核电厂通风系统引压管布置的分析与改进

2021-06-04

中国核电 2021年2期

(福建福清核电有限公司，福建福清 350318)

核电厂通风系统是核电厂不可或缺的组成部分，一般可以分为送风系统和排风系统。送风系统用于将室外的空气经过滤器吸附、换热盘管热交换后送入房间内，为厂房的设备和人员提供一个较为适宜的温、湿度环境，同时也能避免厂房内的灰尘、气溶胶的形成，降低厂房内活化产物；排风系统则用于将室内空气采用预过滤器、高效过滤器的方式进行处理后排放，部分系统还采用HEPA过滤器和碘吸附器用于吸附气溶胶和放射性碘。同时，排风系统和送风系统可以共同营造房间内正、负压的工况，用于提高居留时间或防止放射性物质的扩散。

核电机组调试和运行实践中，因引压管布置问题导致正负压失当、压差表显示错误等现象屡见不鲜，进而影响了上述功能的正确实现。本文通过具体的案例分析，结合理论推导和现场调试实践，找出上述问题的根本原因，并通过变更取压位置的方式保证了仪表的准确测量。

1 通风系统调试过程中常见的引压管的布置问题

引压管是仪表的一类简单支持部件，用于将设备和系统的内部压力引导至压力表或者压力传感器上；甚至某些孔板流量计的测量也是将不同部位引压管获取的差压传送至传感器，转变为流量信号。引压管在核电厂通风系统的用户一般可以分为压力开关(SP)、差压式流量开关(SD)以及压差仪表(LP)等类型。

某核电厂通风调试期间多次出现过滤器压差表偏差过大/超量程、过滤器压差表读数为负以及房间正负压显示错误等事件，经多方分析验证表明，多系引压管的布置不当所致。

1.1 引压管的正负压引出错误致使压力输出与需求相反

压力开关和正负压表是判断房间正负压和进行逻辑判断的重要因素，而两者的引压管的布置在通风系统中也是最为简单的类型：一根引压管伸入房间或者风管，另外一根伸入房间和风管外的其他房间，高低压端再分别与仪表的相应端连接。

以核燃料厂房通风系统(DVK)为例，核燃料大厅需求为负压，但经过对孔洞封堵、风量精调等多番处理后就地压力表仍显示不理想，最终发现正负压端的引出错误是根本原因；又以主控室空调系统(DVC)为例，设置龙卷风阀用来防止灾害天气造成的外部空间大负压对主控室的不利影响，引压管的引出方式与仪表的校验定值不匹配将致使该功能无法实现。以上问题均为常见问题，倘若不加以处理，核电厂放射性滞留的功能将无从谈起。

1.2 引压管的布置不当致使过滤器压差为负或者为零

过滤器的压差是判定过滤器堵塞程度的关键因素，因此现场过滤器阻力的确定对于通风系统的有效运行有着非常重大的意义。经验数据表明，过滤器的终阻力是初阻力的2～3倍时即需进行更换。某核电通风系统过滤器的压差监测是通过连接在其上下游的膜盒式压差计实现的，因而引压管的布置尤为关键。

调试实践发现，部分过滤器更换频率超出了预期水平，甚至达到了每半个月即需更换的地步，还有部分过滤器刚完成安装压差计就显示为零。经核实，这些过滤器均未达到堵塞失效水平。以上种种造成了过滤器的频繁更换，浪费了大量的人力物力，增加了固体废物的产生量，给维护维修工作造成了极大的困扰，同时更换工作中需停运相关系统，给机组增加了I/O(设备或系统不可用)负担。

针对该类无法正确判定更换时间的现象，根据同行电厂经验总结引进了初阻力法[1]：安装过滤器后得到压差计的读数P1作为过滤器的初阻力，从而确定过滤器的更换阻力P2=2P1；但这种方式仍存在一定误差，需要在系统运行过程中通过加强巡检和监测的方式进行弥补，实际操作中又要对具体系统的具体过滤器建立数据档案，并未在根本上解决此类问题。在排除引压管堵塞、压差计损坏、系统密封不严等多种因素后，认定引压管的布置方式不合理、安装时未考虑空气流体的动静压转换是其根本原因。

如图1所示，以安全壳连续通风系统(EVR)为例，在新装初效过滤器(001FP)后，膜盒式压差计指向零位，无法正确读数；在外接独立压差计测得001FP压差为-0.08 kPa，其中高压侧压力(HP)为-0.73 kPa，低压侧压力(LP)为-0.65 kPa。

图1 EVR仪表及引压管安装示意图Fig.1 The meter and pipe erection of EVR

由图1可知，压差表(001LP)的高、低压的仪表测量管线均垂直插入风道，但高压侧风管截面积明显小于低压侧截面积(S1

V1S1=V2S2

(1)

