核電站通風系統(tǒng)的設計

1、核電站通風系統(tǒng)的設計2005生國夕卜核動力第3期核電站通風系統(tǒng)的設計英國】ColinFuller,RayFryett1簡介在核設施中,通風系統(tǒng)對于放射性的防護是至關重要的除了具有提供可接受的工作環(huán)境的作用以外，通風系統(tǒng)還提供和維持密封以及進行空氣過濾排放.當必須考慮將其作為安全殼整體中的一部分時，通風系統(tǒng)是相當復雜的這其中包括 建筑結構，手套箱（取樣測量用），相關的平衡設施，屏障系統(tǒng)和更衣室，設備恢復系統(tǒng)及 相應的管理控制系統(tǒng).AECP1054的設計規(guī)范給出了這些系統(tǒng)有關結構的設計導則但設計者可以靈活運用這些概念來提供安全和可行的設計，以期達到最佳效果而又不 違背有關的強制規(guī)則和法規(guī).本文不僅

2、是針對通風技術本身而言，而是對英國核電站在通風系統(tǒng)設 計方面所采用的方法進行全面概括，同時也望核領域的從業(yè)者們周知.2通風系統(tǒng)設計總則通風系統(tǒng)的設計目的是應用壓力梯度和氣流通道來限制污染物的擴 散為達此目的，系統(tǒng)應確保主要的放射性防護準則得以滿足.1999年的電離放射性 法規(guī)包含了所需的放射性控制劑量要求，其本質體現(xiàn)在如下規(guī)則：?每一次實踐導致的放射性劑量應由其產(chǎn)生的實際凈得利益來判定也就是說:得到的好處要超過任何相關的損害；?將所有的照射劑量保持在合理可行盡量低的水平（ALARP）;?所有的劑量總和及指定劑量不應超過劑量限值.通風系統(tǒng)通常的功能要求包括可提供適合于環(huán)境條件的維護（在工作區(qū)域內

3、和供運行人員操作這兩方面都應得到滿足）和在有火災發(fā)生的情況下限制濃煙和氣體的擴散.對設施和特殊排放總量的要求也可能促使對惰性氣體環(huán)境的設計，以及對諸如氫，氡，氚放射性氣體的控制，稀釋或排放設計.通風系統(tǒng)應設計成為在核電機組運行時可連續(xù)運行且可通過操作來 控制的系統(tǒng)，并且必須設計為從低污染區(qū)域向可能的高污染區(qū)域階流式的空氣排放 方式.在確定可能的污染級別時必須以放射性防護顧問，操作人員和設計人員提供的數(shù)據(jù) 為依據(jù)，這也是在任何核電設施通風系統(tǒng)設計中至關重要的一部分.必須充分認識遏制火災和煙霧的設計要求,因為對其整個系統(tǒng)的布置和結構有著重大的影響.3階流式通風系統(tǒng)出于下列原因，絕對的物理密封殼體通

4、常是不需要的，也是不可行的：37全面的密封殼體不利于運行和維修的需要；由于反應堆廠房的物資和人員入口 ，以及機器，設備的進出等因素的存 在，完全的密封不可能實現(xiàn).這些要求導致的設計理念是：危險物質被一個個屏障區(qū)間包圍，進而形 成不同的隔離區(qū)域當其接近外部環(huán)境時，污染的可能性就減小了 .根據(jù)潛在的污染情況，將反應堆廠房進行放射性區(qū)域劃分，通風系統(tǒng)通 過這些區(qū)間產(chǎn)生的壓差來加強密封殼體的安全I生,通過工程手段和加設外部貫穿件使空氣從較低污染區(qū)向較高污染區(qū)流動.為減少空氣的處理量，階流通風系統(tǒng)通常是將所用的空氣從一個區(qū)域傳送至一個高污染的區(qū)域，從而使這個區(qū)域通風這種通風有以下的益處：?減小整個系統(tǒng)的

