通風系統不同閥門調節對固化線房間負壓和風量的影響研究

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

在核設施中,通風與空調設計需要確保設備室、熱室在正常運行狀態和事故工況下釋放的氣載放射性物質含量保持在規定限值以下。基于此,常常將房間負壓控制在某一范圍內。在EJ/T 938—1995《核燃料后處理廠通風與空氣凈化設計規定》[1]等規范中,對于具有不同放射性的紅區房間有不同的負壓要求。低放設備室進風通常用余壓閥控制,中、高放設備室負壓值為-150～-100 Pa,手套箱、工作箱和熱室負壓值為-300～-200 Pa,以保證壓力邊界及氣溶膠的正確流向。

為了使紅區房間負壓保持在規定范圍內,需要調節進、排風管道上的閥門開度。然而,核設施紅區通風系統設備數量較多、管路較長,系統中各個閥門的調節結果會相互耦合,影響房間負壓的保持。本文以某核化工項目固化線房間通風系統為例,探究調節不同閥門對紅區房間負壓和風量的影響。

1 通風系統概況

該排風系統每個固化線房間負壓均需維持在-300～-200 Pa,在負壓的作用下,進風來自相鄰橙區房間,經過設一級過濾器的過濾裝置凈化后進入固化線房間。對于排風,設置就地過濾器裝置(一用一備),凈化后的空氣經風管集中排至紅區排風機房,再經設兩級過濾器的過濾裝置(一用一備)二次凈化后,用風機經風管排至地下風道再至排風塔高空擴散、稀釋。整個通風系統包括進風過濾器、閥門、排風過濾器、機房過濾器、風機、風管、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系統水力平衡模型,通過研究調節不同閥門對固化線房間負壓、風量的影響,得到閥門調試工作量最小的閥門開度組合。

2 數學模型

2.1 CFD數學模型

CFD的基本控制方程如下。

連續方程：

(1)

式中ρ為空氣密度,kg/m3;v為空氣流速,m/s;t為時間,s。

動量方程：

(2)

式中p為空氣壓力,Pa;τ為應力,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為湍流普朗特數;T為空氣溫度,K;Sh為熱源項,W/m3。

(4)

式中ph為房間的靜壓,Pa;Qh為房間的送風量,m3/h;Qh,s為房間的設計風量,m3/h。

2.2 FLoMASTER軟件理論介紹

FLoMASTER基于矩陣求解對整個模型進行求解計算。矩陣求解網絡示意圖見圖1。

注：1～4為節點;①～③為元件;mij為i節點到j節點的流量;pi為i節點處的壓力。圖1 矩陣求解網絡示意圖

綜合各個元件及節點的質量守恒方程得到系數矩陣方程,即式(5)。

(5)

式中a為元件A、B、C線性方程的系數,下標為系數編號。

式(5)矩陣中的系數由相應元件的參數決定。在對系統模型進行求解時,先根據邊界條件壓力源(流量源)進行初次求解,得到各節點的流量(壓力),再根據此計算結果進行再次求解,如此往復迭代計算,直到所有結果的殘差都達到預先設定值,迭代終止,計算完成。

3 模擬過程及分析

該固化線房間中的放射性氣體經過就地過濾器及機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,是排風管網系統中的主要阻力元件。根據該項目實際參數,調研獲得過濾器選型,如表1所示,過濾器、風機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-風量曲線

