高效空气过滤器滤速限值确定原则探究

深圳中广核工程设计有限公司 王军民 彭永森 刘 超 刘政杰

0 引言

当前高效空气过滤器(以下简称过滤器)广泛应用于核电厂核空气净化和废气处理系统，利用滤料从气固两相流(气溶胶)中捕集放射性微粒，实现对放射性微粒的包容，防止核电厂反应堆运行过程中产生的放射性物质向周围环境排放和向人员居留区扩散。核电厂核空气净化和废气处理系统的性能水平主要取决于过滤器的性能，过滤器的性能对于保障核电厂人员和环境安全至关重要。

过滤器的透过率和阻力是研究和应用中广受关注的2项关键性能。其中透过率主要反映了对放射性微粒的包容性能，为过滤器的安全属性，而阻力反映了过滤器的能耗水平，为过滤器的经济属性。可见，这2项性能同时包含了过滤器的经济性和安全性两方面的要求，在寻找既安全又经济的核空气净化和废气处理解决方案过程中自然会成为研究和应用的关注点。

过滤器透过率和阻力性能的影响因素众多，主要包括过滤器内气流侧气溶胶粒径、滤速等因素和气流接触物侧滤料、滤芯褶结构等因素，过滤器性能取决于两侧因素的相互影响和相互作用。其中过滤器透过率和阻力性能与滤速和滤芯褶结构之间的关系作为当前过滤器整体研究的组成部分，前人围绕其展开了一些理论、实验和数值模拟研究，为常用标准确定滤速限值打下了必要的技术基础。但从不同常用标准来看，不难发现它们所确定的滤速限值未能达成一致，这也意味着各自援引的技术基础及其应用原则存在差异，给使用带来了不少困扰。

本文聚焦于过滤器滤速限值确定原则的探讨，先介绍不同常用标准所给出的过滤器滤速限值及其差异，然后回溯过滤器滤速限值形成的技术源头和变迁，梳理导致这些差异产生的技术基础和依据，并据此给出确定过滤器滤速限值的路线和原则，期望消除应用中存在的困扰。

1 滤速限值要求差异与分析

在确定核设施用过滤器或滤料单体的技术要求时，目前广泛参考的国内外常用标准主要有ASME AG-1-2019[1]、ES-0-173X-2系列标准(包括ES-0-1730-2-2018[2]、ES-0-1731-2-2020[3]、ES-0-1732-2-2020[4]、ES-0-1737-2-2020[5]等)、GB/T 17939—2015[6]等，这些标准均对过滤器或滤料单体的滤速及其相关性能提出了明确要求。这些标准的相关具体要求如下：

1) ASME AG-1-2019第FC-4110和FK-4100条均要求过滤器所拥有的总滤料面积应确保标称风量下平均滤速不超过2.5 cm/s(5.0 ft/min)，第FC-5120和FK-5120条要求100%和20%标称风量下过滤器的透过率均不超过0.03%。

2) ASME AG-1-2019第FN-4220条要求当滤速为5.33 cm/s(10.5 ft/min)时，用气溶胶光度计法检测的滤料单体的透过率不超过0.03%，或者用最易透过粒径(MPPS)计数法检测的滤料单体的透过率不超过0.10%。

3) ES-0-1731-2-2020、ES-0-1737-2-2020和ES-0-1732-2-2020第6.2条均要求过滤器每通过100 L/s风量所用滤料的最小面积符合表1的要求。

表1 ES-0-173X-2系列标准中过滤器允许最大平均滤速

4) ES-0-1731-2-2020、ES-0-1737-2-2020和ES-0-1732-2-2020第5章要求用钠焰法检测的过滤器的透过率不超过0.007 5%，用MPPS计数法检测的过滤器的透过率不超过0.01%。

5) ES-0-1730-2-2018第4.2节要求当滤速为1.5 m/min(2.5 cm/s)时，用MPPS计数法检测的滤料单体的透过率不超过0.02%(滤料单体的滤速虽低于过滤器的平均滤速，但其透过率相对较高，疑是原文有误)。同时要求遵循ASME AG-1-2019的FN部分的规定。

6) GB/T 17939—2015第6.5节要求过滤器的平均滤速不大于2.5 cm/s，第6.6节要求100%和20%标称风量下过滤器的透过率均不超过0.01%。附录A要求在滤速为5.33 cm/s时，用钠焰法检测的滤料单体的透过率不超过0.01%。

比较而言，ASME AG-1-2019和GB/T 17939—2015提出了与滤芯褶结构无关的过滤器允许平均滤速，不同滤芯褶结构的过滤器允许平均滤速相同，而且过滤器允许平均滤速小于滤料单体基准滤速，但过滤器和滤料单体的透过率要求仍相同。ES-0-173X-2系列标准则提出了与滤芯褶结构有关的过滤器允许平均滤速，不同滤芯褶结构的过滤器允许平均滤速不同，而且过滤器允许平均滤速均小于滤料单体基准滤速，但过滤器和滤料单体的透过率要求仍相同。

