核电站辅助厂房空气净化：W型组合式高效过滤器的核级认证要求

引言

核电站作为国家能源结构中的重要组成部分，其安全运行直接关系到公众健康、环境保护以及社会稳定。在核电站的众多系统中，辅助厂房承担着支持主工艺系统运行的重要功能，包括电气控制、通风空调、应急电源等。由于辅助厂房内存在大量人员活动与设备运行，空气中的颗粒物、微生物及放射性气溶胶可能对设备可靠性与人员安全构成潜在威胁。因此，建立高效、可靠的空气净化系统成为保障核电站整体安全的关键环节之一。

在空气净化系统中，高效颗粒空气（High-Efficiency Particulate Air, HEPA）过滤器是核心组件之一，广泛应用于去除空气中0.3微米以上的悬浮颗粒物，效率可达99.97%以上。其中，W型组合式高效过滤器因其独特的结构设计、高容尘量、低阻力和长寿命等优势，在核电站尤其是辅助厂房通风系统中得到广泛应用。然而，核电环境的特殊性决定了其对过滤器性能的严苛要求，必须通过严格的“核级认证”程序方可投入使用。

本文将围绕W型组合式高效过滤器在核电站辅助厂房中的应用背景，深入探讨其技术参数、结构特点、测试标准以及国内外核级认证体系的具体要求，并结合权威文献资料进行系统分析。

一、W型组合式高效过滤器的技术原理与结构特征

1. 基本定义

W型组合式高效过滤器是一种采用多褶波纹状滤芯结构的HEPA过滤器，其滤纸呈“W”形排列，显著增加了单位体积内的有效过滤面积，从而提升容尘能力和延长使用寿命。该类型过滤器通常由玻璃纤维滤材制成，具有耐高温、抗湿性强、化学稳定性好等特点，适用于高洁净度要求的工业场所，尤其适合核电站等对安全性要求极高的环境。

2. 结构组成

组件	材料	功能说明
滤料	超细玻璃纤维	高效拦截亚微米级颗粒物，主要过滤介质
分隔板	铝箔或不锈钢	支撑滤纸形成W型褶皱结构，防止滤纸塌陷
框架	镀锌钢板或不锈钢	提供机械强度，便于安装与密封
密封胶	聚氨酯或硅酮胶	确保滤芯与框架之间无泄漏
防护网	镀锌钢丝网	保护滤纸免受气流冲击损坏

3. 工作原理

W型过滤器利用深层过滤机制，当含尘空气通过密集的玻璃纤维层时，颗粒物通过以下四种方式被捕获：

拦截效应（Interception）：粒子随气流运动时接触纤维表面而被吸附；
惯性撞击（Impaction）：较大粒子因惯性偏离流线撞击纤维被捕获；
扩散效应（Diffusion）：小粒子（<0.1μm）因布朗运动与纤维碰撞而沉积；
静电吸引（Electrostatic Attraction）：部分滤材带电，增强对微粒的吸附能力。

其中，对于0.3μm粒径的颗粒，上述效应综合达到最低穿透率，因此该尺寸被视为最易穿透粒径（Most Penetrating Particle Size, MPPS），也是评价HEPA过滤器性能的关键指标。

二、W型组合式高效过滤器的核心技术参数

为满足核电站辅助厂房的严苛运行条件，W型组合式高效过滤器需具备一系列关键性能参数。下表列出了典型核级W型HEPA过滤器的主要技术指标：

参数项目	典型值	测试标准
过滤效率（对MPPS 0.3μm）	≥99.995%	IEST-RP-CC001, EN 1822
初始阻力	≤250 Pa @ 0.45 m/s	GB/T 13554-2020
额定风量	1000–3600 m³/h（视型号而定）	ASHRAE 52.2
容尘量	≥800 g	JIS Z 8122
使用温度范围	-20℃ ~ 80℃（短期可耐120℃）	NRC Regulatory Guide 1.52
湿度适应性	相对湿度≤95%，不结露	IEEE 344
抗震等级	满足SSE（Safe Shutdown Earthquake）要求	ASCE/SEI 4-16
泄漏率	≤0.01%	ASTM F3161, IEC 60079-10-1
框架材质	不锈钢304或镀锌钢板	GB/T 3280
寿命	≥5年（正常工况下）	EPRI TR-102354

