)施工、運(yùn)行及過濾器安裝過程中可能存在一定的泄漏，現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)更多關(guān)注的是過濾器性能，容易忽視泄漏的影響。本文總結(jié)了核通風(fēng)系統(tǒng)中常見的泄漏形式，推導(dǎo)了泄漏率與系統(tǒng)凈化系數(shù)的關(guān)系，并以此分析泄漏率對(duì)系統(tǒng)凈化系數(shù)的影響[2]。

1 泄漏率

泄漏率η可由下式計(jì)算：

(1)

式中Vx為泄漏的空氣量，m3/h；V為氣流流量，m3/h。

通風(fēng)系統(tǒng)泄漏可分為以下4種形式：

1) 設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的泄漏，如某些消防水管道設(shè)計(jì)不合理，引起過濾器前后氣流短路。此類泄漏在新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中容易出現(xiàn)。

2) 施工引起墻體、排架的泄漏，主要包含某些電纜線、測壓管等貫穿件密封不嚴(yán)，過濾器排架與墻體之間有縫隙。

3) 過濾器安裝不當(dāng)引起的泄漏，包括壓緊裝置調(diào)整不到位無法將過濾器壓緊及過濾器濾材發(fā)生破損2種情況。前者易于發(fā)現(xiàn)，而后者很難發(fā)現(xiàn)。

4) 運(yùn)行時(shí)某些貫穿管道隔離不當(dāng)引起的泄漏，如某些貫穿閥門關(guān)閉不嚴(yán)或沒有關(guān)閉等。

經(jīng)常遇到的是第2)、3)種形式的泄漏。由于通風(fēng)小室施工及過濾器安裝不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻男孤﹩栴}較為突出。現(xiàn)場進(jìn)行高效空氣過濾器系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)新安裝的過濾器凈化系數(shù)較低的情況，有的甚至不滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

核通風(fēng)系統(tǒng)的泄漏率隨系統(tǒng)的運(yùn)行狀況而發(fā)生變化，泄漏率的變化有緩慢增大及突然增大2種情況：過濾器安裝初期，隨著系統(tǒng)運(yùn)行過濾器阻力增大，使得壓緊裝置稍有松動(dòng)、某些封堵小面積開裂等情況，系統(tǒng)的初始泄漏率緩慢增大；系統(tǒng)局部風(fēng)量不均勻、在超過額定風(fēng)量較長時(shí)間下運(yùn)行，或者氣流相對(duì)濕度過大引起過濾器濾紙的破損，或某些封堵的大面積脫落，導(dǎo)致系統(tǒng)泄漏率突然增大。

高效空氣過濾器作為吸附放射性氣溶膠的核設(shè)備之一，如果泄漏率過大，就不能滿足設(shè)計(jì)要求，過量的放射性物質(zhì)通過通風(fēng)系統(tǒng)排至周圍環(huán)境大氣中，會(huì)對(duì)廠區(qū)工作人員、周圍民眾和環(huán)境造成放射性污染和傷害。

2 泄漏率與系統(tǒng)凈化系數(shù)的關(guān)系

2.1 泄漏率與系統(tǒng)凈化系數(shù)的關(guān)系推導(dǎo)

高效空氣過濾器的凈化系數(shù)CE可根據(jù)下式計(jì)算[3]：

(2)

式中Cu、Cd分別為高效空氣過濾器上、下游放射性氣體質(zhì)量濃度，mg/m3。

為嚴(yán)格控制放射性氣體泄漏到環(huán)境中，高效空氣過濾器的凈化系數(shù)應(yīng)不小于1 000，相當(dāng)于凈化效率不小于99.9%。

對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)，假定其流量為V，泄漏率為η，則泄漏量為Vη，流過高效空氣過濾器濾材的空氣為V(1-η)。由于下游氣流中放射性氣體濃度由泄漏及過濾器過濾不完全兩部分氣體疊加，則有：

(3)

式中C′u、C′d分別為系統(tǒng)上、下游氣體中放射性氣體質(zhì)量濃度，mg/m3。

簡化式(3)可得：

(4)

根據(jù)凈化系數(shù)的定義，通風(fēng)系統(tǒng)的凈化系數(shù)C′E為

(5)