5、復雜性；?減少備用過濾器，因而也減少了整體的廢物量和由于更換過濾器可能增大的劑量圖1階流式通風示意圖4區(qū)域放射性分級任何一個核通風系統(tǒng)的基本設計應包括區(qū)域放射性分級，這也決定了需要采用階流通風系統(tǒng)設計.1999年英國的電離放射性法規(guī)規(guī)定了對雇主所指定的 控制和監(jiān)督區(qū)域的有關污染和放射性要求英國的現(xiàn)場執(zhí)照所有者已開發(fā)的劃分控制和監(jiān)督區(qū)域系統(tǒng)在所 有的情況下都要遵守法規(guī)要求，而且在許多情況下還要高于這些要求 有些現(xiàn)場執(zhí)照人員運用彩色碼系統(tǒng)來指明不同的污染和放射性水平，其它一些機構人員則使用簡單的字母數(shù)字碼(如R1到R5和cl到C5)來標明放射性和污染的增加風險. 通常區(qū)域放射性分級文件由安全執(zhí)照工

6、程師，設計者及放射性防護顧 問協(xié)作制定.其目的是:(1褓證遵守法規(guī)和現(xiàn)場執(zhí)照要求；(2)協(xié)助控制個人放射性 劑量；(3)確保協(xié)調發(fā)展和電站有效規(guī)劃.在制定防止污染擴散的規(guī)劃中，運用了屏障系統(tǒng)，包括：(1)整體屏蔽；(2)諸如用密封膠泥(水泥油灰)和濕密封之類的密封系 統(tǒng)；(3)屏蔽和密封門；(4)人員屏蔽通道(PSA)I'(5)帶有人員通道(PA)門的曲徑系 統(tǒng);(6)手套箱，樣品柜；(7)煙櫥(通風櫥);(8)建筑覆層.(注意:上述的一些措施起著雙重作用，如整體屏蔽提供了放射性防護 但當用作整體包裹體結構時它又起限制污染擴散的作用.)這些工程上的系統(tǒng)方法聯(lián)合應用于通風系統(tǒng)，用以控制污

7、染的擴散.5防火設計早期和近期的防火工程師，現(xiàn)場防火負責人員，電站規(guī)劃工程師以及與 通風系統(tǒng)設計者之間的協(xié)作是對防火理念充分理解的根本保證.具有代表性的是建筑被細分為能防火的間隔單元通風輸送系統(tǒng)通常穿越這些間隔單元的邊界，因而這又是維持這些邊界(如此來限制火和煙的擴散)所 需的方法.兩種原38則上的方法為：(1)防火通風輸送管；(2)預備防火門.方法(1)是常用于維持通風非常重要的場所，且很少有其它火和煙可能 擴散的區(qū)域.方法(2)能有效地控制通風的流動導管和防火門的防火等級(即在規(guī) 定的情況下，一個間隔單元能阻止火勢的總時間)至少要與整體的間隔單元相當.由于控制污染的擴散要通過維持一定的壓差

8、來實現(xiàn)，要求有些廠房可 能在水災發(fā)生期間也要連續(xù)通風然而通風系統(tǒng)的運行在有些情況下會助長火勢.因而需要對整個設計過程縝密考慮，以便響應火災事件的整體戰(zhàn)略.相關的火災安全導則和應用規(guī)范包括了AECP1070的第13部分,以及BS5588建筑的結構，設計和火災預防應用；第9部分一通風和空調管道系統(tǒng)應用規(guī) 范.6HVAC(曖通空調)系統(tǒng)關鍵設計要求維持核設施適當?shù)沫h(huán)境應包括對下列因素的監(jiān)測和控制：(1)外部污染物；(2)溫度;(3)濕度;(4)放射性，易燃或其它危險氣體;(5)氣 體排放；(6)能效和壽期成本問題;(7)維護活動的設計考慮.7外部污染物進口空氣通常帶有氣體傳播的污染物和塵垢，有可能對

