泄漏孔徑對(duì)特高壓GIL管SF6泄漏影響的混合數(shù)值模擬

肖國(guó)鋒，何娜萍

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663）

GIL 是氣體絕緣金屬封閉輸電線路，常采用SF氣 體 絕 緣。SF具 有 優(yōu) 越 的 氣 體 絕 緣 特 點(diǎn)，在電力系統(tǒng)氣體絕緣保護(hù)中得到廣泛使用。高濃度SF氣體能造成人員窒息等安全事故的發(fā)生，若GIL管發(fā)生泄漏，可能嚴(yán)重危害工作人員健康安全。

由于設(shè)計(jì)、制造及安裝隱患均存在引發(fā)SF氣體泄漏事故的可能性，因此，盾構(gòu)管廊中除考慮排除GIL 發(fā)熱所需的通風(fēng)外，通過(guò)研究SF管廊內(nèi)泄漏擴(kuò)散的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的SF氣體泄漏事故的通風(fēng)方案具有十分重要的意義。

由于GIL 管存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)、內(nèi)外SF泄漏擴(kuò)散研究成果也頗為豐富。然而，這些研究成果大都偏向于局部結(jié)構(gòu)，對(duì)于具有千米級(jí)大跨度的實(shí)際盾構(gòu)管廊結(jié)構(gòu)，還亟待研究工作的加強(qiáng)，以提高工程應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)如圖1 所示，具有6 km尺度的特高壓盾構(gòu)管廊研究泄漏孔徑大小對(duì)管廊內(nèi)SF泄漏擴(kuò)散過(guò)程影響。

圖1 特高壓盾構(gòu)GIL管廊截面圖（長(zhǎng)6 km）Fig.1 Cross section of GIL shield tunnel（6 km length）

1 SF6泄漏擴(kuò)散主要影響因素

用于表征泄漏口大小的物理量，目前工程中普遍采用孔徑的概念，本文引用該定義。由于GIL管內(nèi)充注高壓的SF，其工作壓力基本介于0.4～0.5 MPa，本文設(shè)計(jì)中確定為0.5 MPa。因此，具有初始?jí)毫Φ腟F在泄漏口內(nèi)、外壓差的推動(dòng)下，在泄漏位置邊界處，將GIL 管內(nèi)SF的壓能迅速轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，獲得速度并在自身流動(dòng)物性影響下，在管廊內(nèi)進(jìn)行快速擴(kuò)散。擴(kuò)散受到管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及通風(fēng)條件的影響，并在通風(fēng)條件影響下逐步向下游擴(kuò)散，最終排出管廊。總的來(lái)看，泄露氣體在管廊內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程受泄漏源性質(zhì)、泄漏源初始?jí)毫?、泄漏量、有限空間內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向、障礙物等的影響。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 基本假設(shè)

為模擬SF從GIL 管泄漏口泄漏到空氣過(guò)程及擴(kuò)散過(guò)程，作如下計(jì)算假設(shè)：

1）SF與空氣的混合物為理想氣體，符合理想氣體方程。

2）SF泄漏速度由初始?jí)毫?、泄漏孔徑?jīng)Q定，過(guò)程中SF不與管廊內(nèi)中的氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

3）SF在泄漏過(guò)程中為湍流流動(dòng)狀態(tài)。

2.2 控制方程

對(duì)于本文所研究的SF在空氣中的擴(kuò)散流動(dòng)問題，其遵循的主要物理規(guī)律為質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律及組分守恒定律。這四個(gè)規(guī)律相應(yīng)的控制方程如下所示：

1）連續(xù)性方程

質(zhì)量守恒定律為單位時(shí)間內(nèi)，流體微元體表面流入質(zhì)量的總和等于微元體質(zhì)量的增量，由此可得式（1）流體連續(xù)性方程：

