放射性厂房不同送风过滤器组合对排风过滤器寿命的影响

上海核工程研究设计院有限公司 陈治清 顾明伟

0 引言

核电厂通风系统的放射性废物主要来源于从放射性场所排风净化系统更换下来的核用空气过滤器。为满足抗震及低泄漏的要求，核用空气过滤器均采用钢制外框和不可拆卸的滤芯结构，其废物处理减容比小于3，即使经过减容处理，放射性报废过滤器仍是核电厂的主要放射废物。美国能源部下属的4个核设施中放射性场所使用的高效空气过滤器的采购、更换、现场泄漏测试、压缩减容及打包、运输和装卸、最终处置等全寿命周期的成本分解结果显示，低放射性区域空气过滤器的平均采购成本仅占全寿命周期成本的15%[1]。面对高昂的放射废物处置费用，减少核电厂等核设施场所放射性过滤器的更换数量可有效节约核设施运维成本，是实现核设施放射性废物最小化的一项重要举措。

本文通过对不同送风过滤器组合的过滤效率、阻力进行实测，分析送风系统设置不同的过滤器组合时，排风系统净化过滤器的容尘负荷及寿命情况；探讨送风系统的过滤器采用F5+F8组合较采用G4+F7组合的经济性。

1 典型放射性厂房排风净化过滤器的容尘负荷计算

放射性厂房的通风系统常采用直流式送、排风，送风量略小于排风量，以保证厂房相对于室外为负压；送风系统的空气处理机组设置于厂房干净区域，设有G4+F7两级过滤；排风净化系统设置核用中效过滤器+核用高效空气过滤器两级过滤，以拦截排风中的放射性颗粒物，核用高效空气过滤器对0.3 μm粒径挡的颗粒物的过滤效率≥99.97%[2]，可认为能把粒径≥0.3 μm的颗粒物全部捕集，避免厂房内放射性颗粒物释放至室外大气中。放射性厂房内颗粒物的浓度平衡关系如图1所示。

注：Co为室外颗粒物浓度；Ci为室内颗粒物浓度；Cc为排风颗粒物浓度(净化处理后)；Qo为通风系统送风量；Qe为通风系统排风量；Qp为围护结构渗风量；Gs为室内颗粒物沉降量；Gr为室内表面颗粒物扬尘量；G为室内人、物产尘量；ηo为送风过滤效率；ηe为排风过滤效率；p为围护结构渗透系数；V为室内体积。图1 放射性厂房内颗粒物的浓度平衡关系

假设送风、排风、室内产尘等对室内颗粒物浓度的影响均为稳态过程，室内颗粒物均匀分布，各类颗粒物污染源产生的颗粒物进入室内后即刻在室内空气中扩散，且颗粒物在室内不发生凝并、再分散过程，则室内颗粒物浓度平衡方程式为

Qo(1-ηo)Co+(Qe-Qo)pCo+

Gr+G=Gs+QeCi

(1)

定义Gi为室内颗粒物源颗粒物净发生量，Mi为室内单位体积产尘量。

Gi=Gr+G-Gs

(2)

Gi=VMi

(3)

定义送、排风量的关系为Qo=kQe，对于放射性厂房，0

(4)

定义排风净化过滤器的容尘负荷为M，即单位时间内拦截的颗粒物量为

M≈QeCi

(5)

由式(4)、(5)可知，排风系统净化过滤器的容尘负荷主要影响因素包括送排风量比例、排风总量、围护结构渗透系数、送风过滤器过滤效率、室内产尘量等。在送、排风量已知的条件下，提高进风过滤效率ηo和围护结构的气密性均可有效降低排风净化系统过滤器的容尘负荷。

室内产尘量Mi增大将导致排风净化系统过滤器容尘负荷增大。核电厂内除放射性废物处理厂房中的减容、打包工艺房间外，多数放射性厂房、区域在大部分时间内无机械打磨、机械操作、人员活动等产尘工序，其室内产尘量Mi近似为0。

2 不同过滤器组合的过滤效率实测

核电行业内较常用的过滤器等级评价标准EN 779：2012根据空气过滤器的过滤效率将其分为9个级别，对G1、G2、G3、G4级的空气过滤器采用人工尘平均计重效率分级，对F5(M5)、F6(M6)、F7、F8、F9级的空气过滤器根据计数效率实验得到的0.4 μm粒径挡的平均计数效率分级[3]。根据相应的评级结果，无法获知过滤器组合对不同粒径挡的过滤效率及对颗粒物的计重过滤效率，无法直观地评价其对排风净化过滤器的保护作用。

随机选取G4～F8过滤器各1台，组成G4+F6、G4+F7、G4+F8、F5+F6、F5+F7、F5+F8共6种空气过滤器组合进行初始效率试验。空气过滤器性能试验台原理如图2所示。

