通风系统不同阀门调节对固化线房间负压和风量的影响研究

刘思涵 王启迪 魏 刚 闫 征 王 寅

(中国核电工程有限公司,北京)

0 引言

在核设施中,通风与空调设计需要确保设备室、热室在正常运行状态和事故工况下释放的气载放射性物质含量保持在规定限值以下。基于此,常常将房间负压控制在某一范围内。在EJ/T 938—1995《核燃料后处理厂通风与空气净化设计规定》[1]等规范中,对于具有不同放射性的红区房间有不同的负压要求。低放设备室进风通常用余压阀控制,中、高放设备室负压值为-150～-100 Pa,手套箱、工作箱和热室负压值为-300～-200 Pa,以保证压力边界及气溶胶的正确流向。

为了使红区房间负压保持在规定范围内,需要调节进、排风管道上的阀门开度。然而,核设施红区通风系统设备数量较多、管路较长,系统中各个阀门的调节结果会相互耦合,影响房间负压的保持。本文以某核化工项目固化线房间通风系统为例,探究调节不同阀门对红区房间负压和风量的影响。

1 通风系统概况

该排风系统每个固化线房间负压均需维持在-300～-200 Pa,在负压的作用下,进风来自相邻橙区房间,经过设一级过滤器的过滤装置净化后进入固化线房间。对于排风,设置就地过滤器装置(一用一备),净化后的空气经风管集中排至红区排风机房,再经设两级过滤器的过滤装置(一用一备)二次净化后,用风机经风管排至地下风道再至排风塔高空扩散、稀释。整个通风系统包括进风过滤器、阀门、排风过滤器、机房过滤器、风机、风管、止回阀等部件。本文采用CFD[2]和FLoMASTER软件建立该固化线房间通风系统水力平衡模型,通过研究调节不同阀门对固化线房间负压、风量的影响,得到阀门调试工作量最小的阀门开度组合。

2 数学模型

2.1 CFD数学模型

CFD的基本控制方程如下。

连续方程：

(1)

式中ρ为空气密度,kg/m3;v为空气流速,m/s;t为时间,s。

动量方程：

(2)

式中p为空气压力,Pa;τ为应力,Pa;g为自由落体加速度,m/s2;F为体积力,N/m3。

能量方程：

(3)

式中h为空气比焓,J/kg;cp为空气的比定压热容,J/(kg·K);μt为湍流黏度,Pa·s;σt为湍流普朗特数;T为空气温度,K;Sh为热源项,W/m3。

(4)

式中ph为房间的静压,Pa;Qh为房间的送风量,m3/h;Qh,s为房间的设计风量,m3/h。

2.2 FLoMASTER软件理论介绍

FLoMASTER基于矩阵求解对整个模型进行求解计算。矩阵求解网络示意图见图1。

注：1～4为节点;①～③为元件;mij为i节点到j节点的流量;pi为i节点处的压力。图1 矩阵求解网络示意图

综合各个元件及节点的质量守恒方程得到系数矩阵方程,即式(5)。

(5)

式中a为元件A、B、C线性方程的系数,下标为系数编号。

式(5)矩阵中的系数由相应元件的参数决定。在对系统模型进行求解时,先根据边界条件压力源(流量源)进行初次求解,得到各节点的流量(压力),再根据此计算结果进行再次求解,如此往复迭代计算,直到所有结果的残差都达到预先设定值,迭代终止,计算完成。

3 模拟过程及分析

该固化线房间中的放射性气体经过就地过滤器及机房中的过滤器过滤后排往室外管道,过滤器滤芯能够捕集放射性气溶胶及灰尘,是排风管网系统中的主要阻力元件。根据该项目实际参数,调研获得过滤器选型,如表1所示,过滤器、风机的阻力特性曲线如图2、3所示。

