寒冷地區(qū)核電廠地下廊道的防凍分析

曾憲斌

深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司

寒冷地區(qū)核電廠地下廊道的防凍分析

曾憲斌

深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司

核電廠地下廊道主要承擔(dān)電廠最終熱阱用水管道和綜合技術(shù)管道的布置，是核電廠重要設(shè)施之一。對(duì)于寒冷地區(qū)核電廠的地下廊道設(shè)計(jì)，除了保證廊道正常的給排水、照明、消防、通風(fēng)換氣等要求外，還需考慮低溫對(duì)廊道內(nèi)管道和儀表的影響，避免由于環(huán)境溫度過低造成廊道內(nèi)管道或儀表凍結(jié)而影響電廠的正常運(yùn)行。結(jié)合紅沿河核電廠土壤溫度計(jì)算和地下廊道氣溫的CFD模擬，得到了地下廊道幾種防凍措施的氣溫分布，并提出了地下廊道防凍分析方法和防凍保護(hù)措施。

寒冷地區(qū)核電廠地下廊道土壤溫度防凍分析

0 引言

核電廠地下廊道主要承擔(dān)電廠最終熱阱用水管道和綜合技術(shù)管道的布置，是核電廠重要設(shè)施之一。由于廊道主要用于各種工藝管道、電纜及其附件的敷設(shè)，相對(duì)于設(shè)備房間，對(duì)環(huán)境的要求不高，一般只需滿足基本的給排水、照明、消防、通風(fēng)換氣等要求[1～2]，對(duì)于寒冷地區(qū)，則還必須考慮低溫對(duì)廊道內(nèi)管道和電纜儀表的影響，避免由于環(huán)境溫度過低造成廊道內(nèi)管道或儀表凍結(jié)，故在地下廊道設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)考慮相應(yīng)的防凍的措施：如廊道設(shè)置在凍土層以下、增設(shè)采暖設(shè)備等。但由于地下廊道圍護(hù)結(jié)構(gòu)外為土壤，土壤物性參數(shù)尤其是土壤溫度受地面氣溫波動(dòng)影響不易監(jiān)測(cè)，故在進(jìn)行廊道設(shè)計(jì)一般認(rèn)為布置在凍土層以下就不會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，但對(duì)于布置有核電廠消防水管道的安全重要廠用水管廊，由于廊道內(nèi)同時(shí)布設(shè)有參與核島主要設(shè)備冷卻的海水管道，在冬季極端情況下海水溫度低于0℃，根據(jù)筆者參與設(shè)計(jì)的紅沿河核電廠，海水最低溫度達(dá)到-2.1℃，管道內(nèi)如果長(zhǎng)期保持低溫海水狀態(tài)，低溫海水通過管壁與廊道內(nèi)空氣熱交換，可能會(huì)導(dǎo)致氣溫下降低于0℃，從而可能導(dǎo)致廊道內(nèi)的消防管道水凍結(jié)。為驗(yàn)證冬季最不利氣溫情況下地下廊道內(nèi)的熱平衡氣溫是否會(huì)導(dǎo)致管道凍結(jié)，本文對(duì)廊道內(nèi)海水管道正常輸送時(shí)熱平衡溫度進(jìn)行計(jì)算和分析。

1 土壤溫度計(jì)算

1.1 計(jì)算輸入

紅沿河核電廠核島通風(fēng)系統(tǒng)冬季室外計(jì)算溫度為-20.2℃，由于廊道處于地面以下，廊道圍護(hù)結(jié)構(gòu)外為土壤，土壤溫度與室外氣溫并不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是隨著氣溫的降低，土壤溫度的衰減有一定的波動(dòng)和延遲[3]，根據(jù)文獻(xiàn)[3]、[4]、[5]對(duì)于0.5m深處的土壤溫度特性進(jìn)行分析，日溫度波的衰減在地下0.5m處已達(dá)95.69%，因此可以認(rèn)為日溫對(duì)土壤溫度的影響在地面0.5m以下時(shí)可以忽略。土壤溫度變化主要表現(xiàn)為一年中各個(gè)月份中溫度的變化，紅沿河地處我國中緯度地區(qū)，常年溫度保持不變的土壤層深度約為15～20m，即在-15m以上土壤溫度可能隨著月均溫度變化而波動(dòng)，表1中列出了紅沿河地區(qū)2001～2005年共5年間1月～12月的月平均氣溫（數(shù)據(jù)來源：遼寧熊岳氣象站氣象資料，根據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)多年平均氣溫為9.85℃），作為土壤溫度計(jì)算的輸入條件。