图2 空气过滤器性能试验台原理图

该试验台按照EN 779：2012搭建，主要构件有进气口预过滤器、变频风机、喷口流量计(流量测量装置)、高效过滤器、混合室、粒子计数器、风管部件等。变频风机通过改变电动机频率实现风量调节，从而满足试验中的风量变化需求。流量测量装置采用喷口流量计，可根据喷口标准件前后的压差实现准确测量风量。气溶胶发生装置用于发生人工气溶胶，由于大气尘浓度不定，瞬息变化，为避免空气过滤器计数效率测试过程受外界因素影响，采用粒径分布稳定的人工气溶胶作为试验气溶胶。混合室为一静压箱，一方面可实现气流稳定作用，另一方面可实现试验发生的人工气溶胶在其内均匀分布，使得受试空气过滤器前后采样处的气溶胶分布均匀，减小试验误差。受试空气过滤器组合前后设置有气溶胶采样口，通过粒子计数器对受试空气过滤器前后空气中的颗粒物浓度进行测量。颗粒物的计数浓度监测采用BCJ-1激光粒子计数器，一次采样即可测试得到≥0.3、≥0.5、≥0.7、≥1.0、≥2.0、≥5.0 μm共6个粒径挡颗粒物的计数浓度。采样流量设为2.83 L/min，每min采样一次。根据实测空气过滤器组合上下游颗粒物计数浓度，计算得到0.3～0.5、0.5～0.7、0.7～1.0、1.0～2.0、2.0～5.0、≥5.0 μm共6个粒径区间的上、下游颗粒物粒径分布及过滤器组合对相应粒径挡的过滤效率，结果见表1。受试空气过滤器组合前后设置压力传感器，可测得受试空气过滤器组合的前后压差，结果见表2。

表1 各组合过滤器不同粒径挡的实测过滤效率(额定风量3 400 m3/h)

表2 各组合过滤器初阻力实测结果(额定风量3 400 m3/h) Pa

因本文主要讨论不同送风过滤器组合对排风净化过滤器单位时间内的容尘负荷影响，需将实测得到的过滤器组合对各粒径挡的计数效率转化为对粒径≥0.3 μm的颗粒物的计重效率。对于试验用的癸二酸二辛酯(DEHS)气溶胶，不同粒径挡的密度一致，但同一粒径挡内颗粒物粒径并不一致，需假设每个粒径挡内颗粒物粒径一致，将各粒径挡的平均粒径di(某粒径挡下限粒径dl和上限粒径du的几何平均值)作为代表粒径[4]，空气过滤器对粒径≥0.3 μm的颗粒物的计重过滤效率η≥0.3可由式(8)计算得到，计算结果见表1，表中取≥5.0 μm粒径挡的颗粒物平均粒径为5.00 μm。

(6)

(7)

(8)

式中Niu为受试空气过滤器上游粒径挡i区间的

由表1可知，当预过滤器级别相同时，过滤器组合的η≥0.3随着末级过滤器等级的升高而升高，但过滤器组合的过滤效率不完全由末级过滤器决定，预过滤器的级别提升可显著提升过滤器组合的η≥0.3，如试验测得F5+F6高于G4+F7、G4+F8，F5+F7高于G4+F8。由表2可知，过滤器组合F5+F6初阻力与G4+F7初阻力相差不大，而F5+F7的初阻力则小于G4+F8。若仅从初始效率、初始阻力角度考虑，本试验的空气过滤器组合中，F5+F6优于G4+F7、G4+F8，F5+F7优于G4+F8。

3 案例分析

以某地某日室外实测大气尘粒径分布均值(见表3)作为通风系统的进风颗粒物粒径分布，分析某核电厂废物暂存库的送风系统设置不同空气过滤器组合时，其排风系统净化过滤器的容尘负荷变化。

表3 实测大气尘粒径分布

该放射性废物暂存库的通风系统采用直流式，系统设计k值为0.91(排风量为56 000 m3/h，送风量为51 000 m3/h)，送风系统的过滤器组合为G4+F7，排风系统的过滤器组合为核用中效过滤器+核用高效空气过滤器。该放射性废物暂存库仅在少部分时间内存在吊车运转以存放、调取废物桶，故取室内产尘量Mi为0；围护结构缝隙的渗透系数p取最不利情况，即围护结构对渗透空气中的颗粒物无拦截作用，p=1，得到稳态工况下厂房内的颗粒物浓度(见式(9))、排风净化过滤器的容尘负荷M(见式(10))。

Ci=(1-0.91ηo)Co

(9)

M≈(1-0.91ηo)CoQe

(10)

