基于淺埋當(dāng)量圓柱體熱工的電力管廊通風(fēng)研究

高君鵬

中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

隨著我國(guó)城市規(guī)模發(fā)展，城市內(nèi)的配套管線日益繁多。地下管廊以其占地面積少，地面視覺效果優(yōu)，檢修便利性高等眾多優(yōu)勢(shì)，自誕生以來迅速得到各城市的青睞[1]。但隨著管廊建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，管廊體量也逐步攀升，伴隨而來的是管廊內(nèi)部的各類環(huán)境問題，包括艙內(nèi)熱環(huán)境、空氣質(zhì)量等。其中熱環(huán)境以電力管廊尤為突出，現(xiàn)階段城市紛紛將高壓電纜包括220 kV，110 kV等電纜置入地下電力管廊內(nèi)，該類型電纜截面尺寸大，載流量大，散熱量大[2]，且其運(yùn)行穩(wěn)定性需求極高。

鑒于電力管廊內(nèi)環(huán)境的重要性，需在電力管廊設(shè)計(jì)及建設(shè)階段，充分考慮電力管廊遠(yuǎn)期運(yùn)行工況，內(nèi)部最大電纜容量及正常運(yùn)行狀態(tài)下最大載流情況[3]。

目前關(guān)于電力管廊的研究同樣主要集中在電力管廊內(nèi)的熱源構(gòu)成、熱負(fù)荷、管廊通風(fēng)組織方案、縮尺寸實(shí)驗(yàn)研究等方面[4-5]。

在工程實(shí)踐過程中，針對(duì)大型高壓電力管廊，內(nèi)部散熱量極大，前人的研究未能提供較為明確且合理的負(fù)荷系統(tǒng)詳細(xì)的計(jì)算方案及完善的通風(fēng)方案。

1 研究場(chǎng)景的簡(jiǎn)化建立

1.1 物理場(chǎng)景

本文以株洲某高壓電力管廊工程設(shè)計(jì)為例，并進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取其中一個(gè)代表性的標(biāo)準(zhǔn)段為研究對(duì)象，抽象簡(jiǎn)化成如圖1及圖2所示的電力管廊模型。

圖1 電力管廊三維視圖

圖2 管廊風(fēng)井段斷面圖

1.2 電力管廊散熱規(guī)模確定

經(jīng)過前期預(yù)研及工程資料搜集，明確電力管廊遠(yuǎn)期兩艙設(shè)置相同的電纜，分別設(shè)置三回220 kV 電纜及三回110 kV電纜。本管廊位于全新開發(fā)區(qū)，開發(fā)力度極大，區(qū)塊可預(yù)見發(fā)展較為快速，本管廊為開發(fā)區(qū)的電力生命線，依據(jù)電力部門意見，為避免后期受環(huán)境溫度制約，初期設(shè)計(jì)按照電纜載流量滿載進(jìn)行研究。

遠(yuǎn)期電力管廊電纜 220 kV 電纜規(guī)格為2500 mm2，載流量為 2200 A。110 kV 電纜規(guī)格為1000 mm2，載流量為1500 A。將電力管廊視為封閉空間，在相對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，電纜的散量均會(huì)穩(wěn)定地散發(fā)到管廊內(nèi)，可不進(jìn)行電纜傳熱分析，采用下式進(jìn)行分析[6]。

式中：Pn為電纜的單位熱損失功率，W ；n為電纜芯數(shù)；I為電纜計(jì)算負(fù)荷電流，A ；A為電纜芯截面積，m m2；σL為電纜芯電阻率。

經(jīng)過研究確定電力管廊每標(biāo)準(zhǔn)艙散熱量約為148 kW。

1.3 電力管廊零星散熱構(gòu)成

電力管廊內(nèi)系統(tǒng)繁多，包含管廊自控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等。內(nèi)部散熱源也呈現(xiàn)出多樣化，包含燈具、風(fēng)機(jī)、水泵電動(dòng)機(jī)等設(shè)備散熱。管廊內(nèi)未除檢修外，無人長(zhǎng)期停留，不考慮人員的散熱。

