GIL管廊的通風(fēng)效果模擬分析

甘 露，梁佳琪，徐大坤，張 磊，李晨陽(yáng)

（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，?jì)南 250013；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院 寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090）

近年來(lái)，“馬路拉鏈”“空中蜘蛛網(wǎng)”等問(wèn)題逐漸引起社會(huì)關(guān)注，而地下綜合管廊由于充分利用地下空間、顯著提高各類管線的安全與壽命等優(yōu)點(diǎn)得到迅速發(fā)展[1]。GIL是氣體絕緣輸電線路的簡(jiǎn)稱，其優(yōu)點(diǎn)有載流量大、單位損耗低、不受環(huán)境影響和故障率低等[2]，在地下管廊中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于地下綜合管廊位于封閉的地下空間，GIL管線在工作時(shí)會(huì)散發(fā)大量熱量及水汽，增加管廊內(nèi)部溫濕度，給微生物的滋生創(chuàng)造了條件[3]，從而導(dǎo)致線纜使用壽命縮短及影響維護(hù)工作等問(wèn)題。因此，需要對(duì)綜合管廊設(shè)置可靠的通風(fēng)系統(tǒng)。如借助自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)等手段實(shí)現(xiàn)管廊的通風(fēng)換氣，排出管廊內(nèi)的熱量，提高管廊內(nèi)空氣質(zhì)量，維持合理的氣流組織形式，為工作人員提供足夠的新鮮空氣。同時(shí)，當(dāng)SF6氣體超限和火災(zāi)發(fā)生時(shí)，合理的通風(fēng)系統(tǒng)有利于及時(shí)排出有害氣體，控制火災(zāi)煙氣彌漫及災(zāi)后排除煙氣，降低損失[4]。

在綜合管廊數(shù)值模擬方面，徐亮等[2]研究發(fā)現(xiàn)在空氣流速低于10 m/s時(shí)，GIL溫度隨著空氣流速的增加而快速下降；白思卓等[5]通過(guò)對(duì)比機(jī)械排風(fēng)與誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)2種通風(fēng)方式，得出誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)可增大管廊內(nèi)平均風(fēng)速；李哲等[6]發(fā)現(xiàn)隨著斷面風(fēng)速的增大，空氣溫度最高點(diǎn)逐漸從電纜周圍轉(zhuǎn)移至排風(fēng)口處；葉爽等[7]對(duì)綜合管廊的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)排風(fēng)口附近空氣溫度較高。

本文結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)濟(jì)南某地下GIL管廊進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)夏季室外空氣溫度及電纜工作情況，設(shè)置不同模擬工況，并對(duì)各個(gè)工況管廊內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行分析。通過(guò)模擬結(jié)果，校核工程設(shè)計(jì)的合理性，并對(duì)設(shè)計(jì)通風(fēng)方式提出建議，為其他管廊工程設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 工程介紹

濟(jì)南某GIL地下管廊工程全長(zhǎng)共計(jì)305 m，其中前290 m標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為6 m×4.5 m，后15 m標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為4.2 m×4.5 m。管廊內(nèi)的GIL雙側(cè)2回布置，左右兩側(cè)各1回，每回3相，共6相，管廊斷面圖如圖1所示。

GIL管廊通風(fēng)系統(tǒng)采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)設(shè)備采用柜式離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)設(shè)置在500 kV配電裝置樓頂部排風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)，通過(guò)風(fēng)管與GIL管廊連接；GIL管廊終端處進(jìn)風(fēng)豎井，進(jìn)風(fēng)豎井布置防雨百葉窗，通過(guò)百葉窗進(jìn)風(fēng)。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

在管廊建模過(guò)程中，采取合理簡(jiǎn)化。將前段管廊簡(jiǎn)化為長(zhǎng)290 m，高7.7 m，寬6.2 m的長(zhǎng)方體；后段管廊簡(jiǎn)化為長(zhǎng)15 m，高5.2 m，寬5.5 m的長(zhǎng)方體；GIL斷面簡(jiǎn)化為直徑700 mm的圓形；送風(fēng)口斷面尺寸為2 m×2 m，共4個(gè)，布置在管廊進(jìn)口頂部；排風(fēng)口斷面尺寸為2 m×1 m，共2個(gè)，布置在管廊尾部上側(cè)；不考慮電纜支架等對(duì)管廊熱環(huán)境的影響，管廊物理模型如圖2所示。