根据各空气过滤器组合对各粒径挡的过滤效率实测值和表3中实测大气尘的粒径分布，计算得到实测大气尘粒径分布条件下各空气过滤器组合的η≥0.3；由式(10)计算得到当送风系统设置不同的空气过滤器组合时，排风系统的净化过滤器的容尘负荷。计算结果见表4。

比较表1、表3中试验尘与实测大气尘的粒径分布可发现两者存在较大差异，试验尘气溶胶质量集中于0.7～2.0 μm粒径挡区间，而实测大气尘质量主要集中于≥2.0 μm的粒径挡；两者粒径分布的差异引起各过滤器组合的η≥0.3显著不同(见表1、表4)，各空气过滤器组合对大气尘的η≥0.3均显著高于对试验尘的η≥0.3；但过滤器级别的变化导致的过滤器组合η≥0.3的变化趋势是一致的。可见，在同等级的空气过滤器比对、选择时，当且仅当试验尘粒径分布完全一致时，方可采用计重效率作为比对指标；当采用计数效率比对时，比对过滤器对各粒径挡的过滤效率将会更全面。

表4 不同过滤器组合时的计重过滤效率及净化过滤器的容尘负荷(大气尘粒径分布)

由式(10)可知，送、排风比例固定时，提高送风过滤器的过滤效率，可以有效降低排风净化过滤器的容尘负荷。表4中的排风过滤器容尘负荷计算结果显示，在计算条件下，送风过滤器组合采用F5+F8时，排风过滤器的容尘负荷约为送风过滤器组合采用G4+F7时的72.0%。仅从容尘负荷角度测算，送风系统的过滤器组合采用F5+F8较采用G4+F7时，排风系统的净化过滤器的使用寿命可延长38.9%，非常可观。

本文案例的排风系统共设有21个核级预过滤器和21个核级高效空气过滤器，取核级过滤器的尺寸为610 mm×610 mm×292 mm(长×宽×高)，压缩减容比为3。经验数据显示，1 m3的放射性废物在放射性废物处置场中的年存储费用约为4万～5万元，本文取减容处理后放射性废物的处置费用为4万元/m3，测算得到排风系统过滤器一次整体更换、经减容处理后的放射性废物处置成本为6.08万元。

以表2中各组合过滤器初阻力的实测值作为输入值，测算得到本案例中送风系统的过滤器组合采用F5+F8较采用G4+F7时，初阻力增加94 Pa，风机的电动机功率增加约1.3 kW。以0.7元/(kW·h)电价计算，系统全年不间断运行将增加约7 972元的年运行费用。

据笔者调查可知，核用中效过滤器售价至少为1 000元/台，核用高效空气过滤器售价至少为3 600元/台，而质量较好的市售无特殊气密性要求的G4+F7、F5+F8过滤器售价分别约为450、550元/组。送风过滤器设置于洁净区域，废弃送风过滤器无需作为放射性废物处置，处置成本可忽略不计，可见，送风系统采用F5+F8替换G4+F7带来的初投资和运营费用增加额与放射性废物处置成本相比，相差1个数量级。

综上可得，本文案例中，送风系统中采用F5+F8替换现有G4+F7的过滤器组合的设计，可显著延长排风净化过滤器的使用寿命，降低核电厂运维成本。

4 结论

1) 通过放射性厂房内颗粒物浓度平衡模型可得排风净化过滤器的容尘负荷主要影响因素包括送排风量比例、排风总量、围护结构渗透系数、送风过滤器过滤效率、室内产尘量等。

2) 通过实测，获得了G4+F6、G4+F7、G4+F8、F5+F6、F5+F7、F5+F8共6种空气过滤器组合对0.3～0.5、0.5～0.7、0.7～1.0、1.0～2.0、2.0～5.0、≥5.0 μm共6个粒径区间的过滤效率；计算得到了试验尘、大气尘2种粒径分布下，空气过滤器组合的η≥0.3。实测结果显示，预过滤器级别相同时，过滤器组合的η≥0.3随着末级过滤器等级的升高而升高；过滤器组合的过滤效率并不完全由末级过滤器决定，预过滤器的级别提升可显著提升过滤器组合的η≥0.3。

3) 比较同等级的空气过滤器组合对试验尘和大气尘的η≥0.3数值差异可得，在空气过滤器比选时，当且仅当试验尘粒径分布完全一致时，方可采用计重效率作为必选指标；当采用计数效率比选时，比对过滤器对各粒径挡的过滤效率会更全面。

4) 案例分析结果显示，仅从容尘负荷角度测算，送风系统的过滤器组合采用F5+F8较采用G4+F7时，排风系统的净化过滤器的使用寿命可延长38.9%，降低核电厂运维成本。