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我国核电站主要分布在南方沿海地区，这些地区夏季普遍炎热，而核电站汽轮机厂房属于体积高大的湿热车间，一般采用机械通风的方式来排除室内大量的余热余湿，以满足生产运行的要求。但由于厂房内管路复杂、设备多、热源分散，使用传统的方法难以对厂房内的气流组织、热湿环境进行有效的评估。
为了更好地了解厂房内的热湿环境，笔者在某南方核电站汽轮机厂房通风设计方案中，采用CFD(computational fluid dynamics)软件对其室内热环境进行模拟、分析和评价[1]，并结合当地气候特点，在设计策略和节能措施方面进一步研究探索，为我国核电站汽轮机厂房通风方案设计提出了新思路。
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该核电站位于广东省珠江三角洲，光照充足，气候温和，属亚热带海洋性季风气候。作为全球最大的核电机组，其汽轮机厂房占地面积7 342 m2，地下2层，地上2层，长约114 m，宽约68 m，高约60 m。汽轮机厂房内，地下2层主要布置给水泵、凝结水泵、疏水泵、化水加药间和取样间等；地下1层主要布置高压加热器、凝汽器、疏水箱等；∇0 m层布置了各类水箱；∇2.30 m层以上为低压加热器、高中压缸、发电机、除氧器等主要设备及系统热力管道。其中主要设备及其附属连接设备系统则是贯穿了整个建筑，共5层，即∇-13.7 m、∇-7.5 m、∇0 m、∇2.3 m和∇10.9 m层，详见图1。
Figure 1. Schematic diagram of nuclear power plant turbine room
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该核电厂汽轮机房初步设计采用自然进风、机械排风的通风方式。由土建竖井自然进风，屋顶风机机械排风，地下1层设对地下2层的转送风机，设计总风量350 000 m3/h。中间层的机械排风设备位于地下1层∇-7.5 m楼板上，将地下2层的热空气排至上部空间，再由屋顶机械排风排出，屋顶风机位于汽轮机房屋面。
汽轮机房标高∇0 m处沿厂房长度方向的两列土建外墙上，开有百叶通风口，作为汽轮机房的自然进风口。汽轮机房地下2层、地下1层沿厂房长度方向的两排柱子间均有开敞部分，可引导地上的自然风进入汽轮机房地下层。
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室外气象参数：夏季通风室外计算干球温度30.5 ℃；夏季通风室外计算相对湿度76.6%。
汽轮机房室内设计计算参数：运转层以下温度≤35 ℃；排风温度≤40 ℃。
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汽轮机房的主要功用就是安放汽轮机及其相关配套辅助设备。对于核电站来说，大致可将其分为主机部分、配套设备、管路三个部分。
单台机组总发热量为2 274.15 kW，见表1。该值比暖通设计手册中的数据要小一些，通过与厂家沟通，主要原因是其设备的保温性能较好，外表面温度较低。
设备名称 发热量/kW 主机部分 351.00 配套设备 1 300.40 管路部分 622.75 合计 2 274.15 Table 1.
Equipment heat data sheet 按常规焓差方式[2]计算汽轮机房的通风量为：
((1)) 式中：L为汽轮机房通风量，kg/h；
常规计算只能反映汽机房的进排风温度，无法判断汽轮机房内各局部区域的温度分布情况，更无法进行通风方案的优化设计计算。为此，本工程采用CFD软件对该汽轮机房的室内热环境进行模拟计算。
2.1 设计方案简介
2.2 常规岛汽轮机厂房设计工况
2.3 机组发热量
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模拟工况按6种方案设计，详细说明见表2，设备发热量分布见图2。
Figure 2. Main heat source
项目 工况描述 工况1 汽机房地下一层沿汽机房长度方向的两排柱子间全部开敞，位于地下一层∇-7.5 m高度楼板上，安装有7台轴流风机，设计总风量3.5×105 m3/h。屋顶设机械排风系统，安装有48台轴流风机，每台风机设计风量5.0×104 m3/h。排风总风量2.4×106 m3/h。 工况2 汽机房地下一层沿汽机房长度方向的两排柱子间沿高度方向，上半部分封闭，下半部分开敞。通风机安装同工况1。排风总风量2.4×106 m3/h。 工况3 汽机房地下一层沿汽机房长度方向的两排柱子间全部开敞，每台风机风量4.7×104 m3/h，共48台，通风机安装同工况1。屋顶排风系统总风量2.256×106 m3/h。 工况4 汽机房地下一层沿汽机房长度方向的两排柱子间全部开敞，每台风机风量4.0×104 m3/h，共48台，通风机安装同工况1。屋顶排风系统总风量1.92×105 m3/h 工况5 汽机房地下一层沿汽机房长度方向的两排柱子间全部开敞，每台风机风量3.5×105 m3/h，共48台，通风机安装同工况1。屋顶排风系统总风量1.68×106 m3/h 工况6 汽机房地下一层沿汽机房长度方向的两排柱子间全部开敞，每台风机风量3.0×104 m3/h，共48台，通风机安装同工况1。屋顶排风系统总风量1.44×106 m3/h Table 2.