表1 固化线房间过滤器选型

图2 过滤器前后压差-风量曲线

图3 某离心式风机性能曲线

图4 阀门阻力系数与叶片开启角度的关系

图5 固化线房间几何模型

参考图集07K120《风阀选用与安装》中关于蝶阀的选用说明,设计所选阀门的阻力系数随叶片开启角度的变化如图4所示。

3.1 固化线房间阻力特性研究

本文利用CFD软件建立了固化线房间模型。根据该项目的通风技术路线,将每个固化线房间简化为长方体计算域,并加入搅拌器、提升门等设备,根据施工图中进、排风管的位置设置模拟计算域的入口和出口,具体模型见图5。固化线房间利用负压差从相邻橙区房间取风,而橙区房间与室外压差为-50 Pa,因此可以将固化线房间入口设置为有固定数值的压力入口(-50 Pa),出口设置为速度出口,流速按照固化线房间设计风量及风口截面积进行折算。房间内流动为湍流,选用K-ε双方程模型,利用CFD软件求解连续方程和动量方程,从而得到出口处的平均压力。为了得到固化线房间的风量-压差阻力特性曲线,需要代入不同风量进行计算。本文将固化线房间计算风量折算成流速,代入出口边界条件,并按照25%、50%、75%、100%、125%排风量分别进行模拟,得到不同排风量时的固化线房间进出口压差,从而总结出固化线房间的阻力特性曲线。固化线房间排风量与进出口压差的对应关系见表2,固化线房间风量-压差变化曲线(2条固化线排风流程完全一致)如图6所示。

表2 固化线房间排风量与进出口压差

图6 固化线房间风量-压差曲线

3.2 固化线房间负压的影响研究

得到固化线房间的阻力曲线后,本文在FLoMASTER中建立通风系统模型。将调研及CFD模拟得到的各类设备、房间的阻力特性曲线代入到FLoMASTER模型中,探究调节不同阀门对固化线房间风量及负压的影响。由于固化线房间通风系统从橙区房间取风,橙区房间需要维持50 Pa的负压。系统排风经进风过滤器、固化线房间、排风过滤器、机房过滤器、风机等设备后排入管沟,可以将管沟接口处设置为500 Pa压力出口边界。整个系统的模型见图7,仿真条件见表3。

图7 固化线通风系统FLoMASTER水力计算模型

固化线房间的排风过滤器、机房过滤器、风机为一用一备,因此,备用设备支路上的阀门可以暂时保持关闭状态。将过滤器、风机、固化线房间的阻力曲线输入到FLoMASTER软件中,调整图7中方框内阀门(分别为进风过滤器后阀门、排风过滤器前后阀门、机房过滤器前阀门、风机后阀门)的阻力系数,使固化线房间负压满足规范要求。

表3 FLoMASTER仿真条件

在FLoMASTER中,调节不同位置的阀门对模拟结果的影响不同,图8、9显示了模拟中调节不同位置阀门阻力系数对固化线房间负压和风量的影响。

图8 阀门阻力系数对固化线负压的影响

图9 阀门阻力系数对固化线房间风量的影响

分析图8a可以看出,不同阀门阻力系数对于固化线房间负压的影响不同。当进风过滤器阀门阻力系数增大时,阀门阻力增大,房间负压增大;而调节排风过滤器、机房过滤器前和风机后阀门叶片开启角度,会导致房间负压减小,影响程度远小于调节进风过滤器阀门。图8b显示了过滤器处于初阻力工况下,不同阀门阻力系数处于最终调节结果附近时对负压的影响。根据整个固化线房间排风系统的阻力都是由风机的压头克服的,可以列出固化线房间负压的关系式(见式(6)、(7))。由于进风过滤器进风处不接风管,直接从大厅取风,且出风处与固化线房间入口距离很近,可以忽略整个管网进风端的风管阻力,因此,式(7)中忽略了风管的阻力。

pg=pc+Δpjg+Δpjgf

(6)

pg=Δpg+2Δppgf+Δppg+Δpf+Δpfgf+

Δpfg+Δpff+pgg-Δpfj

(7)

式(6)、(7)中pg为固化线房间压力,Pa;pc为橙区大厅压力,Pa;Δpjg为进风过滤器阻力(压降),Pa;Δpjgf为进风过滤器阀门阻力(压降),Pa;Δpg为固化线房间阻力(压降),Pa;Δppgf为排风过滤器阀门阻力(压降),Pa;Δppg为排风过滤器阻力(压降),Pa;Δpf为风管阻力(压降),Pa;Δpfgf为机房过滤器阀门阻力(压降),Pa;Δpfg为机房过滤器阻力(压降),Pa;Δpff为风机后阀门阻力(压降),Pa;pgg为管沟压力,Pa;Δpfj为风机阻力,Pa。