圖2 GIL管廊物理模型立體圖

對(duì)管廊幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮周圍土壤與管壁之間的換熱，最小網(wǎng)格質(zhì)量0.48，模型網(wǎng)格斷面圖如圖3所示，網(wǎng)格數(shù)量為223萬(wàn)。

圖3 模型網(wǎng)格斷面圖

2.2 工況設(shè)置

本次模擬共考慮夏季4種工況，按進(jìn)風(fēng)溫度分為極端溫度與通風(fēng)溫度，按運(yùn)行工況分為正常工況與事故工況，具體研究工況設(shè)置見表1。

表1 模擬各工況條件設(shè)定

2.3 邊界條件

（1）進(jìn)風(fēng)口處，設(shè)置壓力入口，進(jìn)風(fēng)溫度按各工況對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算；出風(fēng)口為速度出口，出口速度按工程計(jì)算值6 m/s計(jì)算，其余壁面簡(jiǎn)化為絕熱壁面，不考慮換熱。

（2）管廊隧道外土壤溫度為非恒溫變化，計(jì)算土壤對(duì)管廊內(nèi)壁的傳熱，分別考慮管廊上部、側(cè)面及下部的土壤溫度。

（3）GIL管道發(fā)熱量正常工況下按71 W/（m·根）計(jì)算，事故工況下按235 W/（m·根）計(jì)算。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 空間溫度場(chǎng)結(jié)果分析

由圖4可看出，管廊內(nèi)空氣溫度受進(jìn)風(fēng)溫度影響很大。如工況1和工況3所示，在進(jìn)風(fēng)溫度為通風(fēng)溫度（30.9℃）時(shí)，管廊內(nèi)整體溫度低于37℃；而工況2和工況4的進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)置為極端溫度（40.5℃），管廊內(nèi)上部空氣溫度始終較高。對(duì)于工況4，在距離進(jìn)風(fēng)口40 m范圍內(nèi)，由于空氣擾動(dòng)劇烈，增強(qiáng)了與壁面的對(duì)流換熱，使得此段區(qū)域溫度有一定降低，而其余區(qū)域均出現(xiàn)高于42℃的情況，此時(shí)不利于設(shè)備正常運(yùn)行和工作人員的檢修。

圖4 各工況GIL管廊中截面溫度云圖

由于GIL管線的沿途散熱，管廊內(nèi)空氣溫度沿Z軸負(fù)方向（管廊長(zhǎng)度方向）逐漸升高，在排風(fēng)口附近達(dá)到最高溫度。當(dāng)空氣流動(dòng)至前后段管廊尺寸變化處，局部阻力損失較大，導(dǎo)致空氣流速減小，換熱能力下降，出現(xiàn)局部溫度升高現(xiàn)象。

圖5為各工況距進(jìn)風(fēng)口50 m處截面溫度云圖，從圖中可看出，低溫壁面對(duì)管廊內(nèi)空氣的降溫效果顯著，在極端進(jìn)風(fēng)溫度時(shí)更為明顯。位于底部的GIL管線表面溫度較低，位于頂部的GIL管線表面溫度較高，這是由于GIL管線發(fā)熱加熱周圍空氣，空氣受熱密度降低從而上升，在頂部與低溫壁面換熱后溫度降低而下沉。工況1和工況2是6根GIL管線同時(shí)運(yùn)行的正常工況，左右兩側(cè)空氣溫度情況基本相同，在兩側(cè)GIL管線中間區(qū)域的空氣溫度較高；工況3和工況4是左側(cè)3根GIL管線同時(shí)運(yùn)行的事故工況，由圖5可看出左側(cè)空氣溫度整體較高，此時(shí)管廊內(nèi)截面處存在局部溫度較高的現(xiàn)象。事故工況下單根電纜的發(fā)熱量高于正常工況，因此會(huì)造成電纜周圍局部溫度過(guò)高，溫度場(chǎng)分布不均勻，通風(fēng)效果差，應(yīng)定期對(duì)管廊進(jìn)行檢修維護(hù)，盡量避免此種工況。

