張正維, 閔 絢, 戴 敏, 趙麗博, CHOWDHURY Amina, SAEED Tariq

(1. 奧雅納工程咨詢(上海)有限公司, 上海 200031; 2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司, 湖北 武漢 430074;3. 中南電力設(shè)計院有限公司, 湖北 武漢 430000; 4. Ove Arup & Partners International Ltd., 倫敦 B908AE)

0 引言

GIL(gas insulated metal enclosed transmission line)是氣體絕緣金屬封閉輸電線路的簡稱。與常規(guī)電纜相比,GIL具有傳輸容量大、損耗小、不受環(huán)境影響、運行可靠性高、節(jié)省占地等顯著優(yōu)點,在地下管廊中得到越來越多的應(yīng)用[1-3]。綜合管廊屬于封閉型地下構(gòu)筑物,廢氣的沉積、人員和微生物的活動都會造成管廊內(nèi)氧氣含量的下降。管廊內(nèi)敷設(shè)的GIL電纜等管線在運營時會散發(fā)大量熱量,因此整個管廊必須設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)[4-6]。綜合管廊排熱通風(fēng)分析主要有規(guī)范設(shè)計、數(shù)值模擬、模型試驗和現(xiàn)場實測4種方法[7-8]。設(shè)計規(guī)范主要用于常規(guī)管廊的排熱通風(fēng)分析[9]; 現(xiàn)場實測的費用昂貴,且周期較長,不適合指導(dǎo)項目早期的方案設(shè)計[10]; 模型試驗可得到工程所需要的各種數(shù)據(jù),但是試驗周期較長且試驗費用昂貴,不適合早期不同通風(fēng)方案的比選設(shè)計[7-8]。數(shù)值模擬(computational fluid dynamic, CFD)具有成本低、速度快的優(yōu)點,可同時快速模擬不同工況,且計算精度能夠滿足工程要求,廣泛用于方案設(shè)計階段[11-12]。當(dāng)前的分析方法主要針對具有獨立分區(qū)、通風(fēng)區(qū)間為百m級的管廊,且沒有考慮土體與管廊間的相互傳熱作用,以及艙內(nèi)管線和支架對溫度場與速度場的影響。

武漢譚鑫培路GIL管廊長度達到6.3 km,夏季酷熱,各通風(fēng)區(qū)間合用進風(fēng)塔與排風(fēng)塔,且沒有進行分區(qū)處理,需要對管廊排熱通風(fēng)問題進行專門研究。首先,基于IDA隧道模擬軟件建立GIL艙一維分析模型,分析當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)在夏季、冬季與過渡季節(jié)短期排熱下溫度場的變化,以及1年、10年和30年長期排熱下艙內(nèi)的溫度場、濕度場和壁面溫度變化。然后,基于計算流體力學(xué)軟件OpenFOAM建立GIL艙三維節(jié)段模型,分析電纜和支架對溫度與速度分布的影響,揭示GIL艙內(nèi)溫度場與速度場的分布規(guī)律。本文的分析方法、流程以及相關(guān)結(jié)論可為類似綜合管廊或隧道排熱通風(fēng)設(shè)計與規(guī)范修訂提供參考。

1 項目介紹

譚鑫培路地下綜合管廊位于武漢市江夏區(qū),包括起點端GIL單艙(長度約為0.145 km)、綜合管廊主艙(包括GIL艙、綜合艙及高壓電纜艙,長度約為2.29 km)、終點端GIL單艙(長度約為3.8 km)。綜合管廊布局和剖面圖如圖 1和圖 2所示。

GIL艙內(nèi)GIL管道為雙側(cè)2回布置,每側(cè)1回,每回3相,共6相。GIL艙正常工況為2回(6相)同時運行,每相額定電流為2 000 A;N-1工況為1回(3相)運行,1回停運時每相額定電流承載能力為3 900 A。GIL艙在2種工況下的發(fā)熱量如表1所示。

圖1 簡化的綜合管廊布局(單位: km)Fig. 1 Simplified layout of utility tunnel (unit: km)

圖2 綜合管廊剖面圖(單位: m)Fig. 2 Longitudinal profile of GIL utility tunnel (unit: m)

表1 2種工況下GIL艙的發(fā)熱量Table 1 Heat generated in GIL chamber under 2 working conditions

綜合考慮綜合管廊的坡度、地面情況,將GIL艙劃分為10個通風(fēng)區(qū)間,如圖 3所示。相鄰2個通風(fēng)區(qū)間的進風(fēng)(排風(fēng))合用1個進風(fēng)塔(排風(fēng)塔),各區(qū)間的通風(fēng)量(Q)如表2所示。GIL管廊采用自然進風(fēng)、機械排風(fēng)的組合方式來排熱,排風(fēng)溫度設(shè)計要求不超過40 ℃。平時運行時,GIL艙內(nèi)無人,通風(fēng)的目的是排除艙內(nèi)余熱。正常排熱工況下,每個排風(fēng)塔處的排熱風(fēng)機在夏季開啟3臺,1臺備用;在冬季開啟1臺,3臺備用。N-1排熱工況下則在正常運行基礎(chǔ)上增開1臺風(fēng)機。當(dāng)艙內(nèi)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到艙內(nèi)的溫度大于40 ℃時,逐序開啟排熱風(fēng)機,對艙內(nèi)進行排熱通風(fēng)降溫;當(dāng)排風(fēng)塔出口處的溫度小于35 ℃時,逐序關(guān)閉排熱風(fēng)機。

圖3 GIL艙排氣通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of exhaust ventilation system for GILchamber

2 排熱通風(fēng)分析

2.1 分析參數(shù)與模型建立

通過IDA隧道軟件建立一維模型,采用通用計算流體力學(xué)軟件建立三維節(jié)段模型,對本項目的排熱通風(fēng)分析進行全面研究。IDA隧道模擬軟件(IDA Tunnel)可全面模擬各種不同工況下的隧道通風(fēng)、防火通風(fēng)和煙氣擴散等。本文采用該軟件進行初始階段的短期模擬和深化階段的長期模擬,相應(yīng)的分析工況如表3所示。

在建立一維分析模型過程中進行如下假定: 1)管廊沒有分叉,其廊內(nèi)氣流不會與其他管廊混合; 2)艙室的橫截面面積在整個管廊長度內(nèi)保持不變,管廊內(nèi)混凝土墻壁的粗糙度取為3 mm。圖 4示出一維分析模型,圖中相關(guān)參數(shù)為夏季N-1模式下的通風(fēng)量。其中,管廊襯砌材料從內(nèi)到外分別為混凝土(厚0.40 m)、間隙(厚0.01 m,接觸電阻)、合成PVC(厚0.05 m,管廊隔離)和土壤(厚10 m)。采用該模型進行排熱通風(fēng)短期與長期分析。

表2 GIL 艙排熱通風(fēng)參數(shù)[9-13]Table 2 Heat exhaust ventilation parameters of GIL chamber[9-13]

表3 GIL艙排熱通風(fēng)工況[14-15]Table 3 Working conditions for heat exhaust ventilation in GIL chamber[14-15]

圖4 使用IDA Tunnel軟件建立的一維分析模型(單位: m3/s)Fig. 4 1D heat exhaust ventilation model established by IDA tunnel software (unit: m3/s)

短期模擬期間將施加14 d(336 h)相應(yīng)夏季、冬季與過渡季節(jié)下恒定溫度和相對濕度數(shù)據(jù),以快速評估方案設(shè)計階段管廊的通風(fēng)能力。短期分析中不同季節(jié)采取的氣象參數(shù)主要有