式中：為密度（kg/m）；為時(shí)間（s）；為速度矢量在方向上的分量（m/s）。

2）動(dòng)量方程

動(dòng)量守恒定律為單位時(shí)間內(nèi)流體微元體動(dòng)量的變化率為該微元體所受外界力之和，式（2）為動(dòng)量守恒方程：

式中：為壓力（N/m）；為粘性應(yīng)力（kg/m·s）；為體積力（N/m）。

3）能量方程

能量守恒定律為單位時(shí)間內(nèi)，流體微元體能量增量等于進(jìn)入微元體的熱流量加上體積力和表面力對(duì)流體微元體所做的功，式（3）為能量守恒方程：

式中：為比熱容［J/（kg·K）］；為溫度（K）；為傳熱系數(shù)［W/（m·K）］；S為粘性耗散（W）。

4）組分方程

組分守恒定律為單位時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)某化學(xué)組分質(zhì)量變化等于該組分通過(guò)系統(tǒng)表面的凈流量及化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分質(zhì)量之和。由于本文所研究?jī)?nèi)容不包含氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，因此忽略化學(xué)反應(yīng)一項(xiàng)。式（4）為組分s的組分方程：

式中：代表組分s的體積密度（kg/m）；為擴(kuò)散系數(shù)（m/s）。

2.3 邊界條件

結(jié)合本文研究對(duì)象的特點(diǎn)及物理過(guò)程，計(jì)算中對(duì)模型的邊界采取如下類型進(jìn)行設(shè)置：

1）管廊壁面采用wall邊界。

2）管廊進(jìn)、出口采用速度或壓力邊界。

3）管廊內(nèi)空氣設(shè)置溫度、速度邊界條件。

4）SF泄漏源采用初始?jí)毫蛩俣冗吔纭?/p>

3 SF6泄漏一、三維數(shù)值模擬對(duì)比

一維（1D）CFD 模擬具有計(jì)算速度快的特點(diǎn)，但對(duì)詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)流動(dòng)特性缺乏詳細(xì)解析；三維（3D）CFD 模擬具有內(nèi)部流動(dòng)特性解析精度高，但對(duì)于大跨度盾構(gòu)管廊存在計(jì)算相對(duì)耗時(shí)的缺點(diǎn)。為能夠?qū)崿F(xiàn)具有千米級(jí)大跨度的特高壓盾構(gòu)管廊SF的擴(kuò)散模擬，結(jié)合SF擴(kuò)散的時(shí)域特點(diǎn)，1D+3D CFD 耦合模擬的思想將被采用，即對(duì)于泄漏口附近復(fù)雜擴(kuò)散區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)Fluent 模擬，而對(duì)于擴(kuò)散形態(tài)穩(wěn)定后，隨通風(fēng)條件向下游推進(jìn)段采用Flowmaster 來(lái)模擬，實(shí)現(xiàn)通過(guò)1D+3D CFD 耦合分析手段達(dá)到6 km 大跨度尺度下整體管廊SF擴(kuò)散模擬目的。為此，對(duì)圖1 所示特高壓盾構(gòu)管廊結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)比Flowmaster 和Fluent 在管廊壓降和泄漏源泄壓過(guò)程之間的相對(duì)誤差（如表1所示）。

3.1 壓力平衡時(shí)間計(jì)算對(duì)比

利用Flowmaster元件庫(kù)相關(guān)元件并設(shè)置表1～表3 對(duì)應(yīng)邊界條件，獲得圖2 所示Flowmaster 1D 流動(dòng)計(jì)算模型。如圖3所示，利用三維CAD 建模并完成網(wǎng)格剖分，設(shè)置相同邊界條件，獲得圖3 所示Fluent 3D流動(dòng)計(jì)算模型。

表1 SF6泄漏氣體t=0時(shí)刻狀態(tài)Tab.1 State of SF6 leakage gas at t=0

表2 盾構(gòu)管廊氣體t=0時(shí)刻狀態(tài)Tab.2 Gas state in the UHV shield tunnel at t=0

表3 盾構(gòu)管廊流阻計(jì)算對(duì)比參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameters setting for flow resistance calculation and comparison

