HPR1000主控室空调系统防止流感病毒传播能力提升研究
2022-09-06王小信
王小信
（福建福清核电有限公司，福清 350318）
冠状病毒的主要传播途径为飞沫，飞沫的直径大部分在1.0～175 μm之间。而通风系统是整个厂房空气流通的关键（正常时候采用新风+回风的运行方式），肩负着通风、冷却、过滤的功能［1］。在核电站内，主控室通风系统正常系列的组合式空调机组，采用的二级过滤为初效过滤器（FP）和中效过滤器（FF）组合［2］，其中初效过滤器对5 μm以上颗粒的过滤效率为95%（欧标G4），中效过滤器对1 μm以上颗粒的过滤效率为70%（欧标F7），其最终过滤效率为F7。主控室为电站的控制中枢，对电厂的安全、可靠运行起着重要作用［3］。对于现在日益重视的空气环境来说，其关键部位应具备预防流感和病毒传播的功能，是需要引起重视的新方向［4］，过滤器F7的效率并不能满足防止流感或病毒传播的要求，因此需要提高机组的过滤效率等级，将过滤器的过滤等级提高到H13（对0.5 μm以上颗粒的过滤效率提高到99.995%），以有效防止流感病毒的传播。
1 改造主体
改造设备为福清VCL001/002ZK，主要用于电站电气厂房主控室、计算机室、技术支持等一些技术性房间和值班室等可居留区域，要求空气处理机组在核电站各种运行工况（包括严重事故）下连续运行，以保证居留区域人员的可居留性［5-6］。机组主要由初效过滤器、中效过滤器、电加热器、冷却器、挡水板、加湿器、风机及止回阀组成，如图1所示。
图1 VCL机组装配图Fig.1 VCL unit assembly drawing
2 设计改造
2.1 概述
在原有空调机组（5/6VCL001/002ZK）上，将过滤组合由初效过滤器和中效过滤器（FP+FF）改为初效过滤器和高效过滤器（FP+FA），最终使系统的过滤效率由原来的70%提升到99.995%，实现系统送风高效过滤，能够有效防止病毒等在空气中传播。
图2 VCL机组三维装配图Fig.2 Exploded view of VCL unit
2.2 设计分析
过滤器阻力对比情况如表1所示。
表1 过滤器阻力对比Table 1 Filter resistance comparison
做如下统筹计算：
式中，R前：初效过滤器和中效过滤器阻力之和，单位Pa；R后：初效过滤器和高效过滤器阻力之和，单位Pa；ΔR：改造前后阻力之差，单位Pa。
根据通风系统管网特性，系统阻力增加，风机的压头要相应增大，同时风量减少，其他部件的阻力减少，其整个阻力变化过程如图3所示。
图3 阻力变化过程Fig.3 Resistance change process
由以上过程可知，虽然过滤器阻力增大了，但是由于风量减少，其他阻力减少，系统各部件的阻力有升有降，系统增加的阻力≠过滤器增加的阻力，需要统筹计算。
2.3 设计计算
2.3.1 串联管网特性
通风机组在管网中工作时，首先要克服管网的阻力，其次要维持工作场所需要的工作压力，同时还要保持在排气口有一定的排气速度，管网阻力及工作场所的工作压力都需要风机静压去克服，而排气口的气流速度则表现为需要通风机去克服的动压，因此管网的总阻力损失应该为：
式中，δRi：管网中各部件的静压，单位Pa；ρ：通过空调机组的空气密度，单位kg/m3；Vd：通过空调机组的气流平均速度，单位m/s，：排气口的空气动压，单位Pa。
管网中的各部件阻力大小与其阻力系数成正比，与所通过的气流平均速度的平方成正比，而气流的平均速度又是由风量和流通面积所决定的。因此，对于认为气流介质不可压缩的通风系统而言，上述可写成：
式中，εi：各部件的静阻力系数；q：风量，单位m3/s；F1：各部件的流通面积，单位m2；F2：排气口面积，单位m2；K：管网特性系数。
由以上得知，当管网一定（除管网系统，管内径，管长不变外，还指阀门开度，管内壁相对粗糙度，风管中的障碍物等均不变）时，式中K就是一个定值，管网改变后K值也随之改变，K值表征了管网的特性，称为“管网特征系数”。
由公式（5）可知R总是一条二次抛物线，所以K值越大曲线越陡，管网阻力损失越大。
串联管网可以看成是一个由若干分段组成的整体管网，先分别计算出各段的管网阻力，然后相加，即得出串联管网的总管网阻力。
2.3.2 机组阻力计算
根据通风系统的特点，通风系统可视为一个串联的管网，5/6VCL001/002ZK 机组所在通风系统可以认为由空调机组本身的阻力和机组外管网的阻力组成，通过机组内风机来提供静压克服管网阻力，公式如下。
风机静压=管网总阻力=机组阻力+管道阻力=机组阻力1（初效过滤器+高效过滤器阻力） +机组阻力2（冷却器、挡水板、阀门、电加热器、加湿器等其他部件阻力） +管道阻力。
机组额定风量下的压力和阻力参数见表2。