1.2 土壤物性參數(shù)

土壤溫度受地表溫度年周期和日周期性變化影響，而發(fā)生周期性變化。土壤周期性溫度變化的幅度值隨著地層深度的增加按自然指數(shù)規(guī)律減少。由于溫度日周期性波動(dòng)的周期小，工程上一般不考慮地表溫度日周期性變化對(duì)土壤溫度的影響。由于地表受空氣溫度和太陽輻射作用以及溫度梯度的影響，地球表面有一個(gè)溫度發(fā)生日變化和年變化的層。地表活動(dòng)層中的溫度變化規(guī)律，可以用包括零級(jí)諧量與第一級(jí)諧量之和的關(guān)系式來近似描述[3]：

式中：t(z,τ)為地下土壤在深度為z，時(shí)刻為τ時(shí)的溫度，℃；tcp為地表面年平均氣溫，℃；A0為地表面溫度的一階諧量振幅，℃；z為距地面的距離，m；a為土壤的導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s；ω為溫度周期性波動(dòng)頻率，ω=2π/T0，1/s；T0為溫度變化周期，日周期為T0=24h，年周期為T0=8670h；τ為時(shí)刻，s，即

由于廊道四周為主要為回填土，填土的主要成份為粘性土混多量砂、少量巖屑及巖塊，土壤按砂質(zhì)粘土考慮，土壤導(dǎo)溫系數(shù)為a=0.0037m2/h=1.03×10-6m2/s，A0=13.2℃[3]，根據(jù)表1選取年平均氣溫最低的2005年即9.22℃，z為廊道頂板距地面的距離3.2m，由式（2）可以計(jì)算本地區(qū)不同地層深度處溫度的變化情況，根據(jù)文獻(xiàn)[3]實(shí)測(cè)溫度顯示，大連紅沿河地區(qū)同緯度地表淺層土壤溫度最低月份發(fā)生在3～4月份。表2給出了廊道頂板處（-3.2m）、廊道側(cè)墻中部（-5.15m）以及廊道底板處（-7.1m）不同深度的土壤溫度計(jì)算值。

2 廊道氣溫計(jì)算

2.1 計(jì)算假設(shè)

1）廊道內(nèi)布置有部分電纜橋架和照明燈，由于為計(jì)算最不利的氣溫，這里不考慮電纜和燈光散熱影響，消防管道內(nèi)為靜止流體（水），也不考慮對(duì)房間的傳熱影響。

2）廊道外土壤按無限大熱源考慮，不考慮廊道溫度變化對(duì)土壤的影響，土壤溫度按定值設(shè)置。

3）不考慮碳鋼管壁的傳熱影響，模擬計(jì)算時(shí)鋼管管壁溫度按海水的極端低溫-2.1℃考慮。

4）忽略不同管廊、廠房之間的相互傳熱影響，只對(duì)一列廊道進(jìn)行計(jì)算，鄰近廊道墻體按照絕熱設(shè)定。

2.2 邊界條件

由于并行布置的廊道結(jié)構(gòu)基本一致，本文選取一列的一段作為一個(gè)計(jì)算域進(jìn)行計(jì)算，廊道長(zhǎng)17.65m，凈高2.7m，寬2.8m，相關(guān)參數(shù)詳見表3。由于內(nèi)側(cè)墻體鄰近同為廊道，按絕熱考慮，頂板覆土層厚度為3.2m，廊道上標(biāo)高和下標(biāo)高分別為-3.8～-6.5m。廊道內(nèi)布置的海水管道直徑為700mm，管道壁厚為7.92mm，為碳鋼材質(zhì)，鋼材導(dǎo)熱系數(shù)為45.3W/(m·K)，海水最低溫度為-2.1℃，管道保溫層厚度50mm，為玻璃棉材質(zhì)，密度為40kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.037W/(m·K)。土壤溫度保守考慮取3月份計(jì)算數(shù)值。

2.3 計(jì)算分析

利用CFD軟件ANSYS-AIRPAK軟件對(duì)廊道進(jìn)行建模和計(jì)算，廊道達(dá)到熱平衡后房間平均溫度約為4.9℃，圖1給出了管道剖面溫度分布圖，從圖中可以看出，海水管道經(jīng)過保溫后，保溫層附近的溫度已很接近房間溫度，即保溫層起到了很好的隔熱效果，管道內(nèi)的低溫海水作為冷源對(duì)房間氣溫影響有限，同時(shí)由于無限大土壤作為一熱源對(duì)房間的傳熱影響，房間內(nèi)溫度與墻體外土壤溫度基本接近，在冬季極端情況下，海水溫度持續(xù)處于-2.1℃情況，廊道內(nèi)氣溫保持在0℃以上，布置在廊道內(nèi)的消防管道不會(huì)發(fā)生凍結(jié)危險(xiǎn)。為便于對(duì)比分析，同時(shí)計(jì)算了管道保溫層溫度為30mm，以及沒有保溫層兩種工況的房間氣溫。

