上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司 陳治清 顧明偉

0 引言

核電廠通風(fēng)系統(tǒng)的放射性廢物主要來(lái)源于從放射性場(chǎng)所排風(fēng)凈化系統(tǒng)更換下來(lái)的核用空氣過(guò)濾器。為滿足抗震及低泄漏的要求，核用空氣過(guò)濾器均采用鋼制外框和不可拆卸的濾芯結(jié)構(gòu)，其廢物處理減容比小于3，即使經(jīng)過(guò)減容處理，放射性報(bào)廢過(guò)濾器仍是核電廠的主要放射廢物。美國(guó)能源部下屬的4個(gè)核設(shè)施中放射性場(chǎng)所使用的高效空氣過(guò)濾器的采購(gòu)、更換、現(xiàn)場(chǎng)泄漏測(cè)試、壓縮減容及打包、運(yùn)輸和裝卸、最終處置等全壽命周期的成本分解結(jié)果顯示，低放射性區(qū)域空氣過(guò)濾器的平均采購(gòu)成本僅占全壽命周期成本的15%[1]。面對(duì)高昂的放射廢物處置費(fèi)用，減少核電廠等核設(shè)施場(chǎng)所放射性過(guò)濾器的更換數(shù)量可有效節(jié)約核設(shè)施運(yùn)維成本，是實(shí)現(xiàn)核設(shè)施放射性廢物最小化的一項(xiàng)重要舉措。

本文通過(guò)對(duì)不同送風(fēng)過(guò)濾器組合的過(guò)濾效率、阻力進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置不同的過(guò)濾器組合時(shí)，排風(fēng)系統(tǒng)凈化過(guò)濾器的容塵負(fù)荷及壽命情況；探討送風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)濾器采用F5+F8組合較采用G4+F7組合的經(jīng)濟(jì)性。

1 典型放射性廠房排風(fēng)凈化過(guò)濾器的容塵負(fù)荷計(jì)算

放射性廠房的通風(fēng)系統(tǒng)常采用直流式送、排風(fēng)，送風(fēng)量略小于排風(fēng)量，以保證廠房相對(duì)于室外為負(fù)壓；送風(fēng)系統(tǒng)的空氣處理機(jī)組設(shè)置于廠房干凈區(qū)域，設(shè)有G4+F7兩級(jí)過(guò)濾；排風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)置核用中效過(guò)濾器+核用高效空氣過(guò)濾器兩級(jí)過(guò)濾，以攔截排風(fēng)中的放射性顆粒物，核用高效空氣過(guò)濾器對(duì)0.3 μm粒徑擋的顆粒物的過(guò)濾效率≥99.97%[2]，可認(rèn)為能把粒徑≥0.3 μm的顆粒物全部捕集，避免廠房?jī)?nèi)放射性顆粒物釋放至室外大氣中。放射性廠房?jī)?nèi)顆粒物的濃度平衡關(guān)系如圖1所示。

注：Co為室外顆粒物濃度；Ci為室內(nèi)顆粒物濃度；Cc為排風(fēng)顆粒物濃度(凈化處理后)；Qo為通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量；Qe為通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)量；Qp為圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲風(fēng)量；Gs為室內(nèi)顆粒物沉降量；Gr為室內(nèi)表面顆粒物揚(yáng)塵量；G為室內(nèi)人、物產(chǎn)塵量；ηo為送風(fēng)過(guò)濾效率；ηe為排風(fēng)過(guò)濾效率；p為圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)；V為室內(nèi)體積。圖1 放射性廠房?jī)?nèi)顆粒物的濃度平衡關(guān)系

假設(shè)送風(fēng)、排風(fēng)、室內(nèi)產(chǎn)塵等對(duì)室內(nèi)顆粒物濃度的影響均為穩(wěn)態(tài)過(guò)程，室內(nèi)顆粒物均勻分布，各類(lèi)顆粒物污染源產(chǎn)生的顆粒物進(jìn)入室內(nèi)后即刻在室內(nèi)空氣中擴(kuò)散，且顆粒物在室內(nèi)不發(fā)生凝并、再分散過(guò)程，則室內(nèi)顆粒物濃度平衡方程式為

Qo(1-ηo)Co+(Qe-Qo)pCo+

Gr+G=Gs+QeCi

(1)

