厂房通风系统运行不稳定现象处理及改进建议

厂房通风系统运行不稳定现象处理及改进建议

孔令梅

三门核电有限公司 浙江省 台州市  317112

摘要：放射性废物厂房通风空调系统（VRS）在调试及运行期间，常出现厂房微负压环境建立不稳定现象，系统风机跳机频繁，影响厂房功能。本文针对以上问题，依据影响厂房压差环境的因素探索，分析了VRS系统运行不稳定的原因，并提出解决系统压差波动频繁等运行不稳定现象的处理方案及改进建议。

关键字：放射性废物厂房；通风空调系统；压差波动；

引言

放射性废物厂房通风空调系统（Radwaste Building HVAC System），简称VRS系统，主要为厂房设备和人员提供经处理的空气，控制环境温度，并使气流方向从清洁区流向潜在污染区，维持厂房对周围大气轻微负压，防止未经监测的气体释放到环境中，保证厂房辐射防护屏障的完整性和稳定性[1]。运行实践发现，维持厂房负压的系统常出现停运、压差调节频繁等运行不稳定现象。本文针对以上问题，通过多角度分析，探究了系统运行不稳定的根本原因；提出并分析了系统稳定运行的处理方案及改进建议。

1. 系统存在的问题

放射性废物厂房设计负压目标值为-20Pa，维持范围在-11.2Pa至-60Pa。按照程序调试后，厂房负压无法维持在设定值，波动频繁。主要表现为：按照试验程序调试后，送/排风机经常出现同时跳机的现象；送风机导叶频繁调节，几乎无稳定状态。

厂房负压环境的建立体现在送风量与排风量之间的关系。假设厂房不存在泄漏，送风量与排风量保持稳定的风量差，那么厂房内外压差（厂房压差）的绝对值随时间增加而增加，而实际上厂房存在门窗、孔洞等固定的泄露面积[2]。在这些门窗处于关闭情况下,厂房与外界维持一个相对压差。厂房内压力的变化,可以用公式（1）近似表示。

                 (1)

其中R为气体常数；T为厂房温度,K；p为厂房气压；为流入厂房的空气质量流量；为流出厂房的空气质量流量

当厂房温度和气体容积一定, 气压变化与和的差值有关。

一般厂房压力自动控制主要有三种方式[3]：

(1)定风量控制：除压差风量，送风量、排风量都维持一定。采用该方式，系统设备运行稳定，不存在频繁停运的情况，但不能解决工艺设备引起的送/排风量变化的影响。

(2)直接压力控制:检测厂房与周围环境压差的变化,调节厂房送风量，以保持设定的压差。该方式可根据环境扰动做出相应调节，如排风量变化或者室外风压引起的压力波动，缺点在于系统需要频繁调节。

(3)串联控制:是通过检测室内与周围的压差,重新设定流量，修改送排风的差值，即将前两种控制方式结合，综合两者的优点。

VRS采用直接压力控制，通过压差变送器监测厂房内外压差，压差信号送到仪控系统，经PID运算后调节送风机导叶开度，控制送风量，维持室内压差。

2. 系统不稳定原因分析

本文从系统阻力变化、厂房气密性、厂房外风压三方面，分析了厂房负压波动频繁的主要原因。

2.1系统阻力变化

系统阻力主要是指空气处理机组过滤器的阻力。过滤器使用一段时间后，阻力增加引起送风量减小，使压差增大。考虑过滤器本身存在压差高更换的机制且这一阻力属于周期性影响，通过调节导叶开度即可抵消。因此，系统过滤器阻力并不会导致厂房负压的频繁波动。

2.2厂房气密性

系统风量平衡试验后，进行微负压试验，将送/排风量调节到设计风量后将机组投入自动运行，观察到排风量大于设计排风量时，送风量减少到设计风量的一半。这说明实际进入厂房的风量不仅包含送风机的送风量，还包括从门缝、孔洞进入的风量。将厂房孔洞封堵，门窗更换后再次进行微负压试验，厂房可以建立-20Pa的微负压。