圖3 某離心式風機性能曲線

圖4 閥門阻力系數與葉片開啟角度的關系

圖5 固化線房間幾何模型

參考圖集07K120《風閥選用與安裝》中關于蝶閥的選用說明,設計所選閥門的阻力系數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。根據該項目的通風技術路線,將每個固化線房間簡化為長方體計算域,并加入攪拌器、提升門等設備,根據施工圖中進、排風管的位置設置模擬計算域的入口和出口,具體模型見圖5。固化線房間利用負壓差從相鄰橙區房間取風,而橙區房間與室外壓差為-50 Pa,因此可以將固化線房間入口設置為有固定數值的壓力入口(-50 Pa),出口設置為速度出口,流速按照固化線房間設計風量及風口截面積進行折算。房間內流動為湍流,選用K-ε雙方程模型,利用CFD軟件求解連續方程和動量方程,從而得到出口處的平均壓力。為了得到固化線房間的風量-壓差阻力特性曲線,需要代入不同風量進行計算。本文將固化線房間計算風量折算成流速,代入出口邊界條件,并按照25%、50%、75%、100%、125%排風量分別進行模擬,得到不同排風量時的固化線房間進出口壓差,從而總結出固化線房間的阻力特性曲線。固化線房間排風量與進出口壓差的對應關系見表2,固化線房間風量-壓差變化曲線(2條固化線排風流程完全一致)如圖6所示。

表2 固化線房間排風量與進出口壓差

圖6 固化線房間風量-壓差曲線

3.2 固化線房間負壓的影響研究

得到固化線房間的阻力曲線后,本文在FLoMASTER中建立通風系統模型。將調研及CFD模擬得到的各類設備、房間的阻力特性曲線代入到FLoMASTER模型中,探究調節不同閥門對固化線房間風量及負壓的影響。由于固化線房間通風系統從橙區房間取風,橙區房間需要維持50 Pa的負壓。系統排風經進風過濾器、固化線房間、排風過濾器、機房過濾器、風機等設備后排入管溝,可以將管溝接口處設置為500 Pa壓力出口邊界。整個系統的模型見圖7,仿真條件見表3。

圖7 固化線通風系統FLoMASTER水力計算模型

固化線房間的排風過濾器、機房過濾器、風機為一用一備,因此,備用設備支路上的閥門可以暫時保持關閉狀態。將過濾器、風機、固化線房間的阻力曲線輸入到FLoMASTER軟件中,調整圖7中方框內閥門(分別為進風過濾器后閥門、排風過濾器前后閥門、機房過濾器前閥門、風機后閥門)的阻力系數,使固化線房間負壓滿足規范要求。

表3 FLoMASTER仿真條件

在FLoMASTER中,調節不同位置的閥門對模擬結果的影響不同,圖8、9顯示了模擬中調節不同位置閥門阻力系數對固化線房間負壓和風量的影響。

圖8 閥門阻力系數對固化線負壓的影響

圖9 閥門阻力系數對固化線房間風量的影響

分析圖8a可以看出,不同閥門阻力系數對于固化線房間負壓的影響不同。當進風過濾器閥門阻力系數增大時,閥門阻力增大,房間負壓增大;而調節排風過濾器、機房過濾器前和風機后閥門葉片開啟角度,會導致房間負壓減小,影響程度遠小于調節進風過濾器閥門。圖8b顯示了過濾器處于初阻力工況下,不同閥門阻力系數處于最終調節結果附近時對負壓的影響。根據整個固化線房間排風系統的阻力都是由風機的壓頭克服的,可以列出固化線房間負壓的關系式(見式(6)、(7))。由于進風過濾器進風處不接風管,直接從大廳取風,且出風處與固化線房間入口距離很近,可以忽略整個管網進風端的風管阻力,因此,式(7)中忽略了風管的阻力。

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為橙區大廳壓力,Pa;Δpjg為進風過濾器阻力(壓降),Pa;Δpjgf為進風過濾器閥門阻力(壓降),Pa;Δpg為固化線房間阻力(壓降),Pa;Δppgf為排風過濾器閥門阻力(壓降),Pa;Δppg為排風過濾器阻力(壓降),Pa;Δpf為風管阻力(壓降),Pa;Δpfgf為機房過濾器閥門阻力(壓降),Pa;Δpfg為機房過濾器阻力(壓降),Pa;Δpff為風機后閥門阻力(壓降),Pa;pgg為管溝壓力,Pa;Δpfj為風機阻力,Pa。

