寒冷地区核电厂地下廊道的防冻分析

曾宪斌

深圳中广核工程设计有限公司

寒冷地区核电厂地下廊道的防冻分析

曾宪斌

深圳中广核工程设计有限公司

核电厂地下廊道主要承担电厂最终热阱用水管道和综合技术管道的布置，是核电厂重要设施之一。对于寒冷地区核电厂的地下廊道设计，除了保证廊道正常的给排水、照明、消防、通风换气等要求外，还需考虑低温对廊道内管道和仪表的影响，避免由于环境温度过低造成廊道内管道或仪表冻结而影响电厂的正常运行。结合红沿河核电厂土壤温度计算和地下廊道气温的CFD模拟，得到了地下廊道几种防冻措施的气温分布，并提出了地下廊道防冻分析方法和防冻保护措施。

寒冷地区核电厂地下廊道土壤温度防冻分析

0 引言

核电厂地下廊道主要承担电厂最终热阱用水管道和综合技术管道的布置，是核电厂重要设施之一。由于廊道主要用于各种工艺管道、电缆及其附件的敷设，相对于设备房间，对环境的要求不高，一般只需满足基本的给排水、照明、消防、通风换气等要求[1～2]，对于寒冷地区，则还必须考虑低温对廊道内管道和电缆仪表的影响，避免由于环境温度过低造成廊道内管道或仪表冻结，故在地下廊道设计时，一般会考虑相应的防冻的措施：如廊道设置在冻土层以下、增设采暖设备等。但由于地下廊道围护结构外为土壤，土壤物性参数尤其是土壤温度受地面气温波动影响不易监测，故在进行廊道设计一般认为布置在冻土层以下就不会出现冻结现象，但对于布置有核电厂消防水管道的安全重要厂用水管廊，由于廊道内同时布设有参与核岛主要设备冷却的海水管道，在冬季极端情况下海水温度低于0℃，根据笔者参与设计的红沿河核电厂，海水最低温度达到-2.1℃，管道内如果长期保持低温海水状态，低温海水通过管壁与廊道内空气热交换，可能会导致气温下降低于0℃，从而可能导致廊道内的消防管道水冻结。为验证冬季最不利气温情况下地下廊道内的热平衡气温是否会导致管道冻结，本文对廊道内海水管道正常输送时热平衡温度进行计算和分析。

1 土壤温度计算

1.1 计算输入

红沿河核电厂核岛通风系统冬季室外计算温度为-20.2℃，由于廊道处于地面以下，廊道围护结构外为土壤，土壤温度与室外气温并不存在一一对应关系，而是随着气温的降低，土壤温度的衰减有一定的波动和延迟[3]，根据文献[3]、[4]、[5]对于0.5m深处的土壤温度特性进行分析，日温度波的衰减在地下0.5m处已达95.69%，因此可以认为日温对土壤温度的影响在地面0.5m以下时可以忽略。土壤温度变化主要表现为一年中各个月份中温度的变化，红沿河地处我国中纬度地区，常年温度保持不变的土壤层深度约为15～20m，即在-15m以上土壤温度可能随着月均温度变化而波动，表1中列出了红沿河地区2001～2005年共5年间1月～12月的月平均气温（数据来源：辽宁熊岳气象站气象资料，根据气象资料统计，该地区多年平均气温为9.85℃），作为土壤温度计算的输入条件。

1.2 土壤物性参数

土壤温度受地表温度年周期和日周期性变化影响，而发生周期性变化。土壤周期性温度变化的幅度值随着地层深度的增加按自然指数规律减少。由于温度日周期性波动的周期小，工程上一般不考虑地表温度日周期性变化对土壤温度的影响。由于地表受空气温度和太阳辐射作用以及温度梯度的影响，地球表面有一个温度发生日变化和年变化的层。地表活动层中的温度变化规律，可以用包括零级谐量与第一级谐量之和的关系式来近似描述[3]：

式中：t(z,τ)为地下土壤在深度为z，时刻为τ时的温度，℃；tcp为地表面年平均气温，℃；A0为地表面温度的一阶谐量振幅，℃；z为距地面的距离，m；a为土壤的导温系数，m2/s；ω为温度周期性波动频率，ω=2π/T0，1/s；T0为温度变化周期，日周期为T0=24h，年周期为T0=8670h；τ为时刻，s，即

由于廊道四周为主要为回填土，填土的主要成份为粘性土混多量砂、少量岩屑及岩块，土壤按砂质粘土考虑，土壤导温系数为a=0.0037m2/h=1.03×10-6m2/s，A0=13.2℃[3]，根据表1选取年平均气温最低的2005年即9.22℃，z为廊道顶板距地面的距离3.2m，由式（2）可以计算本地区不同地层深度处温度的变化情况，根据文献[3]实测温度显示，大连红沿河地区同纬度地表浅层土壤温度最低月份发生在3～4月份。表2给出了廊道顶板处（-3.2m）、廊道侧墙中部（-5.15m）以及廊道底板处（-7.1m）不同深度的土壤温度计算值。