厂房气密性还存在另一影响，厂房气密门启闭过程中，厂房会进入大量风量，对厂房负压调节影响很大，甚至引起风机停运，无法建立负压。但气密门启闭属于频率较低的活动，可通过手动控制风机或设定导叶开度限值等解决其影响。

2.3取压口风压的影响

风压影响主要是指厂房外风向和风速变化的影响。VRS系统要求厂房负压控制在-20Pa，对于测量来说，是非常小的压差信号。人员的运动、厂房设施的移动等很多因素造成的扰动均可达到25Pa以上。厂房外取压点所测到的大气压，不仅包括静压力，还包括风速产生的动压，动压即垂直于气体流动方向平面的压力。以下从伯努利方程入手，进一步分析风压带来的影响。

厂房外气流可视为稳定流动的理想流体，空气流体的粘滞性可忽略，设流体密度为，分析其中一段流体，如图1所示。

图1 流体示意图

处截面积，流速，高度，压力；处截面积，流速，高度，压力。经过微小时间，流体移到，将这一段流体质量定义为，则有如下公式：

                   （2）

            （3）

机械能的增量：，流体所做的功，根据能量守恒定律，流体因受力所得的能量+流体因引力做功所损失的能量=流体所得的动能，则有如下公式：

（4）

根据连续性原理：=，带入上述公式，得：

                    （5）

简化得出如下公式：

            （6）

对于自然风，可忽略高度差，方程简化如下公式：

                    （7）

其中项与流速有关，称为动压强，如果动压不超过40Pa就不会引起压差高-60Pa报警，根据该公式可以简单算出，40Pa对应风速8m/s，即4级风。厂房外风力波动带来的较大扰动，相对于原设计的输入影响很大，是系统稳定运行所不能接受的，这就是厂房压差波动的根本原因。

3. 现场处理方案分析

通过以上原因分析可知，厂房外风压变化（即厂房外取压口处的风力波动）是厂房负压波动频繁的根本原因。如何减小或者缓解室外大风动压的影响，是解决运行不稳定的关键。现场采用了如下几种处理方案并分析了方案利弊。

3.1取压口增加防风罩

在取压管道末端增加一个小型防风罩（见图2），对比防风罩增加前后的压差信号，信号波动幅度稍有改善，但室外风力变大，压差信号还是频繁波动。防风罩表面孔洞较多，和大气完全相通，通流面积过大，当风速小于5m/s时，测量信号可以不受风力影响，但是当风速超过5m/s，测量信号就无法保障。

图2 防风静压罩

3.2仪表本体及仪控软件逻辑修改

在安装防风罩的基础上，增加系统的响应时间减缓波动频率，通过两方面修改，一是仪表阻尼系数设置，二是仪控系统软件处理。

在仪表测量回路中加入合适的阻尼环节,可以滤去不必要的干扰。在仪控系统软件逻辑中增加滞后及取平均的算法，压差信号的曲线波动频率和范围都相应减小。经验证，此方法可减小导叶调节频度，克服短时间内的压力扰动，但滞后时间过长影响时效性，且在大风恶劣天气下，即使设置较长的延时时间，压差波动仍无法克服。

3.3综合管廊取压口方案

将厂房外取压点引到气流相对平缓的大气空间，避开风力影响。综合管廊布置在地下，用于电厂水管道、电缆桥架安装，跨域布置空间大。又与地面有通风口，可以确保与厂房外的大气压一致，室外风通过通风口传递到管廊内，综合管廊可以有效平衡各区域压力，减缓各区域压力波动。因综合管廊布置在地下，仪表取压点在综合管廊中安装位置与原厂房安装位置存在3.5m落差，但取压管路中的介质为同品质属性环境大气，即使两者存在落差也不会引起负压端压力变大。

与前几种方案相比较，此方案可从根本上解决厂房负压不稳定的问题。通过3/8〞钢管将取压管道延伸至综合管廊。经过一段时间观察，压差信号波动减缓，系统运行稳定，厂房负压维持在目标范围。