圖2 Flowmaster計(jì)算模型Fig.2 Flowmaster calculation model

圖3 Fluent計(jì)算模型Fig.3 Fluent calculation model

分別對(duì)圖2 和圖3 模型完成計(jì)算，獲得如圖4所示泄漏口出口壓力隨時(shí)間變化結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于盾構(gòu)管廊采用相同邊界設(shè)置條件下，F(xiàn)lowmaster 和Fluent獲得計(jì)算結(jié)果高度一致。SF泄漏源大氣壓力平衡時(shí)間計(jì)算對(duì)于管廊SF泄漏事故處理十分重要：較小的泄漏孔徑將對(duì)應(yīng)較長(zhǎng)的自然泄漏排放時(shí)間。Flowmaster 完成模型單次計(jì)算所需時(shí)間為分鐘級(jí)別，F(xiàn)luent 模型完成單次計(jì)算所需時(shí)間為小時(shí)級(jí)別，計(jì)算速度二者差別約為200 倍。因此，充分利用Flowmaster 的計(jì)算高效性，可快速獲得不同泄漏孔徑條件下的SF泄漏源大氣壓力平衡時(shí)間。

圖4 泄漏源壓力隨時(shí)間變化計(jì)算對(duì)比Fig.4 Calculation and comparison when leakage source pressure varies with time

3.2 管廊流阻特性計(jì)算對(duì)比

分別對(duì)上述模型建立表3 邊界條件，當(dāng)管廊壁面粗糙度為3 mm，風(fēng)速為5 m/s 條件下，F(xiàn)luent 計(jì)算獲得管廊上層結(jié)構(gòu)6 km 等效壓降為708 Pa；Flowmaster計(jì)算獲得管廊上層結(jié)構(gòu)6 km 等效壓降為732 Pa，兩者相對(duì)誤差為3.28%。

計(jì)算結(jié)果表明，無(wú)論對(duì)于泄壓時(shí)間還是管壓降計(jì)算，F(xiàn)lowmaster 和Fluent 對(duì)于具有統(tǒng)計(jì)意義的參數(shù)能夠獲得較為一致的計(jì)算結(jié)果。更進(jìn)一步，對(duì)于大跨度盾構(gòu)管廊泄漏模擬，采用1D+3D 耦合分析模型在耦合界面處具有良好的壓力、質(zhì)量流量耦合條件，具備滿足1D+3D耦合分析的完備條件。

4 SF6泄漏區(qū)域壓力平衡時(shí)間

泄漏事故發(fā)生并觸發(fā)報(bào)警后，管廊隨即轉(zhuǎn)入泄漏事故待處理狀態(tài)。對(duì)于泄漏事故報(bào)警設(shè)置、人員逃生及維護(hù)維修，問題歸結(jié)為實(shí)際已發(fā)生泄漏量、管廊內(nèi)SF濃度分布以及剩余泄漏氣體量。

此外，對(duì)于具體已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的管廊，泄漏擴(kuò)散存在較大的不確定性，在于實(shí)際發(fā)生的泄漏口面積未知。以下通過(guò)Flowmaster 軟件，給出泄漏口不同孔徑下，SF壓力平衡時(shí)間的計(jì)算結(jié)果。表4結(jié)果建立在表1～表2 的計(jì)算假設(shè)之上，僅對(duì)泄漏孔徑進(jìn)行改變，由此獲得不同泄漏孔徑下泄漏源壓力平衡所需時(shí)間。

表4 不同泄漏孔徑下SF6壓力平衡時(shí)間表Tab.4 Table of SF6 pressure balance time under different leakage pore sizes

圖5 不同泄漏孔徑下泄漏源大氣平衡所需時(shí)間Fig.5 Time required for atmospheric balance of leakage source under different leakage pore sizes