由此可見，系統(tǒng)的凈化系數(shù)C′E由過濾器的凈化系數(shù)CE和泄漏率η兩部分決定，不考慮分析設(shè)備精度和環(huán)境本底的影響時(shí)，C′E與上游氣流中的放射性氣體濃度無關(guān)。泄漏的存在對(duì)系統(tǒng)的凈化性能產(chǎn)生不利影響，使其凈化系數(shù)低于過濾器的凈化系數(shù)。只有當(dāng)系統(tǒng)泄漏率為0時(shí)，系統(tǒng)的凈化系數(shù)C′E才等于過濾器的凈化系數(shù)CE。

以C′E/CE作為表征系統(tǒng)凈化系數(shù)偏離過濾器凈化系數(shù)的程度。該值越小說明系統(tǒng)凈化系數(shù)低于高效空氣過濾器的程度越大，泄漏的影響也越大；該值越接近于1，說明泄漏的影響越小。

2.2 泄漏率對(duì)系統(tǒng)凈化系數(shù)的影響

以過濾器凈化系數(shù)10 000為例，計(jì)算不同泄漏率下系統(tǒng)的凈化系數(shù)，結(jié)果見表1。由表1可見，即便泄漏率僅為0.01%，對(duì)于風(fēng)量10 000 m3/h的系統(tǒng)，存在1 m3/h的泄漏，系統(tǒng)凈化系數(shù)就降低為過濾器凈化系數(shù)的一半。可以看出，系統(tǒng)存在極低的泄漏也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的凈化系數(shù)產(chǎn)生很大影響。當(dāng)泄漏率增大到0.04%時(shí)，系統(tǒng)凈化系數(shù)降低為2 000，僅為過濾器凈化系數(shù)的20%；當(dāng)泄漏率為0.10%時(shí)，系統(tǒng)凈化系數(shù)低于1 000。

表1 系統(tǒng)凈化系數(shù)與泄漏率的關(guān)系(CE=10 000)

3 福清核電案例原因分析

3.1 SBE(熱洗衣機(jī)房系統(tǒng))過濾器濾芯破損

2015年9月3日，在對(duì)101大修SBE系統(tǒng)高效空氣過濾器進(jìn)行性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，剛更換過濾器后系統(tǒng)的凈化系數(shù)為396，不滿足凈化系數(shù)為1 000的要求。

試驗(yàn)人員分析了SBE系統(tǒng)高效空氣過濾器凈化系數(shù)不合格的原因，可能包括：過濾器裝置未壓緊、過濾器單元破損、風(fēng)量不滿足要求、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確、過濾器運(yùn)行時(shí)間過長失效。其中風(fēng)量不滿足要求、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確屬于人工操作不當(dāng)。經(jīng)調(diào)查，風(fēng)量數(shù)據(jù)記錄表滿足額定風(fēng)量要求，上下游采樣分析結(jié)果均有采樣數(shù)據(jù)，并與類似試驗(yàn)數(shù)據(jù)相近，上述原因排除；過濾器運(yùn)行過久失效屬于過濾器本身性能原因，因?yàn)檫^濾器是新更換的設(shè)備，可排除；過濾器裝置未壓緊、過濾器單元破損會(huì)導(dǎo)致泄漏率偏大，經(jīng)過分析，不能排除該原因。

過濾器裝置未壓緊、過濾器單元破損可能是主要原因，試驗(yàn)人員組織機(jī)械安裝人員、廠房管理人員對(duì)過濾器箱體、過濾器本身、過濾器壓緊裝置進(jìn)行檢查，最后發(fā)現(xiàn)某個(gè)過濾器濾芯存在破損。由于安裝人員對(duì)安裝流程、過濾器的性能不熟悉，導(dǎo)致安裝過程中過濾器濾芯出現(xiàn)了破損，從而導(dǎo)致試驗(yàn)不合格。更換破損的過濾器濾芯并整理壓緊裝置后重新試驗(yàn)，系統(tǒng)的凈化系數(shù)為5 920。該系統(tǒng)共安裝9個(gè)高效空氣過濾器，破損處面積僅為1個(gè)高效空氣過濾器面積的1/200。