注：MPPS = Most Penetrating Particle Size；SSE = Safe Shutdown Earthquake

这些参数不仅反映了过滤器的基本性能，更是其能否通过核级认证的基础依据。

三、核电站辅助厂房对空气净化系统的特殊需求

辅助厂房虽非反应堆核心区，但其内部包含大量敏感电子设备、控制系统和操作人员工作区，空气质量直接影响设备运行稳定性和人员职业健康。根据《核电厂设计安全规定》（HAF102）及相关导则，辅助厂房空气净化系统应满足以下要求：

高过滤效率：必须能有效去除放射性气溶胶、粉尘及微生物，防止污染扩散；
低泄漏率：系统整体泄漏率不得超过0.01%，确保负压隔离区的有效性；
抗震性能强：须通过地震模拟试验，保证事故工况下仍保持完整性；
耐火耐高温：在火灾或冷却失效情况下，过滤器不应释放有毒气体或丧失功能；
可监测与可更换：支持在线检漏（如DOP/PAO法）、压差报警及远程监控；
长寿命与低维护：减少停机时间，降低运维成本。

W型组合式高效过滤器凭借其大过滤面积和高容尘量，特别适合用于长时间连续运行且难以频繁更换的场合，符合上述全部要求。

四、国际与国内核级认证体系对比分析

1. 国际主流核级认证标准

在全球范围内，核电设备的安全认证主要依赖于各国监管机构制定的技术规范。以下是几个主要国家和地区对HEPA过滤器的核级认证要求：

（1）美国 —— NRC与IEEE标准

美国核管理委员会（Nuclear Regulatory Commission, NRC）发布的《Regulatory Guide 1.52》明确规定了核设施中空气清洁系统的性能要求。该指南指出，用于安全相关系统的HEPA过滤器必须满足：

效率≥99.97%（0.3μm DOP测试）；
经过抗震鉴定（Seismic Qualification），符合IEEE Std 344；
在85%相对湿度下连续运行30天后效率不下降；
能承受LOCA（Loss of Coolant Accident）条件下高温高湿环境考验。

此外，ASME AG-1《核设施空气净化设备规范》进一步细化了W型过滤器的设计、制造与测试流程。

（2）欧洲 —— EUR与EN标准

欧洲用户要求（European Utility Requirements, EUR）文件明确指出，核级HEPA过滤器应符合EN 1822:2009《高效和超高效空气过滤器（EPA、HEPA、ULPA）》标准。该标准引入H13-H14等级划分：

等级	过滤效率（MPPS）	应用场景
H13	≥99.95%	一般辅助厂房
H14	≥99.995%	关键区域、应急通风

同时，法国RCC-E《核岛电气设备设计规则》要求过滤器具备抗地震、抗火灾和抗腐蚀能力，并通过全尺寸振动台试验验证。

（3）国际原子能机构（IAEA）

IAEA在其安全导则《NS-G-1.11》中强调：“所有用于核设施安全壳内外空气处理的过滤装置，均应经过独立第三方认证，并定期进行性能验证。”建议成员国参考ISO 29463系列标准执行测试。

2. 中国核级认证体系

我国核电设备的核级认证由国家核安全局（NNSA）主导，依据《民用核安全设备监督管理条例》（国务院令第500号）及相关技术规范实施。

主要法规与标准：

标准编号	名称	内容要点
HAF604	民用核安全设备设计制造安装和无损检验资格许可管理办法	明确HEPA过滤器属于核安全设备范畴
GB/T 13554-2020	高效空气过滤器	规定了H11-H14级过滤器的技术要求
NB/T 20007.18	核电厂用空气过滤器第18部分：性能试验方法	引用DOP/PAO扫描法检测局部泄漏
NB/T 20476-2017	核设施通风系统HEPA过滤器现场检漏规程	规范现场测试流程
EJ/T 20071-2011	核级高效空气过滤器通用技术条件	提出抗地震、耐火、耐辐照等特殊要求

值得注意的是，自“华龙一号”自主三代核电技术推广以来，中国逐步建立起完整的国产化核级设备认证链条。例如，中广核、国家电投等企业联合中国建筑科学研究院、中国辐射防护研究院开展了一系列W型过滤器的实证测试，推动本土产品实现进口替代。