2 廊道气温计算

2.1 计算假设

1）廊道内布置有部分电缆桥架和照明灯，由于为计算最不利的气温，这里不考虑电缆和灯光散热影响，消防管道内为静止流体（水），也不考虑对房间的传热影响。

2）廊道外土壤按无限大热源考虑，不考虑廊道温度变化对土壤的影响，土壤温度按定值设置。

3）不考虑碳钢管壁的传热影响，模拟计算时钢管管壁温度按海水的极端低温-2.1℃考虑。

4）忽略不同管廊、厂房之间的相互传热影响，只对一列廊道进行计算，邻近廊道墙体按照绝热设定。

2.2 边界条件

由于并行布置的廊道结构基本一致，本文选取一列的一段作为一个计算域进行计算，廊道长17.65m，净高2.7m，宽2.8m，相关参数详见表3。由于内侧墙体邻近同为廊道，按绝热考虑，顶板覆土层厚度为3.2m，廊道上标高和下标高分别为-3.8～-6.5m。廊道内布置的海水管道直径为700mm，管道壁厚为7.92mm，为碳钢材质，钢材导热系数为45.3W/(m·K)，海水最低温度为-2.1℃，管道保温层厚度50mm，为玻璃棉材质，密度为40kg/m3，导热系数为0.037W/(m·K)。土壤温度保守考虑取3月份计算数值。

2.3 计算分析

利用CFD软件ANSYS-AIRPAK软件对廊道进行建模和计算，廊道达到热平衡后房间平均温度约为4.9℃，图1给出了管道剖面温度分布图，从图中可以看出，海水管道经过保温后，保温层附近的温度已很接近房间温度，即保温层起到了很好的隔热效果，管道内的低温海水作为冷源对房间气温影响有限，同时由于无限大土壤作为一热源对房间的传热影响，房间内温度与墙体外土壤温度基本接近，在冬季极端情况下，海水温度持续处于-2.1℃情况，廊道内气温保持在0℃以上，布置在廊道内的消防管道不会发生冻结危险。为便于对比分析，同时计算了管道保温层温度为30mm，以及没有保温层两种工况的房间气温。

表4给出了不同保温层厚度下房间的气温及管道外壁的温度。

由表4可以发现，由于土壤作为一无限大热源和海水管道作为冷源对廊道气温的相互影响，管道是否保温对房间气温影响不是特别明显，但是在管道不保温情况下，管道壁外周围的温度却明显的偏低，冬季廊道内不考虑散湿，相对湿度按室外考虑为69.7%，则廊道内露点温度如表4，可见管道不保温，虽然廊道内平均气温不会低于0℃，但是管道壁面会结露从而会导致管道冻结，如果此时管道上设置有仪表则有可能导致仪表管线冻结。对于已采取保温措施的管道外壁温度已在0℃以上，不会出现冻结问题。

3 结论

1）廊道由于设置在冻土层以下-3.2m至-6.5m埋深，且廊道内的海水管道已设计有保温，经计算廊道内的平均气温在0℃以上，管道不会出现冻结风险。如果海水管道没有保温，由于露点温度低于廊道气温，则可能会导致管壁和管壁上仪表冻结，需要在防冻设计时考虑保温等防冻措施。

2）红沿河核电厂的海水管道廊道已经过两个寒冷冬季的运行检验，廊道内没有发现结冰冻结，说明上述采用的土壤温度计算方法和廊道气温的CFD模拟分析结果是可信的。此方法也可以运用于其它地下厂房的防冻和温度场计算，对核电厂地下建筑的环境温度计算具有很好参考价值。

3）本计算是在廊道密闭环境中热平衡结果，在实际工程建设过程中，必须保证廊道吊装检修孔洞以及与厂房的连接孔洞正常封堵，否则受冷风渗透影响廊道的实际气温会低于计算温度值。

[1]陈虹.共同沟的通风设计[J].制冷空调与电力机械,2003,24(3): 43-45

[2]穆宜,王小宁.地下综合管廊建设初探[J].供用电,2010,27(6): 45-47

[3]《地下建筑暖通空调设计手册》编写组.地下建筑暖通空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1983

[4]陆耀庆.实用供热空调设计手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008年

[5]王均.中国地温分布的基本特征[M].北京:地质出版社,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

曾宪斌（1982～），男，硕士，工程师；广东省深圳市南山区中山园路1001号TCL国际E城D2309室（518045）；0755-84439640；E-mail:zengxianbin@cgnpc.com.cn