Description of simulation conditions 上述工况沿常规岛宽度方向竖直断面温度分布的模拟结果见图3。
Figure 3. Vertical section temperature of six conditions
从图3可以看出，工况1的汽轮机房内的温度场最低，效果最好。但即使采用工况6温度较高，也能满足排风温度≤ 40 ℃的要求。
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采用CFD软件对其室内热环境进行不同设计方案、不同通风量下的模拟、分析和评价，对CFD预测结果和能耗模拟结果的分析评价发现：
1)汽轮机房地下1层沿厂房长度方向的两排柱子间全部开敞的工况(工况1)，相比地下1层沿厂房长度方向的两排柱子间沿高度方向，上半部分封闭，下半部分开敞的工况而言(工况2)，标高∇0 m以上的空间，通风情况较好，∇0 m以下的空间，通风情况较差，室内温度整体较高。但在地下2层一些发热量大、体量又相对小的设备附近，温度仍然较高，如闭式冷却水泵、凝结水泵、给水泵、1～3号低压加热器疏水泵附近，很明显，汽轮机房采用工况1的设计方案比工况2好很多。
2)对5种不同通风量的工况进行对比，工况1可以使汽轮机房室内大部分地区的温度达到设计要求，但在地下2层一些发热量大、体量又相对小的设备(如闭式冷却水泵、凝结水泵、给水泵1～3号低压加热器疏水泵)附近温度仍然较高。见图4。
Figure 4. Different horizontal section temperature of condition 1
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针对上述问题，需要进行方案优化。在核电厂汽轮机房地下2层∇-5.50 m处，沿外进风道靠给水泵侧布置8台诱导风机，每台诱导风机送风量6 000 m3/h。沿纵向靠闭式冷却水泵侧送新风；同时在靠闭式冷却水泵侧增加4台新风机，每台新风机送风20 000 m3/h。新风管从标高∇0 m处向下延伸到地下2层后在新风管侧壁开出风口，出风口离地1.5 m，总新风量80 000 m3/h。
优化设计方案在地下2层的辅助送风平面如图5所示。
Figure 5. Auxiliary air flow schematic of optimized scheme in 2rd floor underground
优化方案后，各水平断面上的温度分布(按方案1的不同层高)如图6(a)～(e)所示。
Figure 6. Different horizontal section temperature of optimized condition
对比图4和图5(a)～(b)可知：优化方案使得地下2层温度分布超标的区域大大减少，热环境改善效果显著；地下1层以及地上1、2层热环境也明显改善。工况1与优化设计方案比较，汽轮机房内的平均温度和温度超过40 ℃的网格点占总网格数的百分比进行统计，如表3所示。
设计方案比较 平均温度/℃ 温度超过40 ℃的网 格点所占的百分比/% 工况1 33.5 10 优化设计方案 32.0 2 Table 3.
Heat environment parameter comparison in workshop 工况1与优化设计方案比较，对汽轮机房地下2层几个泵周边的温度进行对比，见表4。
设计方案比较 给水泵周边1 m范围内 闭式冷却水泵周边1 m范围内 1～2号低加疏水泵周边1 m范围内 3号低加疏水泵周边1 m范围内 凝结水泵周边1 m范围内 工况1 54 49.5 46.3 31.4 40.8 优化设计方案 35.8 34.1 31.7 30.5 36.7 Table 4.
Temperature comparison around pump ℃ 由表4可见，优化设计方案使得汽轮机房地下2层的泵周边1 m范围内的温度大大降低，满足设备运行要求。
4.1 初步方案模拟结果
4.2 方案优化
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本文采用CFD软件对核电厂常规岛汽轮机房室内热环境进行了模拟、分析和评价。CFD精细的预测结果，能够为热车间的通风设计提供切实可行的设计策略和方案修正手段，采用CFD的设计方法能够挖掘通风系统的设计亮点，提供了可靠的设计手段，结论如下：
1)采用CFD软件对其室内热环境进行模拟计算，比常规的通风计算更直观，且能看清汽轮机房内各区域的温度分布情况，对方案的修改具有指导意义。
通过计算，核电厂汽轮机房通风设计方案最终采用的方案为：汽轮机房地下1层沿厂房长度方向的两排柱子间全部开敞的工况，在地下2层离地2 m高处，沿横向G轴和A轴靠给水泵侧设置8台诱导风机，每台诱导风机送风量6 000 m3/h，沿纵向10轴靠闭式冷却水泵侧设置4台新风机，新风管从标高▽0 m处向下延伸到地下2层后在新风管侧壁开出风口，每台新风机送风20 000 m3/h。即汽轮机房通风采用工况1修改后的优化设计方案。地下▽-7.5 m层设置7台50 000 m3/h的辅助通风机和屋面层设置48台50 000 m3/h，经CFD软件模拟计算，该通风方案是可行的，能够较好地满足设备运行环境的要求。
2)汽轮机房通风优化方案理论上温度超过40 ℃的网格点所占的百分比为2%，比例很小，而大部分区域的温度都在35 ℃以下，可以满足温度场的要求。
3)采用了CFD软件对其室内热环境进行模拟分析，可以直观地显示热车间各点的环境温度，对原设计方案的修正能够做到随心所欲，其精细化程度是常规设计无法比拟的。
4)汽轮机房设备及管道的发热量数据应该由供货商分别提供，其数据和建模的准确性是CFD热环境能耗模拟是否准确的关键因素。
5)本文研究成果仅为数值模型阶段，拟在该核电厂建成之后，对常规岛汽轮机房内的热环境进行现场测试，通过现场测试验证数值模型方法的正确性，从而为今后核电厂汽轮机房通风方式积累科学的设计依据。
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