9、設施和處理工藝造成不良的后果.比如在靠海的工作環(huán)境中含有的氯化物，硫酸鹽及其它污染物就 增加了對環(huán)境控制的困難因素.盡早地將污染物從通風空氣中去除是有必要的，這就盡可能地限制了對通風系統(tǒng)設備和生產(chǎn)電站的損害使用凝聚式過濾器，將其安裝在靠近進氣口百葉窗處，可以限制濕氣和 小粒狀物的進入凝聚化處理也起到去除空氣中氯化物的作用高效微?？諝膺^濾器(HEPA)通常應用于核工業(yè)，以提高空氣的純度.在特定的環(huán)境下對進13空氣的監(jiān)測是必需的，這樣可以對來自鄰近核電站的放射 性污染發(fā)出警告.8溫度通風系統(tǒng)的要求之一是能對其生產(chǎn)運行區(qū)域的溫度進行控制，當然這同樣也適合于對人員通道區(qū)域的要求對于廢物貯存設施而言，還

10、要求對通風系統(tǒng)進口空氣的溫度進行控制 , 用以調節(jié)指定貯存區(qū)域內的空氣溫度，來保證所存物項的完整性.對進13空氣（如取自環(huán)境）進行加熱以防止結霜和過濾器凍結阻塞按 要求對空氣進行加熱和冷卻，以便維持在可接受的環(huán)境條件通常這由電熱器，低壓 熱水或蒸汽加熱結霜盤管”來完成需要冷卻的原因是由于裂變衰變導致處理過的廢 物包（通常進行了灌漿或固化處理）也會不斷產(chǎn)生熱量.這種綜合作用的結果是可以大量貯存包含數(shù)以千計的廢物包和高放廢物:驗證多結構貯存產(chǎn)物的空氣流通道和有效的熱導出能力對于設計者來說是一 個挑戰(zhàn)應用證明，計算流體動力模型在這項工作中的價值無法估量.39要求對廢物處理設施的環(huán)境溫度控制是有一系列

11、原因的化學處理過程需要一個穩(wěn)定的環(huán)境條件以保證不發(fā)生可能從系統(tǒng)中獲得或失去有害熱能.有些工藝（處理過程）要求低溫進行，并且為了減小凝結又要空氣溫度高于露點，這都是設計 中要考慮的.測量通風系統(tǒng)中的環(huán)境溫度，將其反饋給控制系統(tǒng)以調節(jié)供給空氣的 溫度來維持所需的環(huán)境條件對返回空氣溫度的測量可以給電廠操縱人員提供進一步的反饋，以及預先發(fā)現(xiàn)發(fā)展中的隱患 最明顯的是那些正在發(fā)生的火災然而，由于設施中的空氣流量相對較大，就是有較大的熱源對于空氣的溫度影響也不會太大因此,測量溫度的方法只能作為粗略火災探測系統(tǒng)中的一部分.對大量的空氣進行加熱或冷卻是昂貴的，減小新鮮空氣的輸入量就能 降低這方面的開支上面描述的

12、階流式通風系統(tǒng)的設計概念是實現(xiàn)減小新鮮空氣的輸入量的方法之一熱回收系統(tǒng)也能取得相應的經(jīng)濟效益可以采取的多種方法中，最常用的方式是利用熱 回收盤管回收熱能裝置和再循環(huán)萃取空氣.詳細的成本/效益分析需要建立在這個系統(tǒng)的整體經(jīng)濟分析之后才能 進行.9濕度濕度控制的幾個重要因素如下：?高濕度條件可能損害建筑物的結構和系統(tǒng)結構，以及內部構件；?低濕度條件可能產(chǎn)生靜電問題和導致濕密封的過度蒸發(fā)；?濕化學工藝經(jīng)常產(chǎn)生的蒸汽可能對通風管道系統(tǒng)有害，同時導致過濾器的堵塞；?廢物包長期的貯存需要對環(huán)境中的含水量進行嚴格控制以防包裹層 破裂.用于控制空氣相對濕度的一般方法是使用組合過濾器來減小入口空 氣中的自由水蒸