以上参数中,L1=0.50L2=0.25L,d1=0.26 m、d2=0.40 m、d=0.60 m,将相关数据代入各个阀门的阻力系数计算式中,可以算得进风过滤器阀门阻力系数前的系数为负数,且绝对值较大,大于其他阀门阻力系数前的系数的绝对值,因此,调节进风过滤器阀门阻力系数,对于固化线房间负压的影响更大。

分析图9a可以看出,当阀门阻力系数增大时,房间风量减小。图9b显示了过滤器处于初阻力工况下,不同阀门阻力系数处于最终调节结果附近时对固化线房间风量的影响。从图9a可以看出,调节机房过滤器前阀门和风机后阀门对固化线房间风量的影响比调节进、排风过滤器阀门更大,这是由于机房过滤器前和风机后阀门的直径大于进、排风过滤器阀门直径,在调节阀门阻力系数,即调节叶片开启角度时,对应改变的风量与阀门直径相关。阀门直径越大,开启同样的叶片角度时改变的阀门过风面积越大,过风量也越大,对固化线房间的风量影响也越大。然而,在实际调试过程中,机房过滤器前阀门为检修用阀门,有效调节范围较小,一般运行时不通过调节该阀门来控制风量,因此,可以认为调节风机后阀门对固化线房间风量的影响最大。

当过滤器处于初阻力工况时,需要调节固化线房间通风系统内调节阀的叶片开启角度(阻力系数),以满足房间的负压与设计通风量。根据设计经验,过滤器容尘过程会造成房间负压增大,为了使过滤器容尘过程中固化线房间负压和风量尽量长时间地满足规范和设计要求,尽量避免出现所有阀门全开的状态下都不能使固化线房间负压满足规范要求的情况,应当通过调节阀门叶片开启角度,使固化线房间在过滤器初阻力状态下的负压尽量接近规范规定的最高值,即-200 Pa,为后续过滤器容尘过程的阀门调节提供余量。当整个通风管网中所有具有调节功能的阀门的叶片开启角度组合能够使固化线房间负压值最大,且满足规范规定值,即之后再调节任意阀门都不能使负压高于这个最大值,此时的阀门叶片开启角度组合可以作为对后续调节最优的组合。根据之前的结论,固化线房间负压受进风过滤器阀门阻力系数影响最大,且阀门阻力系数越大,负压越大,因此,固化线负压调节主要以调节进风过滤器阀门为主,这样可以使后续容尘过程的阀门调节更加简单,只需要调节相对同一位置(例如,所有支路的进风过滤器阀门可以被看作在相对同一位置)的阀门即可满足规范规定的负压。然而在实际调试过程中,由于机房过滤器和风机位于排风机房内,阀门安装位置普遍较高,调节有一定的难度,因此,只调节进风过滤器阀门也有助于减少阀门调节的工作量。

根据以上阀门调节思路,根据固化线通风系统总风量与风机、机房过滤器额定风量,给定风机后和机房过滤器前阀门的阻力系数为22;根据固化线房间设计风量与就地排风过滤器设备额定风量,给定就地排风过滤器前后阀门的阻力系数为2。然后,调节进风过滤器阀门叶片开启角度,结果见表4,此时的阀门叶片开启角度组合是对后续调节影响较小的最优组合,固化线房间负压最高值为-200 Pa,每个固化线房间的风量也满足换气次数要求。

如表4所示,对各个房间调节阀的阻力系数值进行调节,使得在满足房间的设计风量的同时,满足固化线房间与橙区房间负压维持在-300～-200 Pa之间,从而满足设计要求。

表4 固化线房间FLoMASTER调节结果

4 结论

1) 固化线房间的风量与阻力的关系基本呈二次多项式的形式,随着风量的增大,房间阻力急剧上升。

2) 固化线房间负压受进风过滤器阀门阻力系数影响更大,而调节风机后阀门对房间风量的影响更加明显。

3) 找到了一种有利于减少固化线房间通风系统后续阀门调节工作量的最优的阀门叶片开启角度组合,可以使后续容尘过程中的阀门调节更加简单。