核設(shè)施廠房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

楊少東，趙洲，尹俊植，侯京婧，李昂

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

1 引言

在核設(shè)施生產(chǎn)活動(dòng)過程中，會(huì)存在放射性污染物泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)成一個(gè)氣密性封閉物理空間是防止微?；驓鈶B(tài)物質(zhì)泄漏最有效的辦法。但是在工程上，由于設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)及檢修、維護(hù)、物料輸運(yùn)及人員出入口等需要，會(huì)存在一些結(jié)構(gòu)縫，絕對(duì)的物理密封殼體是不需要的，也是不可行的。這就要求廠房通風(fēng)系統(tǒng)作為核設(shè)施安全殼整體中的一部分，共同組成工藝生產(chǎn)流程。通風(fēng)系統(tǒng)通過保持物理密封屏障內(nèi)、外的負(fù)壓差，形成動(dòng)態(tài)密封屏障，為物理密封屏障（靜態(tài)密封屏障）提供輔助支撐，達(dá)到核設(shè)施廠房更完善的密封屏障效果。建立在負(fù)壓梯度基礎(chǔ)上的通風(fēng)系統(tǒng)是核設(shè)施物理密封屏障的補(bǔ)充，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將最大負(fù)壓區(qū)設(shè)置在放射性潛在污染最高的區(qū)域，以便在發(fā)生泄漏時(shí)，保證氣流從低污染區(qū)流向高污染區(qū)。綜上，通風(fēng)密封系統(tǒng)和將內(nèi)部密封空間完全包圍環(huán)繞起來的房間或建筑物組合在一起，構(gòu)成一個(gè)完整的密封系統(tǒng)，并保持其密封功能。

核設(shè)施廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量大小直接決定了核設(shè)施廠房體積及運(yùn)行成本，傳統(tǒng)核設(shè)施廠房采用全新風(fēng)直流系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)管道龐大，風(fēng)機(jī)及過濾凈化設(shè)備數(shù)量多、造價(jià)高，運(yùn)行期間能耗高。隨著社會(huì)發(fā)展，特別是在我國積極應(yīng)對(duì)氣候變化，在“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，核設(shè)施廠房全新風(fēng)直流式系統(tǒng)慢慢顯示出其設(shè)計(jì)規(guī)模大、造價(jià)及運(yùn)行能耗高的弊端，如何降低核設(shè)施廠房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量已成為核工業(yè)科技工作者備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)問題之一。

負(fù)壓控制是核設(shè)施廠房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，正確的氣流流向是最為重要的安全措施，其保證了核設(shè)施廠房內(nèi)空氣流動(dòng)方向順序地由非污染區(qū)到污染區(qū)，由低污染區(qū)到高污染區(qū)，最終目標(biāo)是最大限度的減少放射性物質(zhì)向操作區(qū)及環(huán)境的泄漏，將放射性物質(zhì)密封在該放射性區(qū)域。

通風(fēng)系統(tǒng)作為核設(shè)施廠房安全殼整體中的一部分時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的。本文就核設(shè)施廠房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從通風(fēng)量計(jì)算、負(fù)壓控制以及通風(fēng)系統(tǒng)基本配置逐一進(jìn)行介紹，旨在為工程設(shè)計(jì)人員提供參考和借鑒。

2 核設(shè)施廠房通風(fēng)量計(jì)算方法

核設(shè)施室內(nèi)房間負(fù)壓通風(fēng)量計(jì)算方法一般有縫隙漏風(fēng)量法、換氣次數(shù)法、排除余熱余濕法及稀釋有害物質(zhì)法。

2.1 縫隙漏風(fēng)量法

按保持內(nèi)部負(fù)壓，通過結(jié)構(gòu)縫隙滲入的空氣量計(jì)算法。計(jì)算公式可參考通常參考加壓送風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)量計(jì)算方法：

式中，Lm為維持壓差所需的風(fēng)量，m3/h；A 為漏風(fēng)面積，m3；ΔP 為靜壓差，Pa。

核設(shè)施廠房因輻射防護(hù)安全需要，墻體均采用鋼筋混凝土澆筑而成，厚度普遍在600～1000mm，所有穿墻管線孔洞均采用高密度硅酮進(jìn)行嚴(yán)密封堵，所以理論上通過維護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏的風(fēng)量非常小。

