基于崇明生態(tài)島建設(shè)的滬崇隧道搭載電力電纜輸送通道熱場研究

李紅雷 賀 林 楊凌輝 陳洪濤 上海市電力公司電力科學(xué)研究院

隨著城市用電負荷的快速增長，電纜化供電模式以及相應(yīng)的電纜敷設(shè)方式得到越來越廣泛的應(yīng)用。同時由于地下資源緊張、以及經(jīng)費方面的原因，利用交通隧道敷設(shè)高壓電力電纜可能成為必然的選擇。

城市地下管道綜合走廊，又被為“共同溝”，它將市政、電力、通信、燃氣、給排水等各種管線集于一個隧道空間，在西方已有100多年的歷史，我國目前也在試點推廣。財政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部開展中央財政支持地下綜合管廊試點工作，中央財政對地下綜合管廊試點城市給予專項資金補助，直轄市每年5億元，省會城市每年4億元，其他城市每年3億元。

但是，在交通隧道中輸送電力的電纜，其發(fā)熱是否會對交通隧道的使用帶來安全隱，迄今為止尚未見研究成果發(fā)表。本文以敷設(shè)于交通隧道中的220 kV滬崇蘇電纜線路為例，研究電纜發(fā)熱及其導(dǎo)致的通道內(nèi)溫度升高，分析發(fā)熱對周圍市政設(shè)施的影響。目的是輸電通道能充分發(fā)揮電纜的輸電能力，又能將隧道溫度控制在允許的范圍內(nèi)，保證整個隧道的安全性。

1 滬崇蘇電纜工程的必要性

上海市政府2005年制定的《崇明三島總體規(guī)劃（2005－2020年）》，把崇明本島的生態(tài)保護、恢復(fù)和重建放在優(yōu)先突出位置，同時努力建立低碳型的經(jīng)濟發(fā)展和社會消費模式，協(xié)調(diào)經(jīng)濟社會發(fā)展和保護生態(tài)環(huán)境關(guān)系。依托科技創(chuàng)新，推行循環(huán)經(jīng)濟，發(fā)展低碳型的生態(tài)產(chǎn)業(yè)，積極有效地控制碳排放強度，努力將崇明本島建成環(huán)境和諧優(yōu)美、資源集約利用、經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展的現(xiàn)代化生態(tài)島。

崇明電網(wǎng)原有電源為堡鎮(zhèn)電廠，裝機容量為165 MW，其中14號機容量為55 MW、15號機容量為60 MW、16號機容量為50 MW。根據(jù)崇明三島總體規(guī)劃中污染減排的嚴格要求，大規(guī)模的燃煤電廠與崇明“生態(tài)島”的戰(zhàn)略定位極不相符。此外，由于崇明和長興均具有孤立海島的特性，其電力供給受到電力通道的限制，因此建設(shè)2回上海大陸至崇明三島的電纜線路，一方面可緩解三島目前面臨的供電緊張問題，另外對崇明島將來關(guān)停燃煤電廠創(chuàng)造條件。

2 電纜隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

（1）電纜隧道的結(jié)構(gòu)

滬崇蘇電纜工程，利用滬崇蘇大通道（其中浦東至長興為過江隧道，分為上行及下行2條隧道；長興至崇明為大橋）敷設(shè)220 kV電力電纜。本文主要研究隧道部分的熱場分布，在隧道的最初方案中并未考慮敷設(shè)高壓電力電纜，所以隧道通風散熱的設(shè)計也未考慮電力電纜的發(fā)熱量。

隧道工程全長約8.9 km，將每條隧道（上行及下行隧道）內(nèi)分割的電纜通道作為高壓電纜隧道，整個隧道分隔為4個部分（如圖1），地面以上是高速公路通道，地面以下中間是軌道交通，內(nèi)側(cè)（即靠近另一條隧道一側(cè)）用于逃生通道和放置隧道自用的電力線路和變壓器等設(shè)備，外側(cè)是電力電纜通道。隧道混凝土壁面以外為長江江底土壤。

電纜通道的截面為近似扇形截面（如圖2），高度2.93 m（從集水溝鋼格柵板到通道頂），寬度2.5 m。電纜通道與土壤接觸面為弧形，散熱周長約為5.9 m（指襯砌外壁，包括集水溝下面的部分）。在電纜通道中，上下兩組電纜靠內(nèi)側(cè)壁面架設(shè)。

