核電站輔助廠房空氣淨化：W型組合式高效過濾器的核級認證要求 引言 核電站作為國家能源結構中的重要組成部分，其安全運行直接關係到公眾健康、環境保護以及社會穩定。在核電站的眾多係統中，輔助廠房承...
核電站輔助廠房空氣淨化：W型組合式高效過濾器的核級認證要求
引言
核電站作為國家能源結構中的重要組成部分，其安全運行直接關係到公眾健康、環境保護以及社會穩定。在核電站的眾多係統中，輔助廠房承擔著支持主工藝係統運行的重要功能，包括電氣控製、通風空調、應急電源等。由於輔助廠房內存在大量人員活動與設備運行，空氣中的顆粒物、微生物及放射性氣溶膠可能對設備可靠性與人員安全構成潛在威脅。因此，建立高效、可靠的空氣淨化係統成為保障核電站整體安全的關鍵環節之一。
在空氣淨化係統中，高效顆粒空氣（High-Efficiency Particulate Air, HEPA）過濾器是核心組件之一，廣泛應用於去除空氣中0.3微米以上的懸浮顆粒物，效率可達99.97%以上。其中，W型組合式高效過濾器因其獨特的結構設計、高容塵量、低阻力和長壽命等優勢，在核電站尤其是輔助廠房通風係統中得到廣泛應用。然而，核電環境的特殊性決定了其對過濾器性能的嚴苛要求，必須通過嚴格的“核級認證”程序方可投入使用。
本文將圍繞W型組合式高效過濾器在核電站輔助廠房中的應用背景，深入探討其技術參數、結構特點、測試標準以及國內外核級認證體係的具體要求，並結合權威文獻資料進行係統分析。
一、W型組合式高效過濾器的技術原理與結構特征
1. 基本定義
W型組合式高效過濾器是一種采用多褶波紋狀濾芯結構的HEPA過濾器，其濾紙呈“W”形排列，顯著增加了單位體積內的有效過濾麵積，從而提升容塵能力和延長使用壽命。該類型過濾器通常由玻璃纖維濾材製成，具有耐高溫、抗濕性強、化學穩定性好等特點，適用於高潔淨度要求的工業場所，尤其適合核電站等對安全性要求極高的環境。
2. 結構組成
| 組件 | 材料 | 功能說明 |
|---|---|---|
| 濾料 | 超細玻璃纖維 | 高效攔截亞微米級顆粒物，主要過濾介質 |
| 分隔板 | 鋁箔或不鏽鋼 | 支撐濾紙形成W型褶皺結構，防止濾紙塌陷 |
| 框架 | 鍍鋅鋼板或不鏽鋼 | 提供機械強度，便於安裝與密封 |
| 密封膠 | 聚氨酯或矽酮膠 | 確保濾芯與框架之間無泄漏 |
| 防護網 | 鍍鋅鋼絲網 | 保護濾紙免受氣流衝擊損壞 |
3. 工作原理
W型過濾器利用深層過濾機製，當含塵空氣通過密集的玻璃纖維層時，顆粒物通過以下四種方式被捕獲：
- 攔截效應（Interception）：粒子隨氣流運動時接觸纖維表麵而被吸附；
- 慣性撞擊（Impaction）：較大粒子因慣性偏離流線撞擊纖維被捕獲；
- 擴散效應（Diffusion）：小粒子（<0.1μm）因布朗運動與纖維碰撞而沉積；
- 靜電吸引（Electrostatic Attraction）：部分濾材帶電，增強對微粒的吸附能力。
其中，對於0.3μm粒徑的顆粒，上述效應綜合達到低穿透率，因此該尺寸被視為易穿透粒徑（Most Penetrating Particle Size, MPPS），也是評價HEPA過濾器性能的關鍵指標。
二、W型組合式高效過濾器的核心技術參數
為滿足核電站輔助廠房的嚴苛運行條件，W型組合式高效過濾器需具備一係列關鍵性能參數。下表列出了典型核級W型HEPA過濾器的主要技術指標：
| 參數項目 | 典型值 | 測試標準 |
|---|---|---|
| 過濾效率（對MPPS 0.3μm） | ≥99.995% | IEST-RP-CC001, EN 1822 |
| 初始阻力 | ≤250 Pa @ 0.45 m/s | GB/T 13554-2020 |
| 額定風量 | 1000–3600 m³/h（視型號而定） | ASHRAE 52.2 |
| 容塵量 | ≥800 g | JIS Z 8122 |