核設(shè)施室內(nèi)房間按照該區(qū)域操作放射性物料的放射性危害程度進(jìn)行分級(jí)，從高到低分別為紅區(qū)、橙區(qū)、綠區(qū)以及白區(qū)。紅區(qū)的特點(diǎn)是在正常操作或事故工況下，都必須防止放射性物質(zhì)在廠房內(nèi)部擴(kuò)散和泄漏到廠房外面去。橙區(qū)屬于放射性設(shè)備和管道等的維修區(qū)域，本區(qū)人員是不經(jīng)常停留的，當(dāng)需要進(jìn)行檢修時(shí)，工作人員必須得到允許，才能進(jìn)入從事檢修工作。綠區(qū)是工作人員經(jīng)常停留的，一般是安全的。白區(qū)屬于非放射性工作區(qū)，一般來說進(jìn)入白區(qū)的工作人員不需要更換工作服。

根據(jù)核燃料后處理廠通風(fēng)與空氣凈化設(shè)計(jì)規(guī)定，

（1）綠區(qū)應(yīng)對(duì)相鄰白區(qū)保持約10～20Pa 的負(fù)壓；

（2）橙區(qū)與綠區(qū)的壓差應(yīng)保持20～30Pa 的負(fù)壓；

（3）紅區(qū)內(nèi)的負(fù)壓值應(yīng)確保通過任何孔洞和縫隙流向紅區(qū)氣流的平均風(fēng)速不小于1.0m/s。

2.2 換氣次數(shù)法

按照核設(shè)施房間內(nèi)具體潛在污染性水平及功能選取換氣次數(shù)，計(jì)算負(fù)壓通風(fēng)量。目前大部分核設(shè)施廠房基于此方法設(shè)計(jì)，但對(duì)于大空間、情況復(fù)雜的場所，計(jì)算風(fēng)量往往巨大，造成風(fēng)管設(shè)計(jì)占據(jù)大量空間，且通風(fēng)系統(tǒng)造價(jià)及運(yùn)行成本顯著增加。另外，在具有潛在氣載放射性的區(qū)域，增加換氣次數(shù)不一定能顯著降低操作人員所在局部的氣載放射性水平；且應(yīng)該避免過大的通風(fēng)量，否則會(huì)引起污染物再懸浮，從而提高氣載放射性水平，但加大通風(fēng)量能降低整個(gè)區(qū)域的平均污染濃度。

2.3 排除余熱余濕法

核設(shè)施內(nèi)某些工藝性房間在生產(chǎn)活動(dòng)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量余熱及余濕，根據(jù)消除余熱余濕計(jì)算方法時(shí)，換氣量按其在最大值取。

為了與流行算法接軌，教學(xué)中應(yīng)強(qiáng)化多種統(tǒng)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)，編寫Eviews、R、stata、matlab等常用統(tǒng)計(jì)軟件的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，尤其R，手機(jī)端安裝R Compiler可方便進(jìn)行R軟件操作，能較大程度上培養(yǎng)學(xué)生的編程和創(chuàng)新能力，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。開展科創(chuàng)賽等課外活動(dòng)，將教學(xué)、科研與應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力，構(gòu)建多元化實(shí)踐教學(xué)體系。

2.4 稀釋有害物質(zhì)法

對(duì)于散發(fā)爆炸性氣體的設(shè)備室，應(yīng)按將爆炸性氣體沖淡到爆炸下限濃度的25%，核算換氣量。如室內(nèi)同時(shí)散發(fā)幾種有害物質(zhì)時(shí)，換氣量按其中最大值取。但當(dāng)數(shù)種溶劑（苯及其同系物、醇類或醋酸酯類）的蒸汽或數(shù)種刺激性氣體（三氧化硫及二氧化硫或氟化氫及其鹽類等）同時(shí)在室內(nèi)散發(fā)時(shí)，換氣量按稀釋各有害氣體所需換氣量的總和計(jì)算。

3 室內(nèi)負(fù)壓控制方式

負(fù)壓控制是核設(shè)施廠房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，不同區(qū)域之間要維持一定負(fù)壓，以便在正常和異常工況下，保證在孔洞或事故開口處吸入氣流不低于規(guī)定平均風(fēng)速。核設(shè)施室內(nèi)負(fù)壓控制方式常見的有直接壓力控制、余風(fēng)量控制、自適應(yīng)風(fēng)量控制及余壓閥控制4 種方式。