定義Gi為室內(nèi)顆粒物源顆粒物凈發(fā)生量，Mi為室內(nèi)單位體積產(chǎn)塵量。

Gi=Gr+G-Gs

(2)

Gi=VMi

(3)

定義送、排風(fēng)量的關(guān)系為Qo=kQe，對(duì)于放射性廠房，0

(4)

定義排風(fēng)凈化過(guò)濾器的容塵負(fù)荷為M，即單位時(shí)間內(nèi)攔截的顆粒物量為

M≈QeCi

(5)

由式(4)、(5)可知，排風(fēng)系統(tǒng)凈化過(guò)濾器的容塵負(fù)荷主要影響因素包括送排風(fēng)量比例、排風(fēng)總量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)、送風(fēng)過(guò)濾器過(guò)濾效率、室內(nèi)產(chǎn)塵量等。在送、排風(fēng)量已知的條件下，提高進(jìn)風(fēng)過(guò)濾效率ηo和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性均可有效降低排風(fēng)凈化系統(tǒng)過(guò)濾器的容塵負(fù)荷。

室內(nèi)產(chǎn)塵量Mi增大將導(dǎo)致排風(fēng)凈化系統(tǒng)過(guò)濾器容塵負(fù)荷增大。核電廠內(nèi)除放射性廢物處理廠房中的減容、打包工藝房間外，多數(shù)放射性廠房、區(qū)域在大部分時(shí)間內(nèi)無(wú)機(jī)械打磨、機(jī)械操作、人員活動(dòng)等產(chǎn)塵工序，其室內(nèi)產(chǎn)塵量Mi近似為0。

2 不同過(guò)濾器組合的過(guò)濾效率實(shí)測(cè)

核電行業(yè)內(nèi)較常用的過(guò)濾器等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)EN 779：2012根據(jù)空氣過(guò)濾器的過(guò)濾效率將其分為9個(gè)級(jí)別，對(duì)G1、G2、G3、G4級(jí)的空氣過(guò)濾器采用人工塵平均計(jì)重效率分級(jí)，對(duì)F5(M5)、F6(M6)、F7、F8、F9級(jí)的空氣過(guò)濾器根據(jù)計(jì)數(shù)效率實(shí)驗(yàn)得到的0.4 μm粒徑擋的平均計(jì)數(shù)效率分級(jí)[3]。根據(jù)相應(yīng)的評(píng)級(jí)結(jié)果，無(wú)法獲知過(guò)濾器組合對(duì)不同粒徑擋的過(guò)濾效率及對(duì)顆粒物的計(jì)重過(guò)濾效率，無(wú)法直觀地評(píng)價(jià)其對(duì)排風(fēng)凈化過(guò)濾器的保護(hù)作用。

隨機(jī)選取G4～F8過(guò)濾器各1臺(tái)，組成G4+F6、G4+F7、G4+F8、F5+F6、F5+F7、F5+F8共6種空氣過(guò)濾器組合進(jìn)行初始效率試驗(yàn)。空氣過(guò)濾器性能試驗(yàn)臺(tái)原理如圖2所示。