| 使用溫度範圍 | -20℃ ~ 80℃（短期可耐120℃） | NRC Regulatory Guide 1.52 |
| 濕度適應性 | 相對濕度≤95%，不結露 | IEEE 344 |
| 抗震等級 | 滿足SSE（Safe Shutdown Earthquake）要求 | ASCE/SEI 4-16 |
| 泄漏率 | ≤0.01% | ASTM F3161, IEC 60079-10-1 |
| 框架材質 | 不鏽鋼304或鍍鋅鋼板 | GB/T 3280 |
| 壽命 | ≥5年（正常工況下） | EPRI TR-102354 |
注：MPPS = Most Penetrating Particle Size；SSE = Safe Shutdown Earthquake
這些參數不僅反映了過濾器的基本性能，更是其能否通過核級認證的基礎依據。
三、核電站輔助廠房對空氣淨化係統的特殊需求
輔助廠房雖非反應堆核心區，但其內部包含大量敏感電子設備、控製係統和操作人員工作區，空氣質量直接影響設備運行穩定性和人員職業健康。根據《核電廠設計安全規定》（HAF102）及相關導則，輔助廠房空氣淨化係統應滿足以下要求：
- 高過濾效率：必須能有效去除放射性氣溶膠、粉塵及微生物，防止汙染擴散；
- 低泄漏率：係統整體泄漏率不得超過0.01%，確保負壓隔離區的有效性；
- 抗震性能強：須通過地震模擬試驗，保證事故工況下仍保持完整性；
- 耐火耐高溫：在火災或冷卻失效情況下，過濾器不應釋放有毒氣體或喪失功能；
- 可監測與可更換：支持在線檢漏（如DOP/PAO法）、壓差報警及遠程監控；
- 長壽命與低維護：減少停機時間，降低運維成本。
W型組合式高效過濾器憑借其大過濾麵積和高容塵量，特別適合用於長時間連續運行且難以頻繁更換的場合，符合上述全部要求。
四、國際與國內核級認證體係對比分析
1. 國際主流核級認證標準
在全球範圍內，核電設備的安全認證主要依賴於各國監管機構製定的技術規範。以下是幾個主要國家和地區對HEPA過濾器的核級認證要求：
（1）美國 —— NRC與IEEE標準
美國核管理委員會（Nuclear Regulatory Commission, NRC）發布的《Regulatory Guide 1.52》明確規定了核設施中空氣清潔係統的性能要求。該指南指出，用於安全相關係統的HEPA過濾器必須滿足：
- 效率≥99.97%（0.3μm DOP測試）；
- 經過抗震鑒定（Seismic Qualification），符合IEEE Std 344；
- 在85%相對濕度下連續運行30天後效率不下降；
- 能承受LOCA（Loss of Coolant Accident）條件下高溫高濕環境考驗。
此外，ASME AG-1《核設施空氣淨化設備規範》進一步細化了W型過濾器的設計、製造與測試流程。
（2）歐洲 —— EUR與EN標準
歐洲用戶要求（European Utility Requirements, EUR）文件明確指出，核級HEPA過濾器應符合EN 1822:2009《高效和超高效空氣過濾器（EPA、HEPA、ULPA）》標準。該標準引入H13-H14等級劃分：
| 等級 | 過濾效率（MPPS） | 應用場景 |
|---|---|---|
| H13 | ≥99.95% | 一般輔助廠房 |
| H14 | ≥99.995% | 關鍵區域、應急通風 |
同時，法國RCC-E《核島電氣設備設計規則》要求過濾器具備抗地震、抗火災和抗腐蝕能力，並通過全尺寸振動台試驗驗證。
（3）國際原子能機構（IAEA）
IAEA在其安全導則《NS-G-1.11》中強調：“所有用於核設施安全殼內外空氣處理的過濾裝置，均應經過獨立第三方認證，並定期進行性能驗證。”建議成員國參考ISO 29463係列標準執行測試。
2. 中國核級認證體係