圖5所示的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)泄漏孔徑小于15 mm時(shí)，泄漏區(qū)域達(dá)到大氣壓力平衡所需時(shí)間將超過(guò)8.6 h。當(dāng)泄漏孔徑較小時(shí)，壓力平衡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致無(wú)法獲得計(jì)算結(jié)果。因此，計(jì)算從泄漏開始到1 000 s的壓力值。

改變泄漏孔徑進(jìn)行，計(jì)算泄漏發(fā)生1 000 s 后SF泄漏源出口的壓力值，如表5 所示。泄漏發(fā)生1 000 s后，當(dāng)泄漏孔徑小于一定數(shù)值，泄漏源出口壓力幾乎保持不變。

如圖6 和圖7 分別為泄漏孔徑0～500 mm 和0～100 mm 范圍內(nèi)，泄漏發(fā)生1 000 s后SF泄漏源出口的絕對(duì)壓力情況。圖6～圖7 計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)泄漏孔徑大于62.5 mm 時(shí)，1 000 s 后SF泄漏源取得大氣平衡結(jié)果，由于重力作用，GIL 管內(nèi)SF將不再排放到管廊內(nèi)。當(dāng)泄漏孔徑小于5.5 mm時(shí)，1 000 s后，SF泄漏源出口壓力幾乎保持不變。當(dāng)泄漏孔徑介于5.5～62.5 mm 范圍時(shí)，泄漏發(fā)生1 000 s后，SF泄漏源出口壓力隨泄漏孔徑增大而迅速降低。

綜合上述分析結(jié)果，可得出如下基本結(jié)論：

表5 不同泄漏孔徑下1 000 s后SF6絕對(duì)壓力Tab.5 SF6 absolute pressure after 1 000 sunder different leakage pore sizes

圖6 0～500 mm泄漏孔徑1 000 s后泄漏源絕對(duì)壓力Fig.6 Absolut pressure of leakage source after 1 000 s during which the leakage pore size remains within the range 0～500 mm

圖7 0～100 mm泄漏孔徑1 000 s后泄漏源絕對(duì)壓力Fig.7 Absolut pressure of leakage source after 1 000 s oduring which the leakage pore size remains within the range 0～100 mm

1）當(dāng)泄漏孔徑不大于5.5 mm 時(shí)，泄漏區(qū)域內(nèi)已泄漏的SF體積量十分有限，泄漏區(qū)域氣體自然排出時(shí)間到年級(jí)別。

2）當(dāng)泄漏孔徑不小于62.5 mm 時(shí)，在17 s內(nèi)泄漏區(qū)域達(dá)到大氣平衡，即理論上不再有泄漏氣體排出到管廊內(nèi)。

3）當(dāng)泄漏孔徑介于5.5 ～62.5 mm 范圍時(shí)，SF泄漏源壓力平衡時(shí)間對(duì)泄漏孔徑十分敏感。

以上結(jié)果，對(duì)于SF泄漏發(fā)生后，泄漏口處理對(duì)GIL 管更換及修復(fù)具有十分重要的技術(shù)意義。當(dāng)泄漏口初始孔徑大于5.5 mm 時(shí)，通過(guò)將泄漏孔徑處理到62.5 mm以上，能夠?qū)崿F(xiàn)快速搶修目標(biāo)。

5 SF6泄漏擴(kuò)散形態(tài)模擬

利用Flowmaster 軟件可獲得泄漏出口質(zhì)量流量隨時(shí)間變化結(jié)果，并利用Fluent UDF 功能作為Fluent 計(jì)算入口邊界條件。其他技術(shù)條件如表6～表7所示：

表6 泄漏工況泄漏源t=0時(shí)刻狀態(tài)Tab.6 SF6 leakage source state in working condition with leakage，at t=0

