核设施通风系统调试技术探讨

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  摘要:通风系统核设施重要的辅助系统,系统的调试是通风空调系统的最后一个工序且是关键工序,是检验工程设计质量和施工质量的重要环节,其优劣会直接影响到厂房的使用功能和效果。为了提高通风系统调试技术,结合某设施通风系统施工安装调试工作,并结合已有设施通风系统的运行改造经验,对通风系统调试过程的风系统进行了理论技术分析,并总结出合理有效的调试方法,为后续通风系统调试工作提供参考。
  关键词:通风空调;系统调试;核设施
  文章编号:1005-7277(2019)05-0191-07
  Abstract:Ventilation System is an important auxiliary system of nuclear facilities. The debugging of the system is the last and key process of ventilation and air conditioning system, and it is an important link to check the design quality and construction quality of engineering Its advantages and disadvantages will directly affect the use of plant functions and effects. In order to improve the debugging technology of ventilation system, combining the construction, installation and debugging work of a ventilation system of a facility, and combining the experience of the operation and transformation of the existing ventilation system of facilities, the theoretical and technical analysis of the ventilation system in the debugging process of the ventilation system was carried out The reasonable and effective debugging method is summarized to provide reference for the following debugging work of ventilation system.
  Key words:Ventilation and air conditioning; system commissioning; nuclear facilities
  1 引言
  通風系统是核设施的重要辅助系统,它不仅保持室内温湿度、房间内压力和换气次数在规定的限值内,同时通过过滤净化限制室内气溶胶放射性水平,减少放射性污染物向环境扩散等,以保证在核设施各种工况下满足设备和人员所需的工作环境。通风系统在投入使用前,必须进行严格的调试使房间的风量、温湿度、压力满足设计要求,而实际中由于施工过程中进行的变更,管路、阀门发生偏差,风口安装位置不合理,且风机选型均有较大余量,容易造成房间风量、风压不匹配,大流量小温差等现象。因此对通风系统调试进行技术分析尤为重要。本文基于某核设施控制区域的通风系统调试安装工作,并结合已有设施通风系统的运行改造经验,对通风系统调试过程的风系统进行了理论技术分析。
  2 系统的组成及调试内容
  2.1 系统组成
  废物处理厂房控制区域的通风系统4套送风系统、9套控制区排风系统、9厂房排风系统、5套轴流风机等。控制区域的各通风系统的工艺流程大致相同,送风系统与排风系统独立,均采用全新风式送风,无回风。主要设备由以下组成:
  1) 送风系统设备:空气处理机组、空气调节装置组成,调节房间的温湿度,并使房间风量达到平衡。送风机组由新风口、初效过滤器、表冷段、蒸汽加热装置、风机段、中校过滤段等。空气调节装置由空调系统和供暖系统(锅炉)。
  2) 排风系统:风机和空气进化装置。
  3)通风阀门:管道和阀门。管道均为高压系统(>1500Pa)、中压系统压力(500Pa<P≤1500Pa),材料有钢板风管(普通钢板)、不锈钢通风管、玻璃纤维风管;阀门包括防火阀、手动调节阀、电动调节阀、插板阀、余压阀等类型。
  4)电仪系统:就地仪表(温度开关、压力开关、流量开关、压差表等)、就地控制箱、配电盘、控制系统等组成。
  图1为新中心典型通风系统工艺流程图。图中控制区域的送排风系统均为独立系统。其中,送风系统通过空气处理机组更具房间的需求,进行过滤、加热或降温等处理,通过送风管道送至各房间,是室内通风换气、消除余热余湿、稀释有害气体保证房间所需要的温湿度及洁净度;排风系统采用集中式排风净化方式,将排放点数目控制到最小,风机和净化设备放置在通风中心大厅(部分两级过滤系统,有净化装置就地设置),房间内的有害物质通过净化装置净化达标后,进行高空排放。排风与送风系统相结合,可保持房间通风换气次数,稀释房间内有害物;亦可以保持房间负压,限值有害物向空间散发作用。
  2.2 调试内容
  单体设备安装调试工作根据通风与空调施工规范、质量验收规范、技术规格书等,安装完成以后需进行单体设备的试验和调试,包括风管强度与严密性试验、管道冲洗试验、阀门调试、就地仪表校验、设备电气检测与调试、制冷系统试验、风机试运转、空气处理机组试运转、热泵机组试运转等。通过单体试验可验证单体设备的性能,管道的气密性满足要求、风机震动是否在规定范围内、风机启动电流是否处于规定限值内、就地仪表是否能准确指示及动作、阀门是否可正常动作等。上述试验和调试工作已由施工单位完成。   废物处理厂房通风系统调试工作,是在单机试运转与调试合格后进行的无生产负荷下的联合试调试与运行。通风系统连续试运行不应少于2h,带冷源送风机组连续试运行不应少于8h。系统调试运行前完成监测与控制系统、风管系统、风机、电动调节阀、组合式空调机组、热泵机组等设备的检查工作后,调试时需要进行的主要工作包括:1)监测与控制系统的检验、调整与联动运行;2)系统风量的测定和调整;3)空调水系统的测定和调整;4)室内空气参数的测定和调试;5)净化装置性能试验。
  考虑到核设施送、排风系统的独立性,系统风量的测定调整和室内空气参数的测定调试工作涉及到整个通风管网设备。由于通风管网分布在厂房各个房间,支路管路复杂,风口众多,调试过程使系统风量和室内参数与设计值相符,是及其复杂繁重的工作。风系统的调试与管网的阻力特性密切相关,因此本文对风系统的调试工作进行技术分析和讨论。
  4 风系统调试内容分析
  4.1 理论分析
  根据流体力学理论,通风系统管网运行的特性,一般用下列公式表示:
  式中, △H为管网系统总压力,Pa;Q為管道内通过的流量,m3/s;K为管道阻力特性系数,Pa·s2/m6;d为管道直径,m;λ为摩擦阻力系数;ρ为流体(风)的密度,kg/m3;ξ为局部阻力系数;l为管道长度,m。
  由式(3)可知当通风管网安装完成后,只有阀门处的局部阻力系数可调节外,其它综合阻力系数K是定量。各支管路在越靠近主管的支管路或者风口的压力损失小,管道内压力△H就越大,即流量Q就越大。同时,由以上分析可知,要使流量减小,就增大综合阻力系数 K,也就是增大阀门处的局部阻力,减小阀门开启度。
  在稳定状态下,根据流体力学管段阻力K与风量Q平方成正比。管路如果仅仅风量改变,其他不变,K值基本上保持不变,以两支并联支管为例,稳定状态下两支管的压力平衡,即:
  4.2 风量的测定
  风量测定包括风机出口系统总风量测定和室内风量测定。在调试过程中,通常风机风量测定采用管内测量,室内风量测定采用风口式测量。在测量时把各风管和风口处的调节阀放在全开的位置,选择合适的截面用风速仪测定风速,最后换算成风量。具体测量过程如下:
  4.2.1 测定截面的选择
  测定截面位置选择应选择在气流均匀、稳定的直管段上,离开弯头、三通等产生涡流的局部构件有一定距离。按气流方向,应选择在局部构件之后≥5倍圆形风管直径(矩形风管长边尺寸),在局部构件之前 ≥2倍圆形风管直径(矩形风管长边尺寸)的直管段上。当受到条件限制时,此距离可适当缩短,截面气流不均匀,但应增加测定数量。