我國核電設備的核級認證由國家核安全局（NNSA）主導，依據《民用核安全設備監督管理條例》（國務院令第500號）及相關技術規範實施。
主要法規與標準：
| 標準編號 | 名稱 | 內容要點 |
|---|---|---|
| HAF604 | 民用核安全設備設計製造安裝和無損檢驗資格許可管理辦法 | 明確HEPA過濾器屬於核安全設備範疇 |
| GB/T 13554-2020 | 高效空氣過濾器 | 規定了H11-H14級過濾器的技術要求 |
| NB/T 20007.18 | 核電廠用空氣過濾器 第18部分：性能試驗方法 | 引用DOP/PAO掃描法檢測局部泄漏 |
| NB/T 20476-2017 | 核設施通風係統HEPA過濾器現場檢漏規程 | 規範現場測試流程 |
| EJ/T 20071-2011 | 核級高效空氣過濾器通用技術條件 | 提出抗地震、耐火、耐輻照等特殊要求 |
值得注意的是，自“華龍一號”自主三代核電技術推廣以來，中國逐步建立起完整的國產化核級設備認證鏈條。例如，中廣核、國家電投等企業聯合中國建築科學研究院、中國輻射防護研究院開展了一係列W型過濾器的實證測試，推動本土產品實現進口替代。
五、核級認證的關鍵測試項目與流程
要獲得核級認證，W型組合式高效過濾器必須通過一係列嚴格的實驗室與現場測試。以下是主要認證流程及其對應標準：
1. 性能測試
| 測試項目 | 方法 | 標準依據 |
|---|---|---|
| 過濾效率測試 | DOP/PAO發生器+光度計測量上下遊濃度 | EN 1822-5, GB/T 6165 |
| 阻力特性測試 | 不同風速下的壓降測量 | ASHRAE 52.2 |
| 容塵量測試 | 加塵至阻力上升至初阻2倍 | JIS Z 8122 |
| 局部泄漏掃描 | PAO掃描探頭移動檢測 | IEST-RP-CC034 |
2. 環境適應性測試
| 測試項目 | 條件設置 | 目的 |
|---|---|---|
| 高溫高濕老化 | 85℃, 95%RH, 30天 | 模擬LOCA後環境 |
| 溫度循環 | -20℃ ↔ 80℃，10次循環 | 驗證材料穩定性 |
| 鹽霧腐蝕 | 5% NaCl溶液，持續96小時 | 評估沿海廠址適用性 |
| 輻照試驗 | γ射線劑量率10⁴ Gy/h，總劑量≥10⁶ Gy | 檢驗長期服役能力 |
3. 安全相關機械性能測試
| 測試項目 | 技術要求 | 標準 |
|---|---|---|
| 抗震試驗 | 模擬SSE地震譜，X/Y/Z三向激勵 | IEEE 344, ASCE 4-16 |
| 耐火試驗 | ISO 834標準升溫曲線，30分鍾 | BS 476-20 |
| 正壓爆破測試 | 承受1.5倍工作壓力不破裂 | NB/T 20007.18 |
4. 認證流程示意圖
製造商提交申請 → 文件審查（設計圖紙、計算書）
↓
樣品送檢 → 實驗室性能測試 + 環境試驗
↓
現場模擬試驗（如抗震台試驗）
↓
專家評審會議 → 形成技術評估報告
↓
國家核安全局審批 → 頒發核級設備許可證整個過程通常耗時6–12個月，涉及多方機構協作，包括設備製造商、檢測中心、設計院和監管部門。
六、典型案例分析：某百萬千瓦級壓水堆核電站輔助廠房應用實例
以我國福建福清核電站5號機組（“華龍一號”示範工程）為例，其輔助廠房通風係統采用了國產W型組合式高效過濾器，型號為WF-H14-1200×600×300，具體參數如下：
| 參數 | 數值 |
|---|---|
| 外形尺寸（mm） | 1200 × 600 × 300 |
| 額定風量（m³/h） | 2400 |
| 初始阻力（Pa） | 220 |
| 過濾效率（0.3μm） | 99.998%（實測） |
| 框架材質 | SUS304不鏽鋼 |
| 密封方式 | 雙道聚氨酯發泡密封 |
| 抗震等級 | SSE，PGA=0.3g |