表4給出了不同保溫層厚度下房間的氣溫及管道外壁的溫度。

由表4可以發(fā)現(xiàn)，由于土壤作為一無限大熱源和海水管道作為冷源對(duì)廊道氣溫的相互影響，管道是否保溫對(duì)房間氣溫影響不是特別明顯，但是在管道不保溫情況下，管道壁外周圍的溫度卻明顯的偏低，冬季廊道內(nèi)不考慮散濕，相對(duì)濕度按室外考慮為69.7%，則廊道內(nèi)露點(diǎn)溫度如表4，可見管道不保溫，雖然廊道內(nèi)平均氣溫不會(huì)低于0℃，但是管道壁面會(huì)結(jié)露從而會(huì)導(dǎo)致管道凍結(jié)，如果此時(shí)管道上設(shè)置有儀表則有可能導(dǎo)致儀表管線凍結(jié)。對(duì)于已采取保溫措施的管道外壁溫度已在0℃以上，不會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)問題。

3 結(jié)論

1）廊道由于設(shè)置在凍土層以下-3.2m至-6.5m埋深，且廊道內(nèi)的海水管道已設(shè)計(jì)有保溫，經(jīng)計(jì)算廊道內(nèi)的平均氣溫在0℃以上，管道不會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。如果海水管道沒有保溫，由于露點(diǎn)溫度低于廊道氣溫，則可能會(huì)導(dǎo)致管壁和管壁上儀表凍結(jié)，需要在防凍設(shè)計(jì)時(shí)考慮保溫等防凍措施。

2）紅沿河核電廠的海水管道廊道已經(jīng)過兩個(gè)寒冷冬季的運(yùn)行檢驗(yàn)，廊道內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)冰凍結(jié)，說明上述采用的土壤溫度計(jì)算方法和廊道氣溫的CFD模擬分析結(jié)果是可信的。此方法也可以運(yùn)用于其它地下廠房的防凍和溫度場(chǎng)計(jì)算，對(duì)核電廠地下建筑的環(huán)境溫度計(jì)算具有很好參考價(jià)值。

3）本計(jì)算是在廊道密閉環(huán)境中熱平衡結(jié)果，在實(shí)際工程建設(shè)過程中，必須保證廊道吊裝檢修孔洞以及與廠房的連接孔洞正常封堵，否則受冷風(fēng)滲透影響廊道的實(shí)際氣溫會(huì)低于計(jì)算溫度值。

[1]陳虹.共同溝的通風(fēng)設(shè)計(jì)[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2003,24(3): 43-45

[2]穆宜,王小寧.地下綜合管廊建設(shè)初探[J].供用電,2010,27(6): 45-47

[3]《地下建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組.地下建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1983

[4]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008年

[5]王均.中國地溫分布的基本特征[M].北京:地質(zhì)出版社,1990

Freeze-p reven tions Ana lys is o f Pipe Ga lle ry in Co ld Reg ion Nu c lea r Pow e r Plan t

ZENG Xian-bin
China NuclearPowerDesign Co.,Ltd.(Shenzhen)

The pipe gallery in nuclear power plant taking on the disposal of final heat trap pipeline and polytechnic pipeline,they’re themain composed of the nuclear power plant.For the design of pipe gallery in nuclear power plant, besides it has the necessarily water supply and drain，lighting，fire protection，ventilation，also itmust be taking into account the low temperature effecton pipe and instrument,avoid freezing of the pipe and instrumentconsequently effect on the operation of power plant.Combine the soil temperature calculation and air temperature CFD simulation in Hongyanhe nuclear powers plant,getting the air temperature distribution by some freeze-prevention measure in pipe gallery.Finally put forward themethod of freeze-preventionsanalysisandmeasureof freeze-preventions.

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1003-0344（2014）03-097-3

2013-5-4

曾憲斌（1982～），男，碩士，工程師；廣東省深圳市南山區(qū)中山園路1001號(hào)TCL國際E城D2309室（518045）；0755-84439640；E-mail:zengxianbin@cgnpc.com.cn