  4.2.2 确定测点
  根据流体的特性,风管测定截面上各点的风速不相等,因此一般不能只以一个点的数值代表整个断面。测定断面上测点的位置与数目,主要取决于断面的形状和尺寸。显然,测点越多,所测得的平均风速值越接近实际,但测点又不能太多。一般采取等面积布点法。 矩形风管测点布置一般要求尽量划分为接近正方形的小方格,面积不大于 0.05m2(即边长小于220mm 的小方格),测点位于小方格的中心。 圆形风管测点布置应将测定断面划分为若干面积相等的同心圆环,测点位于各圆环面积的等分线上,并且应在相互垂直的两直径上布置 4 个测孔。
  4.2.3 风量计算
  风量计算公式为:
  式中,F为测定处风管断面积,m2;υ为测定断面平均风速,m/s。
  在风口处可用风速仪直接测量或用辅助风管法求出风口断面平均风速,再乘以风口净面积得到风口的风量。当风口与较长的支管段相连时,可在风管内测量风口的风量。平均风速的测量可采用匀速移动法或定点测量法等。匀速移动法的测试次数不应少于3次,定点测量法的测点不应少于5个。
  4.3 风量的平衡调整
  通风系统的风量平衡,实质上是改变管道上阻力特性,使系统送风量、排风量、转送风量以及各支路的风量分配满足设计要求。根据4.1理论分析可知,个别风口风量的调整,都会对整个系统的风量分配发生或大或小的影响。理论上设计风管时,通过管网水力的计算沿程阻力和局部阻力等管网阻力特性,选择合适的风管和风口尺寸,可以从理论设计上满足各房间风量。实际中,由于管路阻力特性的复杂性,难以达到理论设计值。每套通风系统均为多支管的通风管网,通过调节阀门开度,进行反复的调整、测试才能实现预期的流量分配。目前较常用风量调整方法按照理论分析的结论,归纳起来有流量等比分配法、基准风口调整法和逐段分支调整法等。
  4.3.1 流量等比分配法
  利用流量等比分配法对通风系统进行调整,理论依据是式4和5的结论。首先每一个管段上都选取合适位置打测孔,从系统的最远端管段开始调节,逐步地调向风机,使每个支管和其他支管的实测风量与设计风量比值近似相等,再细调直至相等。最后将风机出口总干管的风量调整至设计风量,各支干管、支管的风量就会按各自的设计风量比值进行等比分配,达到设计风量值。实践证明,采用该方法进行风量平衡的结果比较准确,适用于大型的集中式通风系统。
  4.3.2 逐段分支调整法
  采用逐段分支调整法,与等比分配法相反,首先调节总送风量至设计值,然后从主干管开始,使之接近设计风量值,再依次调节支干管、支管。因每调节一支管的风量,其他支管的风量也随之变化,必须重复地测量、调整才能使各支管的风量逐步地接近设计风量,且与设计风量的偏差不大于 10%。该调整法带有一定的盲目性,花费工期较多,只适用于较小型的空调系统中。
  4.3.3 基准风口调整法
  基准风口调整法的原理与流量等比分配法相同,但它不需要测量管段而是在每个风口进行测量调节,使每个风口测量值与设计值的比值等于基准风口的测量值与设计值比值。相较上述两种方法,基准风口调整法的优势: 无须在风量平衡前在每一个管段上都打测孔,减少了调整的辅助工作量。大型集中式空调系统中管段的数量较多,测量各风口的风量较简便。缺点是采用这种方法,必须熟练掌握各种形状、规格的风口的风量测量工具和方法,对测量数据的准确度要求较高。   4.3.4 风量平衡调整实例
  以新三废中心通风系统为例,因该系统涉及区域广泛,设计分22系统,不同子系统之间风管布置,送( 排) 风口的个数,用户房间数量差异很大。多数风管位置相对较高,部分风口难以实现测量,因此根据分析子系统的特点,风量平衡调整优先采用基准风口调整法,其次采用流量等比分配法。以某子系统部分房间风管为例,该系统风口人员均可以到达,风量平衡可以采用基准风口法,如图3所示。从图中可以看出,风口①~⑥在同一支管,⑦和⑧在同一支管上。先将该系统管路上的调节阀和风口阀全开,计算最远端风口①实测风量Qc1与设计风量Qs1的比值,两者的比值设为K1。如果K1<1.0,需调节另一支管调节阀进行流量分配,使K1值达到1.1最佳;当K>1.1时,通过调节送风主管阀门的开度使,使K1接近于1.1的比例。然后调整风口②实测风量与设计风量的比值K2,调整风口阀门,使K2≈K1。然后依次类推调整风口④~⑥,K2≈K1…≈K6。然后依次类推调节另一支管路上的风口⑦和⑧。使得各风口的实际风量与设计风量的比值接近平衡,以满足验收准则。最后再调节风机总风量达到设计值即可。