圖2 空氣過(guò)濾器性能試驗(yàn)臺(tái)原理圖

該試驗(yàn)臺(tái)按照EN 779：2012搭建，主要構(gòu)件有進(jìn)氣口預(yù)過(guò)濾器、變頻風(fēng)機(jī)、噴口流量計(jì)(流量測(cè)量裝置)、高效過(guò)濾器、混合室、粒子計(jì)數(shù)器、風(fēng)管部件等。變頻風(fēng)機(jī)通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，從而滿足試驗(yàn)中的風(fēng)量變化需求。流量測(cè)量裝置采用噴口流量計(jì)，可根據(jù)噴口標(biāo)準(zhǔn)件前后的壓差實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)量。氣溶膠發(fā)生裝置用于發(fā)生人工氣溶膠，由于大氣塵濃度不定，瞬息變化，為避免空氣過(guò)濾器計(jì)數(shù)效率測(cè)試過(guò)程受外界因素影響，采用粒徑分布穩(wěn)定的人工氣溶膠作為試驗(yàn)氣溶膠?；旌鲜覟橐混o壓箱，一方面可實(shí)現(xiàn)氣流穩(wěn)定作用，另一方面可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)發(fā)生的人工氣溶膠在其內(nèi)均勻分布，使得受試空氣過(guò)濾器前后采樣處的氣溶膠分布均勻，減小試驗(yàn)誤差。受試空氣過(guò)濾器組合前后設(shè)置有氣溶膠采樣口，通過(guò)粒子計(jì)數(shù)器對(duì)受試空氣過(guò)濾器前后空氣中的顆粒物濃度進(jìn)行測(cè)量。顆粒物的計(jì)數(shù)濃度監(jiān)測(cè)采用BCJ-1激光粒子計(jì)數(shù)器，一次采樣即可測(cè)試得到≥0.3、≥0.5、≥0.7、≥1.0、≥2.0、≥5.0 μm共6個(gè)粒徑擋顆粒物的計(jì)數(shù)濃度。采樣流量設(shè)為2.83 L/min，每min采樣一次。根據(jù)實(shí)測(cè)空氣過(guò)濾器組合上下游顆粒物計(jì)數(shù)濃度，計(jì)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個(gè)粒徑區(qū)間的上、下游顆粒物粒徑分布及過(guò)濾器組合對(duì)相應(yīng)粒徑擋的過(guò)濾效率，結(jié)果見(jiàn)表1。受試空氣過(guò)濾器組合前后設(shè)置壓力傳感器，可測(cè)得受試空氣過(guò)濾器組合的前后壓差，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 各組合過(guò)濾器不同粒徑擋的實(shí)測(cè)過(guò)濾效率(額定風(fēng)量3 400 m3/h)

表2 各組合過(guò)濾器初阻力實(shí)測(cè)結(jié)果(額定風(fēng)量3 400 m3/h) Pa

因本文主要討論不同送風(fēng)過(guò)濾器組合對(duì)排風(fēng)凈化過(guò)濾器單位時(shí)間內(nèi)的容塵負(fù)荷影響，需將實(shí)測(cè)得到的過(guò)濾器組合對(duì)各粒徑擋的計(jì)數(shù)效率轉(zhuǎn)化為對(duì)粒徑≥0.3 μm的顆粒物的計(jì)重效率。對(duì)于試驗(yàn)用的癸二酸二辛酯(DEHS)氣溶膠，不同粒徑擋的密度一致，但同一粒徑擋內(nèi)顆粒物粒徑并不一致，需假設(shè)每個(gè)粒徑擋內(nèi)顆粒物粒徑一致，將各粒徑擋的平均粒徑di(某粒徑擋下限粒徑dl和上限粒徑du的幾何平均值)作為代表粒徑[4]，空氣過(guò)濾器對(duì)粒徑≥0.3 μm的顆粒物的計(jì)重過(guò)濾效率η≥0.3可由式(8)計(jì)算得到，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，表中取≥5.0 μm粒徑擋的顆粒物平均粒徑為5.00 μm。

(6)

(7)

(8)

式中Niu為受試空氣過(guò)濾器上游粒徑擋i區(qū)間的

由表1可知，當(dāng)預(yù)過(guò)濾器級(jí)別相同時(shí)，過(guò)濾器組合的η≥0.3隨著末級(jí)過(guò)濾器等級(jí)的升高而升高，但過(guò)濾器組合的過(guò)濾效率不完全由末級(jí)過(guò)濾器決定，預(yù)過(guò)濾器的級(jí)別提升可顯著提升過(guò)濾器組合的η≥0.3，如試驗(yàn)測(cè)得F5+F6高于G4+F7、G4+F8，F(xiàn)5+F7高于G4+F8。由表2可知，過(guò)濾器組合F5+F6初阻力與G4+F7初阻力相差不大，而F5+F7的初阻力則小于G4+F8。若僅從初始效率、初始阻力角度考慮，本試驗(yàn)的空氣過(guò)濾器組合中，F(xiàn)5+F6優(yōu)于G4+F7、G4+F8，F(xiàn)5+F7優(yōu)于G4+F8。

3 案例分析

以某地某日室外實(shí)測(cè)大氣塵粒徑分布均值(見(jiàn)表3)作為通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)顆粒物粒徑分布，分析某核電廠廢物暫存庫(kù)的送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置不同空氣過(guò)濾器組合時(shí)，其排風(fēng)系統(tǒng)凈化過(guò)濾器的容塵負(fù)荷變化。