以上參數中,L1=0.50L2=0.25L,d1=0.26 m、d2=0.40 m、d=0.60 m,將相關數據代入各個閥門的阻力系數計算式中,可以算得進風過濾器閥門阻力系數前的系數為負數,且絕對值較大,大于其他閥門阻力系數前的系數的絕對值,因此,調節進風過濾器閥門阻力系數,對于固化線房間負壓的影響更大。

分析圖9a可以看出,當閥門阻力系數增大時,房間風量減小。圖9b顯示了過濾器處于初阻力工況下,不同閥門阻力系數處于最終調節結果附近時對固化線房間風量的影響。從圖9a可以看出,調節機房過濾器前閥門和風機后閥門對固化線房間風量的影響比調節進、排風過濾器閥門更大,這是由于機房過濾器前和風機后閥門的直徑大于進、排風過濾器閥門直徑,在調節閥門阻力系數,即調節葉片開啟角度時,對應改變的風量與閥門直徑相關。閥門直徑越大,開啟同樣的葉片角度時改變的閥門過風面積越大,過風量也越大,對固化線房間的風量影響也越大。然而,在實際調試過程中,機房過濾器前閥門為檢修用閥門,有效調節范圍較小,一般運行時不通過調節該閥門來控制風量,因此,可以認為調節風機后閥門對固化線房間風量的影響最大。

當過濾器處于初阻力工況時,需要調節固化線房間通風系統內調節閥的葉片開啟角度(阻力系數),以滿足房間的負壓與設計通風量。根據設計經驗,過濾器容塵過程會造成房間負壓增大,為了使過濾器容塵過程中固化線房間負壓和風量盡量長時間地滿足規范和設計要求,盡量避免出現所有閥門全開的狀態下都不能使固化線房間負壓滿足規范要求的情況,應當通過調節閥門葉片開啟角度,使固化線房間在過濾器初阻力狀態下的負壓盡量接近規范規定的最高值,即-200 Pa,為后續過濾器容塵過程的閥門調節提供余量。當整個通風管網中所有具有調節功能的閥門的葉片開啟角度組合能夠使固化線房間負壓值最大,且滿足規范規定值,即之后再調節任意閥門都不能使負壓高于這個最大值,此時的閥門葉片開啟角度組合可以作為對后續調節最優的組合。根據之前的結論,固化線房間負壓受進風過濾器閥門阻力系數影響最大,且閥門阻力系數越大,負壓越大,因此,固化線負壓調節主要以調節進風過濾器閥門為主,這樣可以使后續容塵過程的閥門調節更加簡單,只需要調節相對同一位置(例如,所有支路的進風過濾器閥門可以被看作在相對同一位置)的閥門即可滿足規范規定的負壓。然而在實際調試過程中,由于機房過濾器和風機位于排風機房內,閥門安裝位置普遍較高,調節有一定的難度,因此,只調節進風過濾器閥門也有助于減少閥門調節的工作量。

根據以上閥門調節思路,根據固化線通風系統總風量與風機、機房過濾器額定風量,給定風機后和機房過濾器前閥門的阻力系數為22;根據固化線房間設計風量與就地排風過濾器設備額定風量,給定就地排風過濾器前后閥門的阻力系數為2。然后,調節進風過濾器閥門葉片開啟角度,結果見表4,此時的閥門葉片開啟角度組合是對后續調節影響較小的最優組合,固化線房間負壓最高值為-200 Pa,每個固化線房間的風量也滿足換氣次數要求。

如表4所示,對各個房間調節閥的阻力系數值進行調節,使得在滿足房間的設計風量的同時,滿足固化線房間與橙區房間負壓維持在-300～-200 Pa之間,從而滿足設計要求。

表4 固化線房間FLoMASTER調節結果

4 結論

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

2) 固化線房間負壓受進風過濾器閥門阻力系數影響更大,而調節風機后閥門對房間風量的影響更加明顯。

3) 找到了一種有利于減少固化線房間通風系統后續閥門調節工作量的最優的閥門葉片開啟角度組合,可以使后續容塵過程中的閥門調節更加簡單。