3.1 直接壓力控制

直接壓力控制，也叫直接壓差控制。直接壓力控制策略是通過測量房間室內(nèi)壓力與壓力參照區(qū)域的壓差并和給定值進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入和或排出房間的風(fēng)量維持受控區(qū)域的壓差。其優(yōu)點(diǎn)是控制系統(tǒng)邏輯簡單，可以精確控制受控區(qū)域與壓力參照區(qū)域的壓差，其難點(diǎn)在于：在房間開門時(shí)如何保持壓差；如何找到合適的壓力傳感器安裝位置并持續(xù)穩(wěn)定的測量壓力以及如何保持壓力傳感器的準(zhǔn)確性。

夏本明在實(shí)驗(yàn)室直接壓差控制研究中指出，通過借助門磁開關(guān)來協(xié)助控制系統(tǒng)在開門時(shí)過濾壓差反饋或延遲變風(fēng)量閥的響應(yīng)時(shí)間，可應(yīng)對(duì)房間開門所引起的房間壓力波動(dòng)問題。壓力傳感器測點(diǎn)應(yīng)布置在人為擾動(dòng)少的區(qū)域，具體可通過CFD 數(shù)值模擬軟件研究房間壓力變化特性，以此確定傳感器布置最佳位置及數(shù)量。

3.2 余風(fēng)量控制

余風(fēng)量控制方法，也叫風(fēng)量追蹤控制。余風(fēng)量指的是室內(nèi)送風(fēng)量與排風(fēng)量差值，室內(nèi)負(fù)壓就是通過排風(fēng)量大于送風(fēng)量以維持負(fù)壓狀態(tài)，為維持室內(nèi)風(fēng)量平衡，其余風(fēng)量則通過維護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏進(jìn)風(fēng)量滿足。對(duì)于核設(shè)施廠房而言，只要房間送風(fēng)量小于排風(fēng)量，即可實(shí)現(xiàn)房間負(fù)壓狀態(tài)。余風(fēng)量控制方法通過既測量排風(fēng)量又測量送風(fēng)量，并控制二者差值以保持所需的壓差，由于其很好的解決了由于房間開門所帶來的壓力波動(dòng)問題已成為房間壓差設(shè)計(jì)中較為普遍采用的控制方式。

但由于其僅僅是理論保持房間負(fù)壓并非實(shí)際測量，其對(duì)于危險(xiǎn)性較大的房間壓差控制并非最優(yōu)方案。另外，余風(fēng)量控制設(shè)計(jì)中，余風(fēng)量需通過縫隙法和換氣次數(shù)法進(jìn)行計(jì)算和復(fù)核，但其需大于閥門測量風(fēng)量的精度及控制系統(tǒng)的控制誤差，以防止出現(xiàn)壓差逆轉(zhuǎn)導(dǎo)致氣流逆流現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 自適應(yīng)余風(fēng)量控制

3.4 余壓閥控制

余壓閥是一種單向開啟的風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，按靜壓差來調(diào)整開啟度，用重錘的位置來平衡風(fēng)壓。一般用于潔凈空調(diào)和有特殊負(fù)壓（正壓）要求的場合。對(duì)于核設(shè)施廠房，余壓閥一般用于中低放設(shè)備室進(jìn)風(fēng)、防煙樓梯間及前室。其一般安裝于需要維持壓差的2 個(gè)空間的隔墻上，通過調(diào)整閥上重塊或預(yù)制定型壓差，使之達(dá)到設(shè)定的壓差時(shí)打開，最大壓差時(shí)全開，排除一定風(fēng)量后達(dá)到平衡，壓差降低到最小壓差后關(guān)閉。余壓閥因其調(diào)節(jié)方便、外觀美觀且不消耗能源已被廣泛應(yīng)用，當(dāng)然余壓閥尺寸一般較大，通風(fēng)量有限，也不方便安裝，且容易受外界環(huán)境如銹蝕、積塵、變形等影響而失去作用。

4 通風(fēng)系統(tǒng)基本配置

從前述章節(jié)介紹可知，核設(shè)施室內(nèi)房間按照該區(qū)域操作放射性物料的放射性危害程度進(jìn)行分級(jí)，從高到低分別為紅區(qū)、橙區(qū)、綠區(qū)以及白區(qū)。各區(qū)排風(fēng)應(yīng)各自組成獨(dú)立的系統(tǒng)，且不同凈化要求的系統(tǒng)不應(yīng)合并為一個(gè)系統(tǒng)。下面對(duì)各分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)（含過濾裝置）基本配置進(jìn)行說明。