表3 實(shí)測(cè)大氣塵粒徑分布

該放射性廢物暫存庫(kù)的通風(fēng)系統(tǒng)采用直流式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)k值為0.91(排風(fēng)量為56 000 m3/h，送風(fēng)量為51 000 m3/h)，送風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)濾器組合為G4+F7，排風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)濾器組合為核用中效過(guò)濾器+核用高效空氣過(guò)濾器。該放射性廢物暫存庫(kù)僅在少部分時(shí)間內(nèi)存在吊車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)以存放、調(diào)取廢物桶，故取室內(nèi)產(chǎn)塵量Mi為0；圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙的滲透系數(shù)p取最不利情況，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)滲透空氣中的顆粒物無(wú)攔截作用，p=1，得到穩(wěn)態(tài)工況下廠房?jī)?nèi)的顆粒物濃度(見(jiàn)式(9))、排風(fēng)凈化過(guò)濾器的容塵負(fù)荷M(見(jiàn)式(10))。

Ci=(1-0.91ηo)Co

(9)

M≈(1-0.91ηo)CoQe

(10)

根據(jù)各空氣過(guò)濾器組合對(duì)各粒徑擋的過(guò)濾效率實(shí)測(cè)值和表3中實(shí)測(cè)大氣塵的粒徑分布，計(jì)算得到實(shí)測(cè)大氣塵粒徑分布條件下各空氣過(guò)濾器組合的η≥0.3；由式(10)計(jì)算得到當(dāng)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置不同的空氣過(guò)濾器組合時(shí)，排風(fēng)系統(tǒng)的凈化過(guò)濾器的容塵負(fù)荷。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

比較表1、表3中試驗(yàn)塵與實(shí)測(cè)大氣塵的粒徑分布可發(fā)現(xiàn)兩者存在較大差異，試驗(yàn)塵氣溶膠質(zhì)量集中于0.7～2.0 μm粒徑擋區(qū)間，而實(shí)測(cè)大氣塵質(zhì)量主要集中于≥2.0 μm的粒徑擋；兩者粒徑分布的差異引起各過(guò)濾器組合的η≥0.3顯著不同(見(jiàn)表1、表4)，各空氣過(guò)濾器組合對(duì)大氣塵的η≥0.3均顯著高于對(duì)試驗(yàn)塵的η≥0.3；但過(guò)濾器級(jí)別的變化導(dǎo)致的過(guò)濾器組合η≥0.3的變化趨勢(shì)是一致的?？梢?jiàn)，在同等級(jí)的空氣過(guò)濾器比對(duì)、選擇時(shí)，當(dāng)且僅當(dāng)試驗(yàn)塵粒徑分布完全一致時(shí)，方可采用計(jì)重效率作為比對(duì)指標(biāo)；當(dāng)采用計(jì)數(shù)效率比對(duì)時(shí)，比對(duì)過(guò)濾器對(duì)各粒徑擋的過(guò)濾效率將會(huì)更全面。

表4 不同過(guò)濾器組合時(shí)的計(jì)重過(guò)濾效率及凈化過(guò)濾器的容塵負(fù)荷(大氣塵粒徑分布)

由式(10)可知，送、排風(fēng)比例固定時(shí)，提高送風(fēng)過(guò)濾器的過(guò)濾效率，可以有效降低排風(fēng)凈化過(guò)濾器的容塵負(fù)荷。表4中的排風(fēng)過(guò)濾器容塵負(fù)荷計(jì)算結(jié)果顯示，在計(jì)算條件下，送風(fēng)過(guò)濾器組合采用F5+F8時(shí)，排風(fēng)過(guò)濾器的容塵負(fù)荷約為送風(fēng)過(guò)濾器組合采用G4+F7時(shí)的72.0%。僅從容塵負(fù)荷角度測(cè)算，送風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)濾器組合采用F5+F8較采用G4+F7時(shí)，排風(fēng)系統(tǒng)的凈化過(guò)濾器的使用壽命可延長(zhǎng)38.9%，非?？捎^。