  4.4 房间压力平衡
  通风系统根据辐射分区,气流方向从“净区”到“脏区”、从低污染区到高污染区,其中控制Ⅰ区房间保持相对负压10~30Pa,控制Ⅱ区保持相对负压30~50Pa,控制Ⅲ区热室保持相对负压200~300Pa,其他控制Ⅲ区保持相对负压100~200Pa。通风系统通过对系统内各区域的送风、排风风量的合理设计和调节来达到各房间内外压差要求。对于需维持一定压差的房间,进入房间的风量和排出房间的风量是平衡的。
  房间压力控制一般通过调节送风与回风、排风量之间的差值(即差值风量或渗透风量),并结合控制手段来实现。差值风量室内外压差本质就是渗透风量透过房间缝隙的阻力和有序的通过余压阀转送风量。渗透风量是一种无组织气流,可到处渗透。对于一个控制区域房间,不同房间之间需要建立不同的压差,形成了区域内的压力梯度,在平衡状态下,风量是平衡的,可以表示为:
  其中,Qp为排风量,Qs送风量,Ql为漏风量,Qy为余压阀进风,m?/s;F为余压阀孔断面积,㎡;△P为压差,Pa;γ为空气密度,kg/m?;ζ为局部阻力系数,无量纲,A为缝隙面积,㎡;由式6~8可以推算出房间压差表示公式为:
  由式9可以看出房间压力梯度值与差值风量平方成正比,与缝隙面积和余压阀孔断面积成反比。因此调试过程中,各房间送、排风量的控制尤为重要。风机系统产生的送风、排风视为强制气流,而把渗漏气流和余压阀气流视为诱导气流。在多数情况下,相邻房间之间的压力梯度主要是由强制气流形成的。渗透风量与余压阀进风量可以看做是相互并联关系,若送、排风量恒定时,两者之即为恒定值,大小取决于余压阀局部阻力和缝隙局部阻力。在调试过程中,房间的缝隙、送、排风量可以看做是恒定值,因此,只有进行调整余压阀的重锤,相当于改变余压阀阻力系数,影响了余压阀进风量,从而从缝隙渗透风量会相应改变,可使房间气流压差达到设计要求。当余压阀重锤临界值设定合理时,房间内压差超过设定压差时,余压阀自动打开,当低于设定压差时,阀门恢复关闭状态,从而维护房间的压差作用,防止放射性气体向外界扩散。
  5 调试常见问题分析
  根据多个核设施通风系统安装、调试、改造和运行经验,在调试运行过程中问题分析:
  1)排风机漏风问题
  造成原因有:1)风机电机和转动轴之间存在漏风,特别是有备用风机的系统;2)风机两端软接头、风阀处漏风。
  2)系统实测的总风量过大
  造成的原因有:系统总风管无风量调节阀;风机选用不当;空气净化系统各级空气过滤器初阻力小。
  3)工艺房间的负压无法建立
  造成的原因有: 1)过滤器失效(或阀门启闭不当),增加了管道阻力特性,导致风量降低,房间风量平衡未达到设计要求,负压发生变化;2)送风量、排风量风口风量平衡未调试合适,或与设计值偏差较大;3)送、排风机的启停、联锁控制,风机的启停顺序和风机故障停机时,会对房间压差造成较大变化。送风时,只能先启动排风机,在启动送风机;停机或故障时,送风机一旦停止,排风机也随后停止;4)门框缝隙大、建筑结构有未封堵孔洞。
  4)主控室D C S显示的风量与现场风口风量之和数值不一致
  造成的原因有:1)空气流速变送器安装位置不合适;2)采用不同测量仪器,空气流速变送器和风速仪原理不同,测量点位、测量次数,容易造成较大误差,出现现场风口风量之和与数显值出现较大偏差。
  5)厂房内噪声超过规定值
  造成原因主要有:1)风口部件松动、风口速度过高;2)管道上消声器消声能力低,选择不合理;3)经消声器后的风道未正确隔离噪声源。
  6 結语
  本文通过理论分析了通风系统风系统调试过程中的风量测定、风量平衡调整、房间压力平衡,进行了理论分析和探讨工作,分析出行之有效的调试方法和操作重点,并针对以往工程调试、运行过程中常出现的问题进行了分析,为今后通风系统调试工作和运行提供了借鉴。
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