4. 室外取压点位置安装改进建议

上述方案优缺点分析可知，将取压管道引到综合管廊是解决问题比较有效的方法，但是针对厂房附近没有类似综合管廊这样大的空间设施，提出以下两点改进建议。

4.1取压管道增加缓冲装置

参考皮托管原理，通过在取压管道上增加缓冲装置来抵消大气压的动压，模型如图3，方案分析如下：

图3 缓冲装置模型示意

如果现场达到12级台风（风速约40m/s），产生的动压为1000Pa。1cm的水柱形成的静压为100Pa，10cm水柱为1000Pa。在取压管道末端引入10cm水柱，做成U型管。没有风压时，U型管两边各5cm，当发生12级台风，大气压侧水柱向仪表侧移动5cm，仪表侧10cm水柱的压力正好抵消台风引起的动压。此时仪表侧管道内的气体体积缩小了5cm管道对应的体积，根据波义耳定律，即如下公式(8)

                           (8)

                             (9)

                         (10)

式中为压缩前气体压强，为压缩后气体压强，为压缩前气体体积，为压缩后气体体积

如果-的值小于40Pa, 就不会引起压差高报警,/应小于40/101325，即0.00039。根据现场管道管径及长度，计算得出气体移动5cm后，/的值为0.094，远大于0.00039，足以引起压差高报警。若要抵消这部分压力，需增加管道体积。

按照3/8〞的仪表管径计算，将取压管道延长200米，可以满足要求，管道越长缓冲效果越好。但管道较长施工不便，可在管道中间增加一个缓冲罐，200米管道体积对应的缓冲罐只要14升，即增加一个半径为24cm的正方体缓冲罐。U型管安装在室外，介质为水容易蒸发，可以通过采用小口径管道，介质改用油，以防止挥发。模型中的正方体可以更换为其他形状的密封缓冲罐，例如球形、圆柱形。同时，减小取压管道内径，可以相应减小缓冲罐体积，例如将取压管道更换为毛细管。

4.2地面取压点位置变更方案

上小节通过增加缓冲装置，可以克服风力较大的问题，但厂房近壁面气压值作为厂房压差的比较值是否合适，有待分析。本质上，厂房的负压环境，应该是厂房四周的最小环境压力与厂房内压力的差值。

根据伯努利方程可知，风速越高，静压越小，风速越低，静压越大。厂房周围压强较小的地方也就是风速较大的地方，所以取压口所处位置风速越高，压力越接近环境大气静压。在气流冲击建筑物的瞬间，速度逐渐减小，当中心一束速度等于零时，产生最大压力，在建筑物近壁面产生高压气幕，如下图4。

图4 风压的产生

如果以厂房高压气幕的压力作为厂房压差的参考压力，那么厂房内部相对于最小环境压力就可能处于正压环境，厂房内的放射性气体会通过背风侧的门窗缝隙排到厂房外。

图5 建筑物风场示意图

根据空气动力学，厂房周围风场模拟的经验数据[4]，如图5。取压点的位置有以下选择：

(1)如建筑物外围是空旷的，取压点选择在对应建筑物宽度的1/2距离以外；

(2)如建筑物外围较狭窄，取压点选择在建筑物对角45度方向往外3米左右；

(3)如果建筑物屋顶没有其他设施，取压点可选择屋顶空旷处；

取压点同时需要采用防护装置，这可从根本上解决压力波动的问题，且不会使厂房处于相对正压的环境。

5. 结论

本文通过对VRS系统运行不稳定的原因分析，发现厂房外风力大幅度变化是导致风机跳机、负压波动频繁等问题的根本原因。通过本文论述，避免和克服取压点风力的影响可从根本上解决以上问题，可为后续厂房通风系统做经验反馈。

参考文献

[1]顾军，AP1000核电厂系统与设备，北京：原子能出版社，2010

[2]朱江，房间压力控制解决方案讨论，工程建设与设计，2011，（07）：94-97

[3]严德隆，洁净室压差控制方法选择及讨论，洁净与空调技术，2005，（4）：12-14

[4]王远成，吴文权，不同形状建筑物周围风环境的研究，上海理工大学学报，2004,26（1）：19-23

作者简介（第一作者和通讯作者）：孔令梅，女，1990.05，汉，江苏盐城，本科，科员/中级工程师