本文案例的排風(fēng)系統(tǒng)共設(shè)有21個(gè)核級(jí)預(yù)過(guò)濾器和21個(gè)核級(jí)高效空氣過(guò)濾器，取核級(jí)過(guò)濾器的尺寸為610 mm×610 mm×292 mm(長(zhǎng)×寬×高)，壓縮減容比為3。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，1 m3的放射性廢物在放射性廢物處置場(chǎng)中的年存儲(chǔ)費(fèi)用約為4萬(wàn)～5萬(wàn)元，本文取減容處理后放射性廢物的處置費(fèi)用為4萬(wàn)元/m3，測(cè)算得到排風(fēng)系統(tǒng)過(guò)濾器一次整體更換、經(jīng)減容處理后的放射性廢物處置成本為6.08萬(wàn)元。

以表2中各組合過(guò)濾器初阻力的實(shí)測(cè)值作為輸入值，測(cè)算得到本案例中送風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)濾器組合采用F5+F8較采用G4+F7時(shí)，初阻力增加94 Pa，風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率增加約1.3 kW。以0.7元/(kW·h)電價(jià)計(jì)算，系統(tǒng)全年不間斷運(yùn)行將增加約7 972元的年運(yùn)行費(fèi)用。

據(jù)筆者調(diào)查可知，核用中效過(guò)濾器售價(jià)至少為1 000元/臺(tái)，核用高效空氣過(guò)濾器售價(jià)至少為3 600元/臺(tái)，而質(zhì)量較好的市售無(wú)特殊氣密性要求的G4+F7、F5+F8過(guò)濾器售價(jià)分別約為450、550元/組。送風(fēng)過(guò)濾器設(shè)置于潔凈區(qū)域，廢棄送風(fēng)過(guò)濾器無(wú)需作為放射性廢物處置，處置成本可忽略不計(jì)，可見(jiàn)，送風(fēng)系統(tǒng)采用F5+F8替換G4+F7帶來(lái)的初投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用增加額與放射性廢物處置成本相比，相差1個(gè)數(shù)量級(jí)。

綜上可得，本文案例中，送風(fēng)系統(tǒng)中采用F5+F8替換現(xiàn)有G4+F7的過(guò)濾器組合的設(shè)計(jì)，可顯著延長(zhǎng)排風(fēng)凈化過(guò)濾器的使用壽命，降低核電廠運(yùn)維成本。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)放射性廠房?jī)?nèi)顆粒物濃度平衡模型可得排風(fēng)凈化過(guò)濾器的容塵負(fù)荷主要影響因素包括送排風(fēng)量比例、排風(fēng)總量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)、送風(fēng)過(guò)濾器過(guò)濾效率、室內(nèi)產(chǎn)塵量等。

2) 通過(guò)實(shí)測(cè)，獲得了G4+F6、G4+F7、G4+F8、F5+F6、F5+F7、F5+F8共6種空氣過(guò)濾器組合對(duì)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個(gè)粒徑區(qū)間的過(guò)濾效率；計(jì)算得到了試驗(yàn)塵、大氣塵2種粒徑分布下，空氣過(guò)濾器組合的η≥0.3。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，預(yù)過(guò)濾器級(jí)別相同時(shí)，過(guò)濾器組合的η≥0.3隨著末級(jí)過(guò)濾器等級(jí)的升高而升高；過(guò)濾器組合的過(guò)濾效率并不完全由末級(jí)過(guò)濾器決定，預(yù)過(guò)濾器的級(jí)別提升可顯著提升過(guò)濾器組合的η≥0.3。

3) 比較同等級(jí)的空氣過(guò)濾器組合對(duì)試驗(yàn)塵和大氣塵的η≥0.3數(shù)值差異可得，在空氣過(guò)濾器比選時(shí)，當(dāng)且僅當(dāng)試驗(yàn)塵粒徑分布完全一致時(shí)，方可采用計(jì)重效率作為必選指標(biāo)；當(dāng)采用計(jì)數(shù)效率比選時(shí)，比對(duì)過(guò)濾器對(duì)各粒徑擋的過(guò)濾效率會(huì)更全面。

4) 案例分析結(jié)果顯示，僅從容塵負(fù)荷角度測(cè)算，送風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)濾器組合采用F5+F8較采用G4+F7時(shí)，排風(fēng)系統(tǒng)的凈化過(guò)濾器的使用壽命可延長(zhǎng)38.9%，降低核電廠運(yùn)維成本。