从上述差异不难发现，不同体系标准所遵循的过滤器滤速限值确定原则存在区别，虽然过滤器允许平均滤速不同，但过滤器性能都满足要求。除小规格的深褶方形过滤器外，ASME AG-1-2019和GB/T 17939—2015给出的允许平均滤速相对较小，比较而言要求偏于保守。

2 滤速限值要求溯源与变迁分析

在核电厂核空气净化和废气处理系统设计中，美国核空气净化手册得到了广泛应用，到目前为止共有4个版本，依次为ORNL/NSIC-13、ORNL/NSIC-65-1970[7]、ERDA 76-21-1976[8]和DOE HDBK-1169-2003[9]。为了呈现过滤器滤料的气溶胶粒径、滤速、透过率三者之间的关系，笔者查阅的3个版本的核空气净化手册均给出了不同粒径气溶胶的滤速与透过率曲线族或不同滤速下的粒径与透过率曲线族，分别为ORNL-NSIC-65-1970中的图2.5、ERDA 76-21-1976中的图2.8和DOE HDBK-1169-2003中的图2.8(a)及2.8(b)，仅有ORNL-NSIC-65-1970和ERDA 76-21-1976提出了滤速推荐限值，而DOE HDBK-1169-2003没有提出滤速推荐限值。

美国核空气净化手册早期版本ORNL-NSIC-65-1970中的图2.5和ERDA 76-21-1976中的图2.8内容完全相同，均给出了0.56、0.40、0.30、0.10 μm 4种粒径气溶胶的滤速与透过率曲线族，均注明厂商给出的标称风量下的平均滤速大约为2.5 cm/s(5.0 ft/min)，此滤速下0.30 μm基准粒径气溶胶的透过率为0.03%，这2个图来自Mine Safety Appliances(MSA)公司的公报。MSA公司后续发表了另外关于过滤器性能的MSA研究报告[10]，该研究报告中的图12同样给出了0.56、0.40、0.30、0.16 μm 4种粒径气溶胶的滤速与透过率曲线族，滤速推荐限值为2.5 cm/s(5.0 ft/min)，在该滤速下0.30 μm基准粒径气溶胶的透过率为0.03%。在该研究报告中特别强调认同并采纳了AACC CS-1T-1968提出的滤速推荐限值为2.5 cm/s(5.0 ft/min)的建议。

比较MSA研究报告中的图12与源自MSA公报的ORNL-NSIC-65-1970中的图2.5和ERDA 76-21-1976中的图2.8，可见各自给出的4种粒径的滤速与透过率曲线族是完全相同的，而只有主要由滤料特性决定的最大透过率曲线所标明的粒径(0.10 μm或0.16 um)是不同的，疑是二者其一有误，总体而言所表示的过滤器性能是一致的。不管因何种原因导致产生上述不同，后续发布的MSA研究报告继承了前期发布的MSA公报中的相同内容。正如ORNL-NSIC-65-1970的图2.5和ERDA 76-21-1976的图2.8的注释所说，MSA公报就是这2个图的直接源头，而AACC CS-1T-1968则是这2个图的间接源头。

如上所述，美国核空气净化手册当前现行版DOE HDBK-1169-2003的图2.8(a)及2.8(b)替换了ORNL-NSIC-65-1970的图2.5和ERDA 76-21-1976的图2.8。其中图2.8(b)给出了0.30 μm基准粒径气溶胶和随气流流速变化的MPPS气溶胶的滤速与最大透过率曲线族，而图2.8(a)给出了2.50、5.33 cm/s(5.0、10.5 ft/min)2种滤速下粒径与典型和最大透过率曲线族，并且补充给出了图2.8(b)中所缺少的随气流流速变化的MPPS信息。在图2.8(b)中，滤速为5.33 cm/s(10.5 ft/min)时0.30 μm基准粒径气溶胶的透过率不超过0.03%，而MPPS气溶胶的透过率达到0.10%，但没有提出滤速推荐限值，此图来自Hollingsworth & Vose(H&V)公司的工程数据文件。

除了DOE HDBK-1169-2003的图2.8(a)和图2.8(b)提到的工程数据文件，H&V公司还先后发表了关于过滤器滤料性能的多份报告，这些报告均给出了不同滤速下的粒径与透过率曲线族或以粒径和滤速为自变量的透过率汇总表，所表示的过滤器滤料性能与图2.8(a)和图2.8(b)所表示的过滤器滤料性能是一致的。相关报告的具体内容如下：