表7 泄漏工況管廊氣體t=0時(shí)刻狀態(tài)Tab.7 Gas state in the UHV shield tunnel，at t=0

5.1 靜止空氣條件下SF6泄漏擴(kuò)散模擬

實(shí)際泄漏報(bào)警裝置觸發(fā)報(bào)警后，特高壓盾構(gòu)管廊上部通風(fēng)裝置關(guān)閉后，SF在管廊上部順著風(fēng)速方向繼續(xù)向前推動(dòng)的物理?xiàng)l件被關(guān)閉，這更利于管廊下部結(jié)構(gòu)側(cè)吸、排出系統(tǒng)的工作效率發(fā)揮。因此，對(duì)該條件下SF擴(kuò)散形態(tài)進(jìn)行模擬。計(jì)算中管廊風(fēng)速取值為0 m/s，其他條件見表6～表7。

圖8～圖9 計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于SF重質(zhì)氣體，在流動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程中，擴(kuò)散形態(tài)會(huì)受到障礙物影響。同時(shí)，在靜止空氣中，SF擴(kuò)散過(guò)程受大密度影響，呈現(xiàn)整體底部堆積，并向四周快速擴(kuò)散形態(tài)。因此，建議SF報(bào)警裝置布置于管廊底部。

5.2 5 m/s通風(fēng)條件下SF6泄漏擴(kuò)散模擬

計(jì)算假設(shè)管廊上腔通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)始終保持開啟，上腔平均風(fēng)速取值為5 m/s，其他計(jì)算條件見表6～表7。圖10～圖11 計(jì)算表明，當(dāng)管廊風(fēng)速達(dá)到5 m/s 時(shí)，SF泄漏后將在管廊上部沿風(fēng)速向管廊下游迅速擴(kuò)散。此外，針對(duì)泄漏孔徑為5.5 mm 條件進(jìn)行了最低平均風(fēng)速設(shè)計(jì)優(yōu)化。結(jié)果表明，當(dāng)廊內(nèi)平均通風(fēng)風(fēng)速大于3.5 m/s 時(shí)，管廊內(nèi)由于SF單位時(shí)間內(nèi)泄漏量極少，廊內(nèi)除泄漏出口位置外，其余任意位置的SF濃度始終低于1 000 ppm。因此，當(dāng)泄漏孔徑不大于5.5 mm，且廊內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速不低于3.5 m/s時(shí)，可考慮自然排風(fēng)處理泄漏。

圖8 空氣靜止下泄漏t=1.0 s管廊SF6濃度分布/（mg·kg-1）Fig.8 SF6 concentration distribution in the UHV shield tunnel at t=1.0 s and 0（m·s-1）ventilation speed

圖9 空氣靜止下泄漏t=4.0 s管廊SF6濃度分布/（mg·kg-1）Fig.9 SF6 concentration distribution in the UHV shield tunnel at t=4.0 s and 0（m·s-1）ventilation speed

圖10 泄漏t=10.0 s管廊SF6濃度分布/（mg·kg-1）Fig.10 SF6 concentration distribution in the UHV shield tunnel at t=10.0 s and 5（m·s-1）ventilation speed

6 SF6泄漏事故工況基本分類

考慮到SF氣體存在工程允許的自然微漏，即在該條件下，通過(guò)正常排風(fēng)實(shí)現(xiàn)SF泄漏氣體排出，同時(shí)滿足不觸發(fā)泄漏報(bào)警，實(shí)現(xiàn)輕微泄漏條件免維護(hù)的設(shè)計(jì)要求。考慮到實(shí)際SF泄漏口存在不確定性，因此應(yīng)對(duì)泄漏事故可能存在的惡性程度進(jìn)行基本分類，并建立起相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。由于尚未有針對(duì)該問題的明確分類定義，本文給出可供后續(xù)共同探討的分類思路如下：