4.1 排風(fēng)系統(tǒng)

白區(qū)即為無污染區(qū)，其房間送排風(fēng)可按照GB50019《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。排風(fēng)無需經(jīng)過過濾可就地排放。

綠區(qū)在正常情況下無表面污染，只有在例外的情況下會(huì)產(chǎn)生，但是可接受輕微污染。典型的綠區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)（含過濾裝置）原理圖見圖1 所示，值得注意的是，綠區(qū)排風(fēng)時(shí)，需由建筑物頂部排放，排出口的高度應(yīng)高于附近50m 內(nèi)最高建筑物3m，出口不應(yīng)安裝傘形或其他可能明顯改變出口氣流方向的風(fēng)帽。

圖1 綠區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)（含過濾裝置）原理圖

橙區(qū)房間內(nèi)部有一定程度的表面污染，但在正常情況下無氣載污染，在某些事故情況下會(huì)造成潛在表面污染或氣載污染，因而需采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧３葏^(qū)排風(fēng)需設(shè)置一級(jí)凈化，高效過濾凈化裝置N 用1 備，風(fēng)機(jī)按照2×50%設(shè)置。橙區(qū)進(jìn)風(fēng)由室外新風(fēng)經(jīng)一級(jí)過濾進(jìn)入，典型的橙區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)（含過濾裝置）原理圖見圖2。

圖2 橙區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)（含過濾裝置）原理圖

對(duì)于紅區(qū)房間來說，無論是常態(tài)或事故狀態(tài)下都受到嚴(yán)重污染，當(dāng)人員進(jìn)入時(shí)必須配備適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)裝備。紅區(qū)排風(fēng)一般設(shè)置兩級(jí)凈化，紅區(qū)房間出口就地設(shè)置一級(jí)凈化，第二級(jí)集中設(shè)置于過濾器間；如果對(duì)于放射性污染程度更高的紅區(qū)房間，第一級(jí)凈化需采用帶屏蔽高效過濾裝置，第一級(jí)高效過濾凈化裝置可設(shè)置旁通管，第二級(jí)凈化裝置N 用1 備，風(fēng)機(jī)按照2×100%設(shè)置。紅區(qū)進(jìn)風(fēng)一般由其他區(qū)轉(zhuǎn)送，對(duì)于中高放設(shè)備室紅區(qū)進(jìn)風(fēng)須經(jīng)高效過濾器進(jìn)入，對(duì)于低放設(shè)備室進(jìn)風(fēng)，可經(jīng)余壓閥進(jìn)入，典型的紅區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)（含過濾裝置）原理圖見圖3。

圖3 紅區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)（含過濾裝置）原理圖

橙區(qū)排風(fēng)及紅區(qū)排風(fēng)最后通過整個(gè)廠區(qū)地下排風(fēng)管溝匯總到排風(fēng)煙囪進(jìn)行高空排放。排風(fēng)煙囪應(yīng)設(shè)在核設(shè)施廠區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向，并且盡量靠近排風(fēng)負(fù)荷中心。排風(fēng)煙囪的高度需經(jīng)計(jì)算或大氣擴(kuò)散試驗(yàn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

4.2 進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)

核設(shè)施廠區(qū)一般設(shè)置集中進(jìn)風(fēng)中心，通過對(duì)送風(fēng)進(jìn)行集中處理（除塵、加熱、水洗、過濾等）然后輸送至各廠房。

5 結(jié)語

在核設(shè)施中，通風(fēng)系統(tǒng)是生產(chǎn)流程的重要組成部分，除了具有提供可接受工作環(huán)境的作用以外，其還承擔(dān)動(dòng)態(tài)包容及封閉、空氣過濾凈化重要功能，用于保護(hù)環(huán)境和操作人員免受空氣中含有的放射性微塵、放射性氣溶膠和放射性氣體的危害，是防止放射性氣載污染物向環(huán)境擴(kuò)散的有效方法。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)作為核設(shè)施廠房安全殼整體中的一部分時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的。這其中包括通風(fēng)量計(jì)算、房間負(fù)壓設(shè)計(jì)及通風(fēng)系統(tǒng)配置。本文就核設(shè)施廠房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通風(fēng)量計(jì)算、負(fù)壓控制以及通風(fēng)系統(tǒng)基本配置進(jìn)行了逐一概括，旨在為工程設(shè)計(jì)人員提供參考和借鑒。