深圳中广核工程设计有限公司 51800
摘要：福岛事故后，各CPR1000项目核电机组采取相应措施，增设相关设施作为电厂事故工况余热排出的应对手段。而电厂地下廊道作为电厂余热排出的重要设施，廊道内敷设的工艺管道的保温计算、廊道内空气热平衡计算是地下廊道暖通设计的重要内容。本文通过结合传统稳态圆筒壁导热、对流换热模型与非稳态的地埋管换热模型，总结出一个简易的地下廊道热平衡传热计算公式。通过某南方核电厂的实际设计参数验证，该公式的计算结果可作为核电厂地下廊道暖通设计的参考。
关键词：核电厂；地下廊道；热平衡计算；
The Discussion about the Thermal Balance Calculation Method of Underground Corridors in Nuclear Power Plant
Abstract：After the Fukushima accident，the nuclear power plants adopted CPR1000 take appropriate measures and design related facilities as the means to deal with heat removal when the power plant under the accident conditions.Underground corridor is an important power plant facilities to deal with heat removal.Insulation design of piping installed in the corridor and the air heat balance calculation are important part of HVAC design in the corridor.By combining traditional stationary cylindrical wall conduction，convection heat transfer model and unsteady ground heat exchanger model，a simple heat balance calculation formula about the underground corridor is summed up in this paper.Through the actual parameter validation designed in a south nuclear power plant，the results of the formula can be used as a reference of the HVAC design about the underground corridor.
Keywords： nuclear power plant；underground corridor；heat balance calculation
1.引言
核电厂内布置大量地下技术廊道（以下简称廊道），廊道内敷设大量工艺管道。福岛事件后，各CPR1000项目核电机组采取相应措施，增设相关设施作为电厂事故工况余热排出的应对手段。针对事故后的堆芯和乏燃料水池的余热排出，各核电站设计增设了相关余热排出的设施，包括了增设的工艺管道和相应的地下廊道。
地下廊道承担了核电厂最终热阱用水管道和综合技术管道的敷设要求，是核电厂重要设施之一。同时，廊道设计要求可人、物通行，以方便所敷设管道和电缆的检修，针对廊道内的暖通设计，要求能满足人员的检修、巡查时的通风换气和温度要求。所以，核电厂地下廊道暖通设计主要是管道外壁保温层温度（影响人员检修）、廊道内空气温度和人员进入时所需的新风量。
人员新风量可通过在廊道通向室外的设备检修孔增设自然通风口解决。但自然通风口的换气依托的是廊道内温度与外界环境的温差，以热压为动力进行换气通风。而由于廊道内温度的确定受多方面条件因素的制约。此外，廊道作为检查和巡检人员的通道，廊道内温度也需要同时满足人员对环境温度的需求。而人员除对廊道内空气温度有要求外，由于工艺管道直接敷设在廊道内，人员检修时不可避免的会接触管道，因此，工艺管道的保温层计算也是核电厂地下廊道暖通设计需要考虑到。
以往廊道内温度的确定主要根据工艺管道对空气温度的传热，通过简单的估算得出，而对于廊道内空气与地下土壤间的传热基本没有考虑。对于工艺管道的保温层计算主要根据经验设计。