3.2 DWA(熱機(jī)修車間和倉庫通風(fēng)系統(tǒng))過濾器壓緊裝置部分缺失

2017年1月9日，在對(duì)102大修D(zhuǎn)WA系統(tǒng)101/102高效空氣過濾器進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)的凈化系數(shù)為536，不合格。

在對(duì)安裝過濾器的小室進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)某個(gè)過濾器的部分壓緊裝置缺失，導(dǎo)致過濾器的壓緊面與過濾器小室排架密封不嚴(yán)，存在泄漏。

對(duì)壓緊裝置進(jìn)行處理后，重新試驗(yàn)，系統(tǒng)的凈化系數(shù)為4 960，滿足要求。

4 降低系統(tǒng)泄漏率的措施

由于通風(fēng)系統(tǒng)泄漏率是多種因素的綜合體現(xiàn)，隨系統(tǒng)的運(yùn)行泄漏率不斷發(fā)生變化，甚至發(fā)生過濾器濾紙破損或貫穿件封堵的突然失效導(dǎo)致的泄漏率數(shù)值突然增大的極端情況，而現(xiàn)場難以監(jiān)測查找，需要對(duì)高效空氣過濾器凈化系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場性能試驗(yàn)，通過測定系統(tǒng)的凈化系數(shù)推測系統(tǒng)的泄漏情況。目前試驗(yàn)主要有3種，存在的問題及解決措施如下。

4.1 調(diào)試試驗(yàn)

1) 存在問題。

調(diào)試試驗(yàn)為核通風(fēng)系統(tǒng)施工完成后的首次試驗(yàn)，目的是解決施工、建造中存在的泄漏問題。如果此階段初始泄漏率較大，將會(huì)對(duì)后續(xù)的定期試驗(yàn)結(jié)果影響較大。

2) 解決措施。

對(duì)過濾器的小室、箱體、排架進(jìn)行檢查，不留任何貫穿孔洞；對(duì)電纜、引壓管線等孔洞進(jìn)行封堵。驗(yàn)收試驗(yàn)必須將系統(tǒng)的泄漏率控制在較低水平，如果首次試驗(yàn)核通風(fēng)系統(tǒng)凈化系數(shù)較低，可考慮對(duì)小室及安裝排架進(jìn)行檢漏試驗(yàn)以減少泄漏對(duì)系統(tǒng)凈化系數(shù)的影響。

4.2 定期試驗(yàn)

1) 存在問題。

福清核電站對(duì)于高效空氣過濾器的定期性能試驗(yàn)為一個(gè)換料周期，此階段可能出現(xiàn)過濾器運(yùn)行過長老化失效的問題。

2) 解決措施。

建議在高效空氣過濾器性能試驗(yàn)前，對(duì)通風(fēng)過濾器小室的過濾器濾芯、過濾器緊固件等進(jìn)行檢查。

4.3 更換試驗(yàn)

1) 存在問題。

更換試驗(yàn)是在凈化系數(shù)不滿足系統(tǒng)要求或過濾器阻力超標(biāo)而更換過濾器之后進(jìn)行的試驗(yàn)。可能存在過濾器安裝過程過濾器安裝不嚴(yán)、過濾器破損，按照現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行24個(gè)月后可能出現(xiàn)過濾器排架緊固件松動(dòng)等問題。

2) 解決措施。

規(guī)范過濾器安裝人員的行為，必要時(shí)對(duì)過濾器排架進(jìn)行檢查。安裝后由專門人員進(jìn)行檢查，排除過濾器的安裝問題，確保核通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5 結(jié)語

高效空氣過濾器為去除通風(fēng)系統(tǒng)中放射性氣溶膠粒子的重要設(shè)備，凈化系數(shù)作為反映高效過濾器性能的重要參數(shù)，數(shù)值越大說明系統(tǒng)去除放射性氣溶膠粒子的能力越強(qiáng)。本文結(jié)合理論分析和福清核電站工程案例，發(fā)現(xiàn)泄漏率對(duì)系統(tǒng)的凈化系數(shù)有很大影響，提出了提高核通風(fēng)系統(tǒng)凈化系數(shù)的措施，可供相關(guān)人員參考。