1) 文献[11]提供了1.00、1.75、2.54、5.34、7.50 cm/s 5种滤速下过滤器滤料的粒径与透过率曲线族，在所有滤速下0.30 μm基准粒径气溶胶的透过率均小于0.03%。

2) 文献[12]提供了1.00、1.20、1.80、2.50、3.50、5.35 cm/s 6种滤速(在每种滤速下包含0.075、0.10、0.12、0.15、0.18、0.22、0.26、0.30、0.35 μm 9种粒径气溶胶的实测透过率)下过滤器滤料的粒径与透过率曲线族，在所有滤速下0.30 μm基准粒径气溶胶的透过率均小于0.01%。

3) 文献[13]提供了包含0.30 μm基准粒径和随气流流速变化的MPPS 2种粒径(每种粒径下分成2.50、5.33 cm/s(5.0、10.5 ft/min)2种滤速)的过滤器滤料的典型和最大透过率汇总表，在5.33 cm/s(10.5 ft/min)基准滤速时0.30 μm粒径气溶胶的最大透过率为0.03%。

4) 文献[14]提供了1.5、2.5、3.5、4.5、5.3 cm/s 5种滤速(在每种滤速下包含0.075、0.090、0.12、0.15、0.18、0.22、0.26、0.30 μm 8种粒径气溶胶的实测透过率)下过滤器滤料的粒径与透过率曲线族，在所有滤速下0.30 μm基准粒径气溶胶的透过率均小于0.01%。

综上所述，无论是ORNL-NSIC-65-1970和ERDA 76-21-1976及其支撑性研究报告，还是DOE HDBK-1169-2003及其支撑性研究报告，所给出的滤速与透过率曲线，分别代表了相同体系不同时期的过滤器滤料性能水平。可以看出后来的过滤器滤料性能水平明显优于早期的过滤器滤料性能水平，呈现后来居上的趋势，也说明ORNL-NSIC-65-1970和ERDA 76-21-1976所给出的滤速与透过率曲线已经过时，依据其确定的过滤器滤速限值偏于保守。

同时，虽然DOE HDBK-1169-2003没有像ORNL-NSIC-65-1970和ERDA 76-21-1976那样提出滤速推荐限值，也只能说明ORNL-NSIC-65-1970和ERDA 76-21-1976所提出的滤速推荐限值已不适用，但过滤器透过率和阻力性能均会受滤速影响，并非无关紧要。结合ES-0-173X-2系列标准和其他常用标准来看，要么是仍保留滤速限值但加以放宽，要么是用其他性能限值替换滤速限值，确保过滤器性能仍能满足要求。

3 滤速限值要求调整建议与分析

如果在过滤器滤芯内滤料进出气流呈现不均匀分布，则基于均匀流分布假设所求得的平均滤速就不足以表征滤芯内滤料进出气流分布，也就无从了解局部最大滤速所在点。在选定滤料的前提下，滤芯内的局部最大滤速所在点将会出现最大透过率。局部最大滤速所在点虽占比极小，但是关键少数会决定绝大多数，成为过滤器总体透过率的关键控制点。在选用透过率性能达标的滤料时，只要确保滤芯内局部最大滤速不超过滤料单体标称透过率的基准滤速5.33 cm/s(10.5 ft/min)，就能确保过滤器总体透过率达标。

前人的科研成果已经证实了滤芯内滤料进出气流不均匀性分布假设的正确性。文献[15]记载了对滤芯滤料进出气流分布均匀性所展开的研究，其表5.1提供了典型密褶方形过滤器在不同褶结构(由褶密度和深度组合产生)和平均滤速下的局部最大滤速和初始阻力。由该表可以发现：随着褶间距与深度比值的逐渐增大，局部最大滤速与平均滤速的比值逐渐减小，也就是说气流分布不均匀性随着滤芯褶结构的宽深比增大而减小；在相同褶结构下，随着平均滤速逐渐增大，局部最大滤速与平均滤速的比值逐渐减大，也就是说气流分布不均匀性随着平均滤速的逐渐增大而增大。概而言之，不同滤芯褶结构和平均滤速均会对气流分布均匀性产生影响。平均滤速为3.81 cm/s(7.5 ft/min)时，在每cm长度褶数为2.55、2.75、2.95、3.15、3.35(每英寸长度褶数为6.5、7.0、7.5、8.0、8.5)5种褶密度和12.70、19.05、25.40 mm(0.50、0.75、1.00 in)3种褶深度组合产生的褶结构中，局部最大滤速分别为4.5、5.0、5.7 cm/s(8.86、9.84、11.22 ft/min)。如果将平均滤速调整为ES-0-1731-2-2020中密褶方形过滤器的最大平均滤速3.57 cm/s(7.03 ft/min)，则可推算出局部最大滤速约为5.23 cm/s(10.3 ft/min)，接近滤料单体标称透过率的基准滤速5.33 cm/s(10.5 ft/min)。即便不能排除偶然因素，但也能说明ES-0-1731-2-2020并不排斥按照局部最大滤速不超过滤料单体标称透过率的基准滤速原则确定最大平均滤速。