圖5 距進(jìn)風(fēng)口50m處截面溫度分布圖

3.2 空間速度場(chǎng)結(jié)果分析

由圖6可看出，風(fēng)速分布趨勢(shì)為：靠近GIL管線及壁面處空氣流速較低，兩側(cè)管線之間風(fēng)速高。距進(jìn)風(fēng)口40 m范圍內(nèi)空氣氣流形式為湍流，風(fēng)速梯度變化很大，空氣換熱效果好，接觸充分；40 m之后湍流強(qiáng)度變小，隨后氣流形式變?yōu)閷恿?，斷面平均速度下降?m/s左右，速度分布較均勻。在前后段管廊尺寸變化處及排風(fēng)口處由于截面收縮，出現(xiàn)局部速度增大的情況。

圖6 管廊Z軸方向不同截面速度云圖

3.3 建議

通過(guò)對(duì)此GIL管廊工程的模擬研究，發(fā)現(xiàn)已有的設(shè)計(jì)方案在夏季通風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度條件下，管廊內(nèi)溫度低于37℃，滿足規(guī)范要求；但對(duì)于夏季極端進(jìn)風(fēng)溫度的處理能力較弱，在事故工況時(shí)管廊出口空氣溫度超過(guò)42℃，高于規(guī)范[8]中限值40℃。

對(duì)該方案提出以下改進(jìn)建議：

（1）夏季通風(fēng)溫度條件下，雖然滿足規(guī)范要求，但存在能耗過(guò)大的情況，可增設(shè)自動(dòng)控制溫控系統(tǒng)，在室外溫度較低時(shí)關(guān)閉風(fēng)機(jī)，減小出風(fēng)速度以降低能耗。

（2）增加風(fēng)口數(shù)量，風(fēng)口的增加有利于管廊內(nèi)空氣充分換熱，使熱量及時(shí)排出，提高通風(fēng)效率，取得最佳的氣流組織效果，同時(shí)達(dá)到更加經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的。

（3）在夏季極端天氣工況下，可輔助簡(jiǎn)單制冷設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)，如在管廊兩端設(shè)置冷卻風(fēng)機(jī)[9]或增加誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)[5]來(lái)降低管廊內(nèi)溫度，否則管廊內(nèi)溫度會(huì)大大升高，達(dá)不到通風(fēng)換熱效果。

4 結(jié)論

（1）管廊內(nèi)空氣溫度受進(jìn)風(fēng)溫度影響較大，在夏季通風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度工況下管廊內(nèi)空氣最高溫度為37℃，夏季極端進(jìn)風(fēng)溫度工況下，管廊出口區(qū)域溫度達(dá)到42℃，高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的限值40℃，在工程設(shè)計(jì)時(shí)要考慮夏季室外極端溫度的影響。

（2）由于GIL管線沿途散熱，管廊內(nèi)空氣溫度沿管廊長(zhǎng)度方向逐漸升高，在排風(fēng)口附近達(dá)到最高溫度。當(dāng)空氣流動(dòng)至前后段管廊尺寸變化處，局部阻力損失較大，導(dǎo)致空氣流速減小，換熱能力下降，出現(xiàn)局部溫度升高現(xiàn)象。

（3）進(jìn)風(fēng)口40 m范圍內(nèi)空氣擾動(dòng)劇烈，溫度變化劇烈，隨后變?yōu)閷恿鳎瑴囟燃八俣确植驾^均勻。空氣流動(dòng)速度對(duì)通風(fēng)散熱有正向影響，合理的出風(fēng)速度設(shè)計(jì)能夠增強(qiáng)換熱。