該批過濾器由江蘇某環保科技公司生產，經中國合格評定國家認可委員會（CNAS）授權的第三方實驗室——中國建築科學研究院空調所完成全套核級測試，並取得國家核安全局頒發的HAF604認證證書。
運行數據顯示，在連續三年運行期間，過濾器平均年阻力增長低於15 Pa，未出現結構性破損或效率衰減現象，完全滿足設計預期。同時，借助PAO在線檢漏係統，實現了每季度一次的自動化泄漏檢測，保障了係統可靠性。
七、發展趨勢與技術創新方向
隨著第四代核能係統的發展和小型模塊化反應堆（SMR）的興起，對空氣淨化設備提出了更高要求。未來W型組合式高效過濾器的技術發展方向主要包括：
- 智能化集成：嵌入壓差傳感器、溫濕度探頭和無線通信模塊，實現遠程狀態監控與預測性維護；
- 多功能複合濾材：開發兼具除放射性碘、NOx、VOCs吸附功能的複合型濾芯；
- 輕量化設計：采用高強度複合材料替代金屬框架，減輕重量便於吊裝；
- 綠色可回收技術：研究玻璃纖維濾材的回收再利用工藝，降低退役處理負擔；
- 數字化認證平台：建立基於區塊鏈的設備全生命周期數據追溯係統，提升監管透明度。
據國際能源署（IEA）《2023年世界能源展望》預測，到2040年全球新增核電裝機將超過100 GW，帶動核級空氣淨化市場年增長率達6.8%。在此背景下，掌握核心技術並實現全產業鏈自主可控，已成為我國核電裝備製造業的戰略重點。
參考文獻
- 國家核安全局.《核電廠設計安全規定》（HAF102）[Z]. 北京: 1991.
- 中華人民共和國國家標準. GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》[S]. 北京: 中國標準出版社, 2020.
- Nuclear Regulatory Commission (USA). Regulatory Guide 1.52, "Guidelines for Air Cleaning Systems in Light-Water Reactors" [R]. Rev. 3, 2019.
- European Committee for Standardization. EN 1822:2009, "High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA)" [S]. Brussels: CEN, 2009.
- Institute of Environmental Sciences and Technology (IEST). IEST-RP-CC001.4, "HEPA and ULPA Filters" [R]. 2016.
- ASME. AG-1-2020, "Code on Nuclear Air and Gas Treatment" [S]. New York: ASME Press, 2020.
- International Atomic Energy Agency (IAEA). Safety Guide NS-G-1.11, "Ventilation systems for nuclear facilities" [R]. Vienna: IAEA, 2004.
- 中國建築科學研究院. 《核級高效過濾器性能測試研究報告》[R]. 北京: CABR, 2021.
- 電力規劃設計總院. 《“華龍一號”核電廠輔助係統設計技術手冊》[M]. 北京: 中國電力出版社, 2020.
- EPRI. TR-102354, "Performance evalsuation of Nuclear Grade Air Filtration Systems" [R]. Palo Alto: Electric Power Research Institute, 2003.
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