考慮前期研究，電力管廊內(nèi)的零星散熱基礎(chǔ)計(jì)算資料缺乏，且相較于電纜散熱量較小，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，考慮電纜散熱量的1.05裕量系數(shù)。

電力管廊的總散熱量為133300 kcal/h。

2 通風(fēng)量理論計(jì)算研究

2.1 管廊簡(jiǎn)化分析

電力管廊常規(guī)埋深不大于6 m，地表溫度的周期性變化對(duì)，地下電力管廊的傳熱有一定的影響，本文研究基礎(chǔ)是基于淺埋地下建筑。經(jīng)前期研究，蒸汽滲透對(duì)壁面溫度的變化基本沒有影響[7]，故研究過程中忽略濕度影響，僅考慮溫度影響。計(jì)算過程中對(duì)淺埋建筑進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，鑒于電力管廊長(zhǎng)度方向規(guī)模較大，長(zhǎng)寬比遠(yuǎn)大于2，故將計(jì)算模型簡(jiǎn)化為當(dāng)量圓柱體。

2.2 管廊通風(fēng)量計(jì)算

依據(jù)簡(jiǎn)化后的淺埋當(dāng)量圓柱體的夏季通風(fēng)量計(jì)算公式詳見式（2）～（7）所示。其中邊界條件如下：株洲夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度為 32.9 ℃，電力管廊內(nèi)最高溫度不超過 40 ℃，最熱月洞外日平均溫度為 31.6 ℃，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)λ為2.2 kcal/(m·3h· ℃)，土壤導(dǎo)溫系數(shù)a為0.0037 m2/ h，換熱系數(shù)為7 kcal/(m·3h· ℃)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)λb為1.3 kcal/(m3· h ·℃)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)溫系數(shù)ab為0.003 m2/ h。

式中：G為夏季通風(fēng)量，kg/h；Q為熱負(fù)荷，kcal/h；Qs為地表面溫度年周期性波動(dòng)引起的壁面?zhèn)鳠崃?，kcal/h；C為空氣比熱，一般C=0.24 kcal/(kg·℃)；tmax洞室內(nèi)空氣最高溫度，℃ ；twx夏季通風(fēng)洞室外計(jì)算溫度，℃ ；tnd冬季洞室內(nèi)空氣日平均溫度，℃ ；A2為日周期性波動(dòng)傳熱計(jì)算參數(shù)；為日周期性波動(dòng)傳熱計(jì)算參數(shù)E2=2πλ0l，kcal/(h·℃)；M為壁面年周期性波動(dòng)傳熱計(jì)算參數(shù)，kcal/(h·℃)；N為壁面平均傳熱計(jì)算參數(shù)，kcal/(h·℃)，θ2為洞室外氣溫日周期性波動(dòng)幅度，℃ ；θs為地表面溫度年周期性波動(dòng)引起的避免傳熱，kc al/h；θd為地表面溫度年周期性波動(dòng)幅度，℃ ；為年周期性波動(dòng)溫度常數(shù)；hy為圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁面?zhèn)鳠崦娣e計(jì)算參數(shù)；B、a0、b0、c0為過程參數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，夏季最高溫度時(shí)單艙的最大通風(fēng)量為37320 m3/ h。

3 溫度場(chǎng)控制結(jié)果

據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，尚無采用淺埋當(dāng)量圓柱體的熱工理論計(jì)算管廊通風(fēng)量，為驗(yàn)證該方案在地下淺埋管廊的適用性，分析在設(shè)計(jì)最大通風(fēng)量的通風(fēng)工況下，管廊內(nèi)的溫度分布情況，本文采用 CFD 流體動(dòng)力學(xué)FLUENT進(jìn)行模擬分析。

3.1 模型簡(jiǎn)化建立

地下電力管廊主要包含電纜對(duì)管廊內(nèi)的空氣對(duì)流傳熱、管廊內(nèi)壁與內(nèi)部空氣的對(duì)流熱固耦合、電力管廊管壁的熱傳導(dǎo)、電力管廊管壁，本次對(duì)電力管廊工況簡(jiǎn)化分析，電力隧道雙洞為對(duì)稱，本次對(duì)其中單洞進(jìn)行計(jì)算。