表2 风量和压力参数Table 2 Air volume and pressure parameters
表中，q：机组风量，单位m3/s；P0：风机静压，单位Pa；R0：管网总阻力，单位Pa；R1：机组阻力1，单位Pa；R2：机组阻力2，单位Pa；R3：管道阻力，单位Pa。
空调机组改造后，根据表1参数，过滤器总阻力R1=562.5 Pa。
2.3.2.1 额定风量工况
根据风机性能试验报告，以试验测试点为依据，得出的R0管网曲线和机组风机性能曲线，如图4所示。
图4 R0管网阻力曲线Fig.4 R0 Pipe network resistance curve
由计算以及仿真［7］可知R0管网阻力曲线和风机静压曲线相交的点，即为改造后的风机参数，由仿真可知，机组参数为：风量21660 m3/h，风机静压1600 Pa，机外静压621 Pa。
由于空调机组包含冷却器、电加热器和加湿器，机组风量降低会影响到空气的制冷、制热和加湿功能［8］，其具体影响分析如下。
加湿器：由于加湿器是比例调节，加湿量可以通过上游控制柜来控制，所以加湿量不受风量变化的影响。
电加热器：由于电加热器的电加热量是固定的（24.7 kW），如果风量减少，温差就会加大，出口温度上升。
式中，Δt1：整改后温差，单位℃；Δt：原设计温差，单位℃；q：原设计风量，单位m3/h；q1：整改后风量，单位m3/h。
冷却器：冷却器的设计冷负荷（125 kW） 不是固定的，其数值和风量成正比关系［9］，在风量减少、其他参数（进风温度、湿度、进水温度等）不变的情况下，根据冷却器的计算书得出其盘管结构为5×36×1725×6-2.54，软件计算负荷： 504334（BTUH）/3412=148（kW）
由上得知，风量减少，负荷随之降低，但还在设计要求的范围内。
2.3.2.2 小风量工况
根据机组参数，低风量工况下的参数为：风量6800 m3/h，风机静压800 Pa，机外静压250 Pa。
由于没有阻力曲线，我们可以在这里假设流量为0时压力为0 Pa，1250 m3/h时压力≤ 170 Pa，采用插值法［10］，当低风量时，其过滤器单元风量为370 m3/h，那么其阻力为50 Pa。
而改造方案中采用HEPA 过滤器（高效粒子过滤器），其初阻力≤325 Pa，由于没有阻力曲线，我们可以在这里假设0 m3/h时阻力为0 Pa，3000 m3/h时压力≤325 Pa，采用插值法，当低风量时，其过滤器单元风量为887 m3/h，那么其阻力为96 Pa，阻力差值为-46 Pa，而设计工况为（初阻力+终阻力）/2，终阻力=2×初阻力，换算后设计工况下的阻力压差为-69 Pa，此压差很小，在风机的性能曲线中，风机的设计余量已经可以包络此压差。
由以上分析可知，5/6VCL001/002ZK机组在更换过滤器后，在低风量的情况下，性能不受影响。
2.4 结构设计
由图5可知，过滤器由6个610×610×292单元和3个305×610×292单元组成。由于机组空间的限制，在更换成HEPA后，也是采用6+3的模型。由于滤芯更换，安装滤芯的排架需要更换成配套的排架（如果合用，可以不更换），而排架一般为整体式，如果现场运输空间不足，那么就需要设计为可拆结构。
图5 过滤器单元组成Fig.5 Filter unit composition
HEPA 过滤器和碘吸附器带快速压紧装置，该快速压紧装置更换时减少了过滤器或碘吸附器的更换时间［11］。该系列排架主要由排架组件、排架用单夹具、排架用双夹具、预过滤器压紧装置、过滤器压紧装置、支架、密封材料 组成［12］，如图6所示。
图6 过滤器实物图Fig.6 Filter unit composition
过滤器排架上配带有套筒，套筒和排架结合处设有密封圈，通过套筒上的锁紧件使该密封圈和排架紧密贴合，起到密封作用。套筒上设有用于锁紧密封袋的凹槽，可以实现“袋进袋出”功能，最大程度地减少污染。配有用于固定排架的夹具和可调节的支架以及与HALFEN轨安装的专用紧固件。结构如图7所示。
图7 过滤器排架实物图Fig.7 Actual diagram of filter rack
3 结论
本文将原有的过滤组合FP+FF 中的中效过滤器（FF）更改为高效过滤器（FA），即可使得最终的过滤效率由原来的70%（1 μm）提升到99.995%（0.5 μm），从而实现对唾沫、气溶胶等更高的过滤效率。
由于高效过滤器的阻力高于中效过滤器，过滤器压差增加，因此改造的首要问题在于系统阻力增加，风机压头要相应增大，同时风量减少使得其他部件阻力减少。通过上文的计算和仿真可知，过滤器改造之后引起的风量减少与管道阻力的增加均在系统设计的允许范围内，满足整个系统的正常运行要求，实现了对流感病毒传播的阻碍作用。为同类型或后续机组在防疫（空气传播）期间的系统运行与防疫措施上提供一个借鉴的方法。