本文主要引进较成熟的地源热泵的地埋管换热器模型，将电厂余热从工艺管道通过保温层、廊道空气、廊道壁以及地下土壤的各个传热过程整合考虑，总结出一个简易的地下廊道热平衡换热计算公式，从而为廊道的空气温度的计算和工艺管保温层计算提供参考。
2.廊道热平衡计算过程
图-1 地下廊道热平衡计算简化模型
Picture 1 The simplified model of heat balance about the underground corridor
廊道内敷设物项一般包含工艺管道、电缆、仪表管等。廊道热平衡计算过程中，一般将如电缆、仪控管线等对廊道传热影响较小的因素忽略，仅考虑工艺管道对传热的影响。因此，在简化相关因素后，廊道换热的模型简化为三个传热过程：工艺管道保温层的传热、廊道空气内的传热、廊道混凝土层的传热和地下土壤的传热，相关模型简图如下：
2.1 工艺管道传热计算
工艺管道内流体温度较高，工艺管道的一般都设有保温层。流体与金属工艺管道的对流换热较充分，在传热计算时当做整体看待，工艺管道的保温层换热计算根据相关资料，其热平衡的计算公式为[1]：
q：单位长度热流量， （W/m）；
tk：廊道内空气温度， （℃）；
tb：保温层外表面温度， （℃）；
tw：廊道混凝土内表面温度， （℃）；
：保温层对流换热系数， （W/m2?K）；
：廊道内壁对流换热系数， （W/m2?K）；
d2：保温层外表面直径， （m）；
d3：廊道内壁表面直径， （m）。
2.3廊道混凝土层的传热
廊道混凝土的传热过程类似工艺管道保温层的传热过程，都可以看成是圆筒壁的导热过程，其传热公式如下：
以上公式中的参数A、B、tn、tr等都可以通过查询相关文献资料及系统参数得到。所以，对于核电厂地下廊道内的热平衡计算，可以通过上述公式计算得到最终廊道内的平衡温度，再通过计算出的廊道内空气温度确定相关保温层参数。
3验证分析
为验证上述计算模型结果的可靠性，本文拟采用南方沿海某核电厂中相关设计系统参数为依据，实例验证该公式的计算结果的可靠性。
南方沿海某核电厂为因对福岛事故，增设事故后的余热排出系统，廊道内敷设工艺管道流体设计温度为设计100℃，工艺管道直径273mm，拟用高温玻璃棉作为保温层（厚度暂按50mm考虑，如计算结果不可接受，再做调整，直至满足相关要求），经查询文献保温层导热系数为0.037W/（m2?K），保温层对流换热系数为5.1W/（m2?K），混凝土层厚度450mm，混凝土内表面对流换热系数为8.7W/（m2?K），混凝土导热系数为1.76W/（m2?K），廊道内径按2.2m设计。
对于核电厂地下土壤的热物性参数，根据厂址相关设计资料和《地源热泵系统工程技术规范》相关参数，该地下土壤为导热系数为2.3W/（m2?K），土壤热扩散系数为9.7×10-7m2/s，对于廊道内管道的散热时间的选取，选取宽限期（72h）作为验证。而对于地下土壤的初始温度，根据《地下建筑暖通空调设计手册》采用与该核电厂址纬度相同的城市作为其地土壤的初始温度为26.3℃[3]。
于是，通过上述计算公式（1.7），则有：A=1.51，B=0.041，再通过公式（1.8）可以计算得出=28.3℃，可以满足一般设计要求的40℃的要求。再通过公式（1.1），计算保温层外表面温度36.3℃，也可以满足一般的外保温设计壁温的要求。
4结论
本文针对某核电机组地下廊道内敷设工艺管道的热平衡计算分析，所得主要结论如下：
1）地下廊道内敷设的高温工艺系统管道可采用包裹保温层的方式进行隔热，在工艺系统内流体温度不超过100℃时，采用50mm厚的玻璃棉材料作为保温层可以满足保温层外表面温度要求和廊道内空气温度不超过40℃的要求；
2）在计算敷设高温工艺系统管道的地下廊道的热平衡时，针对廊道外壁与地下土壤的热扩散传热过程，可参考地源热泵系统中的地埋管传热模型，计算地下土壤的传热热阻，由此计算廊道向地下土壤的传热量。
3）本文的计算过程，没有考虑廊道通过自然通风口与外界的热传递过程，计算结果相对保守。
参考文献
[1]章熙民等，传热学（第四版），北京：中国建筑工业出版社，2001.
[2]GB 50366-2009，地源热泵系统工程技术规范.北京：中国建筑工业出版社，2009.
[3]胡定玺等，地下建筑暖通空调设计手册，北京：中国建筑工业出版社，1983.
论文作者:李季勋,曹刚
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年12期
论文发表时间:2019/9/30
标签：廊道论文; 管道论文; 地下论文; 核电厂论文; 工艺论文; 温度论文; 保温层论文; 《建筑学研究前沿》2019年12期论文;