和单位质量流体的伯努利方程(δW视为过滤器引起的损失):

(2)

因此可以得出过滤器两端的压差理论值：

(3)

由式(3)可知过滤器两端的压差计测量值并非真实值，与标高(h2、h1)、风速(V2)、截面积(S1、S2)等有必然联系，压差计失去了对过滤器的监测功能。

1.3 引压管的取压位置不符合要求致使过滤器压差表偏差较大

GB/T 1236—2000[2]认为只要静压测量探头布置得当，测量精度就会满足要求。但是经研究发现，由于风室内气体流动处于层流区或过渡区和回流的缘故，静压在同一测量截面上沿水平径向呈不均匀分布，其不均匀程度与流量和管道当量直径相关[3]。

(4)

其中为保证同一截面取点的有效性，取点需距离壁面约为风道直径的1/8(圆形风道)或管道宽度的1/8(矩形风道)[4-5]。

此外，为了测量准确的数值，取压点尽量选择在过滤器两侧的直管段上。通常测量点的上游直管段长约大于4～5倍、下游直管段长约大于2～3倍当量直径[6]。

但是对于在线测量压差表，囿于成本、系统布置等因素，上述测量方式在工程实践中显然不便于实现。一般来说，引压管布置在小室或风管的侧壁，并仅能测取一个位置的静压，由于紊流等的存在，该处测取的压力不具有代表性，测量误差也就不可避免地出现。这种现象几乎在每个通风系统上都有所体现。

2 调试过程中对引压管的优化与改进

2.1 从需求侧出发，对引压管正负端进行变更

常见的需求分为房间正负压、触发高低报警/联锁等几种，从系统要求出发就可以很方便的确认引压管的高、低压端。而对于类似于龙卷风阀这个与具体事件相关的压力控制则需要从以下三个方面进行需求分析：1)事件形态，比如龙卷风的特点是在核心部分形成的400 hPa左右的负压区，吸引周围空气向中心部位集中；2)仪表检定的是高报触发还是低报触发；3)引压管的取压位置。只有在以上三者相互匹配的情况下才能确保设计功能的实现。

2.2 结合伯努利原理，分析动静压转化，修改引压管取压位置

如3.2节分析所述，根据伯努利方程可知,风管截面积发生变化时风道内的动静压会发生转换，这种变化将直接影响过滤器压差值的真实性。为根除这种影响，调试人员对全厂通风系统进行了摸底排查，对核燃料厂房通风系统(DVK)、安全壳空气净化系统(EVF)等多个通风系统进行了变更。以EVF为例，改造前005 LP高压侧位于通风小室内，低压侧位于风管内，截面积相差近10倍，仪表读取值严重失真。在将005 LP低压侧引压管移至图2所示位置(实虚线为变更前，虚线为变更后，可与003 LP低压侧共用一根引压管)后测试首次安装的过滤器压差值为182 Pa，符合过滤器性能要求。

2.3 变更取压点，避开紊流区，提高测量数据的可靠性

风道内的紊流是通风系统的关键难题。某核电厂通风过滤器采用固定在排架上的方式进行安装，部分过滤器如预过滤器和中效过滤器通过背靠背的方式安装在同一个排架的两侧，因此过滤器压差监测的仅仅是某个单片过滤器的实际压差。为保证过滤器的更换不至于太早又不至于太晚，在滤芯的利用率和功能性上得以兼顾，对小室内取压点的评估尤为重要。经验表明，因为压差平衡的作用，当某片过滤器吸尘较多而压差过高时，风量不可避免变小，从而使得其他过滤器通风量增大、吸尘量增加。即同一组过滤器运行压差基本一致，一片过滤器压差超标时，其余过滤器都接近超标。

对此，调试实践是：

1)将过滤器两侧的引压管延伸到同一水平上，为剔除其他因素影响，同时根据压差平衡的原理，一般选取为最中心一片滤芯的位置；

2)在过滤器安装前启动风机，观察压差计的读数是否指向零位并对引压管位置作出微调，尽量减少误差。

然而调试过程中，核燃料厂房通风系统压差表(006 LP)超量程，尤其是其低压侧端达到-3 200 Pa，在反复利用上述方法对取压点进行调节后仍无法奏效。分析认为，006LP低压端取压口与调节阀和风机入口段相距过近且无过渡风管，离心风机入口产生的预旋和调节阀的节流作用对压力波动产生极大的影响[7]，从而产生极不稳定的紊流区。实践在将该调节阀置于70°～90°后，风管内的气体流动形态趋于平稳，超压现象得到极大的缓解。为维持系统原设计功能，实践中一般在过滤器初装时将该调阀设置为70°来满足过滤器轻微堵塞后风量调节的需要。同时利用等比例法重置上游阀门，将该调节阀的风量调节功能转移到上游阀门，确保满足设计风量要求的同时不致使风管承压过大。