寒冷地區核電廠地下廊道的防凍分析

曾憲斌

深圳中廣核工程設計有限公司

寒冷地區核電廠地下廊道的防凍分析

曾憲斌

深圳中廣核工程設計有限公司

核電廠地下廊道主要承擔電廠最終熱阱用水管道和綜合技術管道的布置，是核電廠重要設施之一。對于寒冷地區核電廠的地下廊道設計，除了保證廊道正常的給排水、照明、消防、通風換氣等要求外，還需考慮低溫對廊道內管道和儀表的影響，避免由于環境溫度過低造成廊道內管道或儀表凍結而影響電廠的正常運行。結合紅沿河核電廠土壤溫度計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措施。

寒冷地區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電廠最終熱阱用水管道和綜合技術管道的布置，是核電廠重要設施之一。由于廊道主要用于各種工藝管道、電纜及其附件的敷設，相對于設備房間，對環境的要求不高，一般只需滿足基本的給排水、照明、消防、通風換氣等要求[1～2]，對于寒冷地區，則還必須考慮低溫對廊道內管道和電纜儀表的影響，避免由于環境溫度過低造成廊道內管道或儀表凍結，故在地下廊道設計時，一般會考慮相應的防凍的措施：如廊道設置在凍土層以下、增設采暖設備等。但由于地下廊道圍護結構外為土壤，土壤物性參數尤其是土壤溫度受地面氣溫波動影響不易監測，故在進行廊道設計一般認為布置在凍土層以下就不會出現凍結現象，但對于布置有核電廠消防水管道的安全重要廠用水管廊，由于廊道內同時布設有參與核島主要設備冷卻的海水管道，在冬季極端情況下海水溫度低于0℃，根據筆者參與設計的紅沿河核電廠，海水最低溫度達到-2.1℃，管道內如果長期保持低溫海水狀態，低溫海水通過管壁與廊道內空氣熱交換，可能會導致氣溫下降低于0℃，從而可能導致廊道內的消防管道水凍結。為驗證冬季最不利氣溫情況下地下廊道內的熱平衡氣溫是否會導致管道凍結，本文對廊道內海水管道正常輸送時熱平衡溫度進行計算和分析。

1 土壤溫度計算

1.1 計算輸入

紅沿河核電廠核島通風系統冬季室外計算溫度為-20.2℃，由于廊道處于地面以下，廊道圍護結構外為土壤，土壤溫度與室外氣溫并不存在一一對應關系，而是隨著氣溫的降低，土壤溫度的衰減有一定的波動和延遲[3]，根據文獻[3]、[4]、[5]對于0.5m深處的土壤溫度特性進行分析，日溫度波的衰減在地下0.5m處已達95.69%，因此可以認為日溫對土壤溫度的影響在地面0.5m以下時可以忽略。土壤溫度變化主要表現為一年中各個月份中溫度的變化，紅沿河地處我國中緯度地區，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，表1中列出了紅沿河地區2001～2005年共5年間1月～12月的月平均氣溫（數據來源：遼寧熊岳氣象站氣象資料，根據氣象資料統計，該地區多年平均氣溫為9.85℃），作為土壤溫度計算的輸入條件。

1.2 土壤物性參數

土壤溫度受地表溫度年周期和日周期性變化影響，而發生周期性變化。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規律減少。由于溫度日周期性波動的周期小，工程上一般不考慮地表溫度日周期性變化對土壤溫度的影響。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，地球表面有一個溫度發生日變化和年變化的層。地表活動層中的溫度變化規律，可以用包括零級諧量與第一級諧量之和的關系式來近似描述[3]：

式中：t(z,τ)為地下土壤在深度為z，時刻為τ時的溫度，℃；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為土壤的導溫系數，m2/s；ω為溫度周期性波動頻率，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，土壤按砂質粘土考慮，土壤導溫系數為a=0.0037m2/h=1.03×10-6m2/s，A0=13.2℃[3]，根據表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）可以計算本地區不同地層深度處溫度的變化情況，根據文獻[3]實測溫度顯示，大連紅沿河地區同緯度地表淺層土壤溫度最低月份發生在3～4月份。表2給出了廊道頂板處（-3.2m）、廊道側墻中部（-5.15m）以及廊道底板處（-7.1m）不同深度的土壤溫度計算值。

2 廊道氣溫計算

2.1 計算假設

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

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

3）不考慮碳鋼管壁的傳熱影響，模擬計算時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，只對一列廊道進行計算，鄰近廊道墻體按照絕熱設定。

2.2 邊界條件

由于并行布置的廊道結構基本一致，本文選取一列的一段作為一個計算域進行計算，廊道長17.65m，凈高2.7m，寬2.8m，相關參數詳見表3。由于內側墻體鄰近同為廊道，按絕熱考慮，頂板覆土層厚度為3.2m，廊道上標高和下標高分別為-3.8～-6.5m。廊道內布置的海水管道直徑為700mm，管道壁厚為7.92mm，為碳鋼材質，鋼材導熱系數為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，密度為40kg/m3，導熱系數為0.037W/(m·K)。土壤溫度保守考慮取3月份計算數值。

2.3 計算分析

利用CFD軟件ANSYS-AIRPAK軟件對廊道進行建模和計算，廊道達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，管道內的低溫海水作為冷源對房間氣溫影響有限，同時由于無限大土壤作為一熱源對房間的傳熱影響，房間內溫度與墻體外土壤溫度基本接近，在冬季極端情況下，海水溫度持續處于-2.1℃情況，廊道內氣溫保持在0℃以上，布置在廊道內的消防管道不會發生凍結危險。為便于對比分析，同時計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可以發現，由于土壤作為一無限大熱源和海水管道作為冷源對廊道氣溫的相互影響，管道是否保溫對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，冬季廊道內不考慮散濕，相對濕度按室外考慮為69.7%，則廊道內露點溫度如表4，可見管道不保溫，雖然廊道內平均氣溫不會低于0℃，但是管道壁面會結露從而會導致管道凍結，如果此時管道上設置有儀表則有可能導致儀表管線凍結。對于已采取保溫措施的管道外壁溫度已在0℃以上，不會出現凍結問題。

3 結論

1）廊道由于設置在凍土層以下-3.2m至-6.5m埋深，且廊道內的海水管道已設計有保溫，經計算廊道內的平均氣溫在0℃以上，管道不會出現凍結風險。如果海水管道沒有保溫，由于露點溫度低于廊道氣溫，則可能會導致管壁和管壁上儀表凍結，需要在防凍設計時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過兩個寒冷冬季的運行檢驗，廊道內沒有發現結冰凍結，說明上述采用的土壤溫度計算方法和廊道氣溫的CFD模擬分析結果是可信的。此方法也可以運用于其它地下廠房的防凍和溫度場計算，對核電廠地下建筑的環境溫度計算具有很好參考價值。

3）本計算是在廊道密閉環境中熱平衡結果，在實際工程建設過程中，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，否則受冷風滲透影響廊道的實際氣溫會低于計算溫度值。

[1]陳虹.共同溝的通風設計[J].制冷空調與電力機械,2003,24(3): 43-45

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

[3]《地下建筑暖通空調設計手冊》編寫組.地下建筑暖通空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1983

[4]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2008年

[5]王均.中國地溫分布的基本特征[M].北京:地質出版社,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中山園路1001號TCL國際E城D2309室（518045）；0755-84439640；E-mail:zengxianbin@cgnpc.com.cn