13、氣這種裝置設有過濾介質（一般是玻璃纖維）,其大表面和低吸收的 特點又使水蒸氣被帶入聚集，這又需要組合使用冷水或冷凍方式降溫盤管和并列加熱 器組對空氣進行處當然也有需要增加濕度的時候，此時可用加濕器對供給空氣加濕，只需 將水或水蒸氣注入到供氣中通常使用干球溫度計和濕球溫度計的測量值直接推導計算出相對濕度值10放射性，易燃或其它危險氣體氣體危險存在和產(chǎn)生有下列原因：?自然產(chǎn)生的氣體，例如氡氣，它可能擴散和積聚于建筑物內；?化學工藝過程中產(chǎn)生的氣體；?可裂變物質衰減產(chǎn)生的氣體；?被用來處理諸如鈉之類的高活潑性元素的惰性氣體包覆物；?引入用于防火的惰性制劑；?電廠的維護或修理中產(chǎn)生的氣體（氬氣，焊接冒

14、煙）.對這些危險的鑒別將作為設計過程的一部分，相應的預防和探測手段也將包括在整體系統(tǒng)中在許多情況下，這些裝置具有重大的安全意義，對其設計也 應從可靠性，獨立性和多樣性方面考慮在設計中處理可能的危險的方法應依照下列ERIC原則：首先試圖消除危害（如采用其它方法代替或使用安全失效設計）；?如果不行，就減小危害（如在化學反應中限制其反應量）；?如果不行，就抑制危害（如化學添加劑可能防止有些反應所產(chǎn)生的氣 體）；?那只好試圖控制危害.由此可見，通風系統(tǒng)也可用于在事故期間控制危害，當?shù)谝坏攸c已采用 消除，減小和抑制化學危害氣體產(chǎn)生的手段不切實際和不可行時，這就得靠通風 系統(tǒng)發(fā)揮作用了.因而，消除，控制和

15、抑制系統(tǒng)設計人員必須為電廠提供一個整體安全水平非常高的設計.工藝設計人員對于有關危害氣體的存在和數(shù)量提出了建議通常需要通過某些模擬 方式建立氣體的聚集和發(fā)生率模型開發(fā)試驗工作可以應用原始實驗 數(shù)據(jù)和流體動力計算（CFO）模型來更多地了解氣體的分布，聚集和擴散.CFD也是一個很 有價值的工具，它可用于確定通風系統(tǒng)的結構，以保證氣體的聚集濃度明顯低于”較 低可燃限制”同時它還可用于幫助確定通風系統(tǒng)設備的位置.11氣體排放通過通風系統(tǒng)的氣體排放需要進行相應的過濾 （例如HEPA過濾）處理, 如果需要還得對其進行監(jiān)測和取樣這樣做的目的是為保證排放達到當局的限制 標準要求之內煙囪的高度和直徑的設計應能保

16、證大量羽團（煙）的擴散.在建筑物內，使用組合的Q/B空氣監(jiān)測裝置對來自含有放射性的區(qū)域 的任何泄漏進行探測報警.處理來自核電站放射性物質所有工程的空氣排放都應在相應設施上 安裝或配備取樣和監(jiān)測設備然而每個排放點都應經(jīng)過審核，并且排除在正?；蚍钦?常條件下在地面上已限制的可能的放射性釋放.取樣的目的是對排放進行計量并為向規(guī)程管理部門提交報告準備基 礎資料，這些報告將用于與排放限制/目標法規(guī)法令作對比取樣通過精確回顧式離線 測量裝置完成.通過監(jiān)測來控制電站個別涉及到的非正常排放連續(xù)大量的監(jiān)測工作是為了對排放進行測量和記錄，由此導出的趨勢數(shù)據(jù)用于對核電站的性能進行評價提供的報警首先將其報警點設定在稍