不同滤芯褶结构和平均滤速不仅会对气流分布均匀性产生不同影响，而且对阻力也会产生不同影响。过滤器的阻力分为滤芯褶结构阻力和滤料阻力。对于典型的密褶方形过滤器，滤料之间通道内的气流一般处于湍流态，滤芯褶结构阻力与滤速呈二次幂关系，而滤料孔隙内的气流一般处于层流态，滤料阻力与滤速呈线性关系。从阻力形成机理来看，滤芯褶结构阻力和滤料阻力随滤速变化的趋势是相同的，但滤芯褶结构阻力和滤料阻力随滤芯褶结构参数变化的趋势是相反的。通常选取褶间距和褶深度作为滤芯褶结构参数，对于相同滤料和褶结构的过滤器来讲，随着褶间距的减小或褶深度的增大，滤料阻力逐渐减小，而滤芯褶结构阻力逐渐增大，会存在一个综合阻力最小的最优褶间距和褶深度，如果偏离此最优褶间距和褶深度均会导致综合阻力增大。

前人的科研成果已经证实了上述理论分析结论的正确性。已有多份关于典型密褶方形过滤器的滤芯褶结构参数和阻力关系的研究报告发表，这些报告均选取褶密度(褶间距)和褶深度作为滤芯褶结构参数，给出了一定滤速、不同褶深度下的滤芯褶密度与阻力曲线族或一定滤速下以滤芯褶深度和褶间距为自变量的阻力汇总表。相关研究报告的具体内容如下：

1) 文献[16-17]均提供了过滤器在22.23、44.45、88.90、133.35 mm(0.875、1.750、3.500、5.250 in)4种褶深度下的滤芯褶密度与阻力曲线族，结果表明在4种褶深度下均存在彼此不同的综合阻力最小点和最佳褶密度。

2) 文献[18]提供了2种不同滤料的过滤器在50、69、90 mm 3种褶深度(每种褶深度包含2.5、2.7/2.8、3.1、3.4、3.7、4.0、4.3 mm 7种滤芯褶间距)下的阻力汇总表，结果表明不同滤料在3种褶深度下均存在彼此不同的综合阻力最小点和最佳褶间距。

3) 文献[19]提供了过滤器在20、30、40 mm 3种褶深度下的滤芯褶密度与阻力曲线族，结果表明在3种褶深度下均存在彼此不同的综合阻力最小点和最佳褶密度。

从这些文献给出的不同褶深度下的滤芯褶密度(或褶间距)与阻力曲线族或汇总表来看，每种褶深度均存在不同的综合阻力最小点和最佳褶密度(或褶间距)，不仅相同滤材的不同褶深度下综合阻力最小点和最佳褶密度(或褶间距)不同，而且不同滤材的相同褶深度下综合阻力最小点和最佳褶密度(或褶间距)也不同。

综上所述，滤芯褶结构和平均滤速参数会明显影响过滤器气流分布均匀性和初阻力。笔者建议依据不同滤芯褶结构的平均滤速与最大滤速及其透过率、平均流速与通流能力及其初阻力之间的关系，在综合阻力最优滤芯褶结构基础上，按照同时满足过滤器局部最大滤速不超过滤料单体可接受透过率的允许滤速、过滤器最大通流能力不超过期望初阻力所允许通流能力的原则确定平均滤速限值。

4 结论

1) 从不同体系近期文献所给出的过滤器平均滤速限值来看，ASME AG-1-2019和GB/T 17939—2015与ES-0-173X-2系列标准的要求存在明显差异，但过滤器性能水平均满足要求，比较而言ASME AG-1-2019和GB/T 17939—2015的要求过于保守。

2) 从相同体系不同时期所给出的过滤器平均滤速限值来看，ASME-AG-1-2019和GB/T 17939—2015与美国核空气净化手册早期版本的要求相同，而与当前现行版本的要求存在明显差距，但过滤器性能水平均满足要求，比较而言ASME AG-1-2019和GB/T 17939—2015的要求过于保守。

3) 过滤器平均滤速不属于其特征属性，需要通过其与过滤器性能参数之间的关系确定其限值。鉴于滤芯褶结构和平均滤速参数会明显影响过滤器气流分布的均匀性和初阻力，建议在综合阻力最优滤芯褶结构基础上，按照同时满足过滤器局部最大滤速不超过滤料单体可接受透过率的允许滤速、过滤器最大通流能力不超过期望初阻力所允许通流能力的原则确定平均滤速限值。