地下土壤簡(jiǎn)化為恒溫邊界條件，電力管廊內(nèi)的電纜簡(jiǎn)化為等熱功率的散熱棒，具體簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖3所示：

圖3 電力管廊三維視圖

3.2 管廊熱工理論驗(yàn)證研究方案

為研究淺埋當(dāng)量圓柱體的熱工理論在電力管廊的適用性，本文在同一場(chǎng)景中選取多種通風(fēng)量進(jìn)行研究，研究方案見表1。

表1 電力管廊溫度場(chǎng)研究方案

3.3 管廊內(nèi)溫度場(chǎng)控制結(jié)果

為研究淺埋當(dāng)量圓柱體理論適用性，本文在研究不同通風(fēng)量對(duì)隧道通風(fēng)效果研究時(shí)，選取管廊縱向斷面的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，隧道內(nèi)的斷面溫度場(chǎng)見圖4。

圖4 不同通風(fēng)量電力管廊縱向溫度場(chǎng)分布圖

管廊內(nèi)的溫度由送風(fēng)井至出風(fēng)井，因受管廊內(nèi)電纜散熱影響，室外引入管廊的新風(fēng)溫度逐漸升高，排除后段電纜余熱的溫差逐漸減小，故導(dǎo)致管廊區(qū)段的后端熱量聚集，艙室內(nèi)的溫度逐漸升高。

選取隧道內(nèi) 50 m、100 m、150 m 三個(gè)位置斷面的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，隧道內(nèi)斷面溫度場(chǎng)見圖5、6。

圖5 Z1工況電力管廊斷面溫度場(chǎng)分布圖

圖6 Z2工況電力管廊斷面溫度場(chǎng)分布圖

以工況一：管廊按通風(fēng)量6次/h對(duì)管廊進(jìn)行通風(fēng)，在電力管廊斷面150 m位置處，出現(xiàn)管廊內(nèi)大范圍溫度超過50 ℃，絕大部分的管廊內(nèi)溫度均位于40 ℃以上。嚴(yán)重影響電纜的運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行壽命。

以工況二：淺埋當(dāng)量圓柱體理論計(jì)算通風(fēng)量對(duì)管廊進(jìn)行通風(fēng)，除緊鄰散熱電纜周邊極小范圍的空氣外，電力管廊內(nèi)絕大部分維度均維持在40 ℃以下，滿足電纜的運(yùn)行環(huán)境溫度要求。

經(jīng)模擬分析，采用淺埋當(dāng)量圓柱體理論進(jìn)行管廊通風(fēng)量計(jì)算，滿足控制管廊內(nèi)環(huán)境溫度要求，其計(jì)算方法應(yīng)用于電力管廊是適用的。

4 結(jié)語

1）本文以株洲某電力管廊為例，提出了采用淺埋當(dāng)量圓柱體的熱工理論計(jì)算管廊通風(fēng)量，經(jīng)理論計(jì)算、CFD仿真模擬及工程實(shí)例的應(yīng)用檢驗(yàn)證明合理可行，可為日后城市電力管廊的設(shè)計(jì)及計(jì)算提供新思路。

2）為避免遠(yuǎn)期電力管廊艙內(nèi)的溫度過高，影響后期電纜敷設(shè)，浪費(fèi)管廊預(yù)留空間，在管廊設(shè)計(jì)中，嚴(yán)格按照電力工藝專業(yè)遠(yuǎn)期電纜敷設(shè)需求進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。

3）因土壤的恒定溫度損益影響，管廊通風(fēng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮管廊壁與周邊土壤的熱對(duì)流降溫效應(yīng)，避免風(fēng)機(jī)設(shè)備選型過大，造成不必要的浪費(fèi)。

4）鑒于電力專用管廊散熱量較大，各艙室內(nèi)的通風(fēng)量較大，電力管廊艙室的通風(fēng)可按照防火單元設(shè)計(jì)，避免單個(gè)風(fēng)亭及風(fēng)機(jī)選型過大，影響路面的視覺效果。