（2）模型邊界條件

電纜隧道模型主要由隧道的截面形狀尺寸、埋地深度、通風情況、電纜隧道四周散熱介質(zhì)（土壤及混凝土）的熱阻系數(shù)、土壤溫度要素組成。

圖1 長江隧道整體剖面圖

圖2 電纜通道剖面圖

本項目的研究對象與常規(guī)隧道有所不同，常規(guī)隧道上下左右4個面都直接接觸土壤，可以散熱[1][2]。滬崇蘇隧道中，電纜通道一側(cè)和底部為土壤，頂部為高速公路，另一側(cè)作為軌道交通通道。軌道交通通道內(nèi)依靠機車行駛的活塞作用，與外部進行熱量交換。公路通道內(nèi)也有空調(diào)設(shè)施。地鐵通道和汽車通道都有各自的散熱途徑，但其散熱能力、溫度控制范圍、以及與電纜通道的熱交換情況，目前尚難以準確估算。在計算中為簡化問題、從嚴考慮，將毗鄰地鐵和汽車通道的隧道壁視為隔熱層，不考慮其熱交換作用。

該電纜通道截面積只有約6㎡，長度約8.9 km，同時由于隧道穿越長江，沿途沒有布置豎井通風，除進口出口外，整個通道近似為全封閉。在這樣的通道內(nèi)進行通風散熱，風阻非常大，進出口處的風速和隧道中部的風速相差很大。所以，計算中不考慮風機強制通風散熱的情況，而且由于截面積小，電纜通道內(nèi)的空氣沿隧道長度方向基本上是不流動的，即可以忽略沿隧道長度方向的熱量傳遞。

因此，電纜通道僅依靠一側(cè)和底部的、與土壤的弧形接觸面進行散熱?？梢暈橐粋€二維的傳熱問題，可用兩維熱傳遞模型計算電纜通道內(nèi)的溫度場。

電纜通道距離江底越深，散熱條件越差，數(shù)學(xué)模型按最深處的隧道考慮，即電纜通道中心距離江底30 m。江底由于水的流動，會不斷帶走熱量，所以這里將江底視為等溫層。交聯(lián)聚乙烯電纜的運行溫度要求為電纜導(dǎo)體＜90℃。一般認為，隧道內(nèi)溫度不應(yīng)超過40℃。所以，如果隧道內(nèi)溫度計算結(jié)果＜40℃，則認為電力電纜發(fā)熱不會影響市政交通隧道的正常使用。

（3）電纜參數(shù)及工況

計算對象為YJLW03型電纜、電壓等級220 kV、導(dǎo)體截面積為800 mm2的銅芯XLPE絕緣皺紋鋁護套電力電纜。該電纜芯為5分割銅導(dǎo)體，外護套材料為聚乙烯。每個電纜通道內(nèi)敷設(shè)6根單芯電纜，兩條隧道共12根單芯電纜。電纜敷設(shè)方式為三角形緊密排列方式，金屬護套接地方式為：等距離交叉互聯(lián)單點接地。電纜支架為非鐵質(zhì)結(jié)構(gòu)。

滬崇蘇電纜為雙拼電纜，即一共只有2個回線，每一個回線由兩路電纜并聯(lián)組成。電纜在入隧道前進行了交叉，結(jié)果是，兩條電纜通道內(nèi)的上支架的兩路電纜屬于同一回線，下支架的兩路電纜屬于另一回線。當一回線電纜發(fā)生計劃或非計劃停運時，每個通道內(nèi)均是一個支架上的電纜停電，另一個支架上的電纜正常運行。

在夏季負荷高峰極端情況下，日最高負荷可能達到400 MW。該負荷由兩回線電纜共同承擔，每根電纜的電流為262.4 A。根據(jù)電力系統(tǒng)可靠性的“N-1”原則，當出現(xiàn)一回線停運時，另一回線承擔全部負荷，即每個電纜通道內(nèi)，一個支架上的電纜輸送200 MW的負荷（每根電纜的電流為525 A），另一支架上的電纜停運（如圖3示），這是發(fā)熱量最大的工況（稱為N-1工況）。不過實際上，單回線運行時間非常短，一般不超過1 d。

另外，從上海市以往的日負荷曲線看，日平均負荷率為0.68，可將其作為滬崇蘇電纜的負荷率。

圖3 電纜不同的運行工況

3 建模及計算分析

本項目采用國際通用的專業(yè)載流量軟件CYMCAP進行計算，CYMCAP是由CYME International、Ontario Hydro 電力公司及 McMaster大學(xué)，在加拿大電氣協(xié)會 (Canadian Electricity Association) 贊助下共同合作開發(fā)的 ，并在世界上得到了廣泛的應(yīng)用和認可。