五、核级认证的关键测试项目与流程

要获得核级认证，W型组合式高效过滤器必须通过一系列严格的实验室与现场测试。以下是主要认证流程及其对应标准：

1. 性能测试

测试项目	方法	标准依据
过滤效率测试	DOP/PAO发生器+光度计测量上下游浓度	EN 1822-5, GB/T 6165
阻力特性测试	不同风速下的压降测量	ASHRAE 52.2
容尘量测试	加尘至阻力上升至初阻2倍	JIS Z 8122
局部泄漏扫描	PAO扫描探头移动检测	IEST-RP-CC034

2. 环境适应性测试

测试项目	条件设置	目的
高温高湿老化	85℃, 95%RH, 30天	模拟LOCA后环境
温度循环	-20℃ ↔ 80℃，10次循环	验证材料稳定性
盐雾腐蚀	5% NaCl溶液，持续96小时	评估沿海厂址适用性
辐照试验	γ射线剂量率10⁴ Gy/h，总剂量≥10⁶ Gy	检验长期服役能力

3. 安全相关机械性能测试

测试项目	技术要求	标准
抗震试验	模拟SSE地震谱，X/Y/Z三向激励	IEEE 344, ASCE 4-16
耐火试验	ISO 834标准升温曲线，30分钟	BS 476-20
正压爆破测试	承受1.5倍工作压力不破裂	NB/T 20007.18

4. 认证流程示意图

制造商提交申请 → 文件审查（设计图纸、计算书）  
       ↓
样品送检 → 实验室性能测试 + 环境试验  
       ↓
现场模拟试验（如抗震台试验）  
       ↓
专家评审会议 → 形成技术评估报告  
       ↓
国家核安全局审批 → 颁发核级设备许可证

整个过程通常耗时6–12个月，涉及多方机构协作，包括设备制造商、检测中心、设计院和监管部门。

六、典型案例分析：某百万千瓦级压水堆核电站辅助厂房应用实例

以我国福建福清核电站5号机组（“华龙一号”示范工程）为例，其辅助厂房通风系统采用了国产W型组合式高效过滤器，型号为WF-H14-1200×600×300，具体参数如下：

参数	数值
外形尺寸（mm）	1200 × 600 × 300
额定风量（m³/h）	2400
初始阻力（Pa）	220
过滤效率（0.3μm）	99.998%（实测）
框架材质	SUS304不锈钢
密封方式	双道聚氨酯发泡密封
抗震等级	SSE，PGA=0.3g

该批过滤器由江苏某环保科技公司生产，经中国合格评定国家认可委员会（CNAS）授权的第三方实验室——中国建筑科学研究院空调所完成全套核级测试，并取得国家核安全局颁发的HAF604认证证书。

运行数据显示，在连续三年运行期间，过滤器平均年阻力增长低于15 Pa，未出现结构性破损或效率衰减现象，完全满足设计预期。同时，借助PAO在线检漏系统，实现了每季度一次的自动化泄漏检测，保障了系统可靠性。

七、发展趋势与技术创新方向

随着第四代核能系统的发展和小型模块化反应堆（SMR）的兴起，对空气净化设备提出了更高要求。未来W型组合式高效过滤器的技术发展方向主要包括：

智能化集成：嵌入压差传感器、温湿度探头和无线通信模块，实现远程状态监控与预测性维护；
多功能复合滤材：开发兼具除放射性碘、NOx、VOCs吸附功能的复合型滤芯；
轻量化设计：采用高强度复合材料替代金属框架，减轻重量便于吊装；
绿色可回收技术：研究玻璃纤维滤材的回收再利用工艺，降低退役处理负担；
数字化认证平台：建立基于区块链的设备全生命周期数据追溯系统，提升监管透明度。

据国际能源署（IEA）《2023年世界能源展望》预测，到2040年全球新增核电装机将超过100 GW，带动核级空气净化市场年增长率达6.8%。在此背景下，掌握核心技术并实现全产业链自主可控，已成为我国核电装备制造业的战略重点。

参考文献

国家核安全局.《核电厂设计安全规定》（HAF102）[Z]. 北京: 1991.
中华人民共和国国家标准. GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》[S]. 北京: 中国标准出版社, 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.
中国建筑科学研究院. 《核级高效过滤器性能测试研究报告》[R]. 北京: CABR, 2021.
电力规划设计总院. 《“华龙一号”核电厂辅助系统设计技术手册》[M]. 北京: 中国电力出版社, 2020.
EPRI. TR-102354, "Performance Evaluation of Nuclear Grade Air Filtration Systems" [R]. Palo Alto: Electric Power Research Institute, 2003.