1）輕度泄漏工況：泄漏孔徑不大于5.5 mm時(shí)，當(dāng)廊內(nèi)平均風(fēng)速不低于3.5 m/s時(shí)，無(wú)需額外考慮SF吸收通風(fēng)設(shè)計(jì)、并滿足不觸發(fā)泄漏報(bào)警裝置條件。

2）中度泄漏工況：泄漏孔徑介于5.5～62.5 mm，泄漏報(bào)警后，采取SF強(qiáng)制性側(cè)吸、下層風(fēng)機(jī)排風(fēng)處理；10 min 內(nèi)，并設(shè)計(jì)合理?xiàng)l件，確保距離SF泄漏點(diǎn)位置前、后150 m范圍以外區(qū)域內(nèi)，SF濃度降低至1 000 ppm 安全限值內(nèi)；60 min 后，距離SF泄漏點(diǎn)前、后150 m范圍內(nèi)，SF濃度降低至1 000 ppm安全限值內(nèi)，管廊內(nèi)報(bào)警裝置完全解除報(bào)警。

3）重度泄漏工況：泄漏孔徑大于62.5 mm 時(shí)，泄漏報(bào)警裝置報(bào)警后，采取SF強(qiáng)制性下層側(cè)吸、排風(fēng)處理；10 min內(nèi)，管廊內(nèi)SF濃度降至1 000 ppm安全限值內(nèi)，管廊內(nèi)報(bào)警裝置完全解除報(bào)警。

上述準(zhǔn)則的建立考慮了泄漏孔徑、SF工作壓力、管廊大氣壓力、安全逃生時(shí)間及泄漏事故處理時(shí)間等基本因素。

圖11 泄漏t=110.0 s管廊SF6濃度分布/（mg·kg-1）Fig.11 SF6 concentration distribution in the UHV shield tunnel at t=110.0 s and 5（m·s-1）ventilation speed

7 結(jié) 論

盾構(gòu)管廊內(nèi)特高壓GIL 管采用SF作為絕緣性保護(hù)氣體，存在可能發(fā)生的泄漏安全事故。SF泄漏擴(kuò)散時(shí)間受初始工作壓力、灌注氣體量、不同泄漏孔徑的影響。SF在管廊內(nèi)的擴(kuò)散形態(tài)受SF重質(zhì)氣體特性、泄漏孔徑、工作壓力、管廊結(jié)構(gòu)及通風(fēng)條件的影響。泄漏孔徑作為關(guān)鍵不確定因素之一對(duì)泄漏事故程度定級(jí)、泄漏報(bào)警安全監(jiān)控、逃生方案設(shè)計(jì)、泄漏事故處理涉及到的SF氣體吸收、排放方式有重要影響。當(dāng)泄漏孔徑不大于5.5 mm 為輕度泄漏事故，當(dāng)廊內(nèi)平均風(fēng)速不低于3.5 m/s時(shí)，可采取自然通風(fēng)進(jìn)行排放，進(jìn)入免維護(hù)條件。當(dāng)泄漏孔徑介于5.5～62.5 mm時(shí)為中度泄漏事故，若要求泄漏發(fā)生數(shù)小時(shí)內(nèi)，取得廊內(nèi)SF濃度低于1 000 ppm的條件，應(yīng)采取氣體快速吸收、排放通風(fēng)設(shè)計(jì)方案的同時(shí)，采取合理的事故后期處理方式，明確危險(xiǎn)工作區(qū)域。當(dāng)泄漏孔徑大于62.5 mm 時(shí)為重度泄漏事故，為人體安全逃生設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，若要求泄漏發(fā)生后，將非安全距離（SF濃度＞1 000 ppm）控制在距離泄漏點(diǎn)前、后150 m 范圍內(nèi)，且數(shù)分鐘后管廊內(nèi)SF濃度即低于1 000 ppm 條件時(shí)，應(yīng)考慮SF氣體快速吸收、排放通風(fēng)設(shè)計(jì)方案。