17、微高于正常排放水平，更高一級的報警點設置由 放射性防護顧問建議給出，12能效和壽期成本問題通常都期望核電廠和其它一些核設施的運行期更長，它們大都是每年365天,每天24小時不間斷地運行因而有必要考慮所有的可選方案以限制壽期成 本.一些評價包括了電能的利用，選取正確的驅動方式，合適的自動控制，自耗品恰當?shù)?排放途徑以及適當?shù)臒峄厥障到y(tǒng)通常的度量能耗和減小壽期成本的方法為：(1) 如果條件允許，將部分回收的空氣加入到入口空氣中，可以減小一些能耗通常這個方法只限用于無放射性的系統(tǒng)；(2) 循環(huán)系統(tǒng)常常用來回收熱能.通常是通過氣對水/乙二醇熱交換盤 管將排出氣流中的熱能傳給輸入氣流同樣,這個方法只限于

18、無或低放射性系統(tǒng)的應 用；41根據(jù)系統(tǒng)的負荷，考慮使用與之相匹配的變速驅動同時可以通過 調整萃取系統(tǒng)來消除過濾器堵塞；(4)應用到通風設備的電機應首選高效電機，以提高運行性能.成本效益分析將建立最佳的 HEPA過濾器更換頻度，這將對用電成本, 過濾器更換成本和過濾器處理成本都有影響.13維護活動的設計考慮運行電廠的維護活動按周期進行現(xiàn)代的實踐活動要求證實設備能安 全恢復而無需運行人員接受不正?；虿豢山邮艿姆派湫詣┝?，同時在某種程度上也不危及所設計密封系統(tǒng)的安全在役故障之后，必須證實電廠和系統(tǒng)的安全恢復設計相當適用可靠在設計期間，要對這些系統(tǒng)進行仔細的審核和評價其過程可作為設計審查和危害與可操作

19、 性分析(HAZOP)研究.通常情況下，用于防止放射性和污染物擴散的方法有：(1) 在設備送到人員可接近的維修區(qū)前，應在中間區(qū)(室)對其去污；(2) 當需要設備從貫穿孔道撒出時，使用臨時一門進行監(jiān)測根據(jù)放射 性水平和污染程度可以使用設計屏蔽箱和包裝系統(tǒng)；(3) 在某些情況下，當認為污染程度可接受時，可使用臨時PVC帳篷來 限制污染的擴散14電廠的安全和可用性正如我們所知，通風的本質是提供和維持對污染的密封如果這些系統(tǒng) 失效就可能導致電廠工作人員和公眾受到高于允許劑量的照射可說明這些系統(tǒng)對于安全而言是相當重要的因此,通風系統(tǒng)中采用了不少措施，確保其可靠性和可用性. 如：(1) 整體管道系統(tǒng)的安裝

20、和制造使用專用材料和專用程序；(2) 安排多個備用風機當在用風機故障時，自動切換,啟動備用風機；(3) 給風機多備些傳動皮帶；(4) 為風機提供兩臺驅動電機(需要時才啟動備用電機)；(5) 為過濾器負荷留有一定的余量，同時又不破壞系統(tǒng)的完整性.由隔離和相互獨 立的電纜供電；(6) 風機電機應配以電池支持的后備電源；(7) 風機電機應配以柴油的后備電源；(8) 應急支持通風應配以空氣驅動的特殊區(qū)域或自然排出系統(tǒng).15通風系統(tǒng)的結構基本的通風系統(tǒng)結構如下：(1)自然通風；(2)機械送風自然排出式通風;(3)機械排風自然吸入式通 風；(4)機械平衡(送風，排風)式通風；(5)局部循環(huán)機械平衡(送風,

21、排風)式通風.1) 自然通風這種系統(tǒng)依靠溫度和(或)壓差的組合作用給空氣提供循環(huán)驅動力可以通過設計提42供大量的固定熱源和(或)提供一個壓差來產(chǎn)生壓力梯度進而產(chǎn)生循環(huán)驅動力由于存在低壓損失，要求對這種設計提供較大的人口區(qū).這種設計的優(yōu)點是:(1)簡單，耐用；(2)由于沒有轉動部件，因此所需的維修量很??；圖2自然通風示意圖(3) 低壽期能源成本；(4)可適合于長期貯藏設施，如深埋廢物貯藏庫；(5)用于主系統(tǒng)失效時的部分應急支持此設計的缺點是：(1)要求用溫差來提供驅動力；(2)由于壓差低，系統(tǒng)不 能夠安裝HEPA過濾器;(3)不符合AECP 1054有關主通風系統(tǒng)的建議要求.2) 機械送風自然排