根據(jù)前述的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和模型參數(shù)，CYMCAP的電纜隧道模型示意圖如圖4，模型參數(shù)為隧道的截面尺寸：1.8 m寬×2.4 m高；隧道埋地深度：隧道中心距離河床30 m。土壤的熱阻系數(shù)：0.72（K·m / W）。

圖4 CYMCAP電纜隧道模型

根據(jù)電纜不同的運行方式，有如下6種工況。

工況1：穩(wěn)定負荷2×263 A

在正常運行方式下（雙回線運行），每根電纜的負荷率始終為100%，穩(wěn)定載流量＝400MW/2(回)/2(雙拼)/220 kV/1.732＝263 A。

工況2：穩(wěn)定負荷1×525 A

在N-1運行方式下（僅1回線運行），每根電纜的負荷率始終為100%，穩(wěn)定載流量＝400MW/1(回)/2(雙拼)/220kV/1.732＝525A。

工況3：周期負荷2×263 A

在正常運行方式下，每根電纜承受周期性負荷（負荷率0.68），將263 A作為日最大負荷，計算穩(wěn)定（或趨于穩(wěn)定）值。

工況4：周期負荷1×525 A

在N-1運行方式下（僅1回線運行），每根電纜承受周期性負荷（負荷率0.68），將525A做為日最大負荷，計算穩(wěn)定（或趨于穩(wěn)定）值。

工況5：以隧道溫度＜40℃作為約束條件，計算正常工況時，周期負荷下的電纜最大輸送容量。

工況6：以隧道溫度＜40℃作為約束條件，計算N-1工況時，周期負荷下的電纜最大輸送容量。

CYMCAP的各工況下電纜導(dǎo)體和隧道內(nèi)溫度計算結(jié)果見表1。

表1 各工況下電纜導(dǎo)體和隧道溫度計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，不論是正常運行方式還是N－1運行方式下，不論是周期性負荷還是負荷率始終為100%情況下，均符合電纜導(dǎo)體溫度＜90℃和隧道內(nèi)溫度＜40℃要求。電纜發(fā)熱引起的溫升，既不會影響電纜安全運行，也不會影響隧道內(nèi)高速公路和軌道交通的正常使用。

4 節(jié)能減排分析

隨著西南大規(guī)模清潔水電通過電纜送入該區(qū)域，崇明相關(guān)電廠目前已關(guān)停。按照2010年的發(fā)電機組運行情況，兩個發(fā)電廠年發(fā)電量約7億kwh。以此估算，改用電纜通道輸送清潔水電，每年節(jié)約標煤近21萬t，減少二氧化碳排放56.7萬t。根據(jù)常用燃料排污系數(shù)，減排效果估算結(jié)果見表2。污染物排放量的大幅下降有效支撐了崇明生態(tài)島的建設(shè)，獲得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

表2 崇明島電廠減排效果估算 萬 t

5 結(jié)論

（1）電纜熱場分析

采用國際專業(yè)CYMCAP軟件進行計算，在最苛刻的工況下（N-1運行方式，電纜輸送容量為400MW、負荷率為100%），電纜導(dǎo)體溫度為44.9℃、隧道內(nèi)溫度為33.4℃，符合電纜導(dǎo)體溫度＜90℃、隧道內(nèi)溫度＜40℃要求。電纜的發(fā)熱既不會影響電纜安全運行，也不會影響隧道內(nèi)高速公路和軌道交通的正常使用。

計算結(jié)果表明，滬崇蘇市政隧道搭載高壓電力電纜，電纜發(fā)熱引起的溫升是安全的，能量輸送是可行的。

（2）效益及展望

隨著滬崇蘇電纜投入使用，崇明相關(guān)電廠已停止運行，污染物排放量大幅下降，經(jīng)濟社會效益顯著。滬崇蘇電纜工程是構(gòu)筑能源互聯(lián)通道、建設(shè)崇明綠色生態(tài)島的重要技術(shù)條件。

伴隨著我國的城鎮(zhèn)化進程，以及消納大規(guī)模清潔水電的需求，電纜通道資源緊張、電纜過載等問題將會在各城市逐漸增多；利用交通隧道敷設(shè)高壓電力電纜、以及建設(shè)城市地下管道綜合走廊，符合資源集約化應(yīng)用的思想，將會有越來越多的應(yīng)用。

[1].Manabu S, Shinichi I. Genetic algorithm based real-time rating for shorttime thermal capacity of duct installed power cable[A]. Proceedings of the V Brazilian Conference on Neural Networks[C], 2001.

[2].馬國棟. 電線電纜載流量[M]. 北京:中國電力出版社，2003.