22、出式通風這種系統(tǒng)利用送風扇，在適當?shù)臈l件下提供空氣以滿足系統(tǒng)工藝要求 這些空氣被驅動并通過空調設備調節(jié)達到所要求的溫度，濕度和清潔度排放方式是通過煙囪和相應的過濾裝置向大氣排放浦典這種設計的優(yōu)點是:(1)可以控制外部污染物的進入:(2)對空氣進行持續(xù)不斷的凈化，防止有毒，腐蝕和易燃氣體的聚集.此設計的缺點是:(1)受壓環(huán)境促使沒有充分過濾和處理的氣風機連接設備圖3機械送風自然排出式通風示意圖體排放至大氣;(2)使用HEPA過濾器，需要較高系統(tǒng)壓力；(3)不符合AECP 一 1054 有關主通風系統(tǒng)的建議要求，所以一般不用于核工業(yè).3) 機械排風自然吸入式通風這種系統(tǒng)依靠抽風扇在適當?shù)臈l件下持續(xù)

23、產(chǎn)生一個低壓以提供大量 的滲透空氣這些空氣抽自空調設備以達到所要求的溫度，濕度和清潔度通過煙囪和 相應的過濾裝置這種設計的優(yōu)點是:(1)在核黧AECP1054 符合一的要求：此沒計的缺點是:(1)在放射_性環(huán)境中維持的低壓可能導致含鹽空氣滲透；(2)受到可維持低壓-圖4機械排 風自然吸入式通風示意圖4) 機械平衡(送風，排風)式通風這種系統(tǒng)由平衡風扇組成，同時送風和排風.空氣進入建筑物之前已經(jīng) 通過空調設備,通過煙囪和相應的過濾裝置機械驅動向大氣排放.這種設計的優(yōu)點是:(1)在核工業(yè)中得到設計試驗和測試；(2)符合AECP.1054 的要求;(3)在靠海邊的氣室內維持接近大氣的壓力，能限制可能

24、的含鹽空氣的滲透；(4)凈化43過濾器圖5機械平衡(送風，排風)式通風示意圖的新鮮空氣持續(xù)不斷地進入,防止了有毒，腐蝕和易燃氣體的聚集；(5)建立的一套標準，有助于流體動力計算(CFD)分析;(6)通過結合應用變換速度控制，改善 進風和排風機的能效,進而根據(jù)負荷來調節(jié)(平衡)通風量，同時又能保持階流壓較低；(7) 嚴格控制過低壓；(8)復雜建筑物內也可通風.此設計的缺點是:(1)排氣設備失效可導致超壓；(2)受到可維持低壓程度的限制；(3)需要附設許多的設備，系統(tǒng)復雜；(4)在故障情況下操作較復雜.5) 局部循環(huán)機械平衡(送風,排風)式通風這種設計實際上是帶一個閉式再循環(huán)回路的通風系統(tǒng)，大量的空氣通過再循環(huán)利用送回建筑內，只是引入少量的空氣來限制污染物聚集(如易燃氣體),空氣條件和熱量導出可以在閉環(huán)回路中調節(jié).這種設計的優(yōu)點是:(1)在海邊環(huán)境中，輸入少量的新鮮空氣能限制鹽 的帶人；(2)在室內維持接近大氣的壓力能限制可能的含鹽空氣的滲透；(3)減小加熱和制冷的能源成本此設計的缺點是:(1)排氣設備失效可導致超壓；(2)受到可維持低壓程度的限制；(3)需要附設許多的設備，系統(tǒng)復雜；(4)受核工業(yè)應用經(jīng)驗的限制；(5)tN4 環(huán)路徑上設有附加的HEPA過濾器，以防止供應系統(tǒng)的污染物.一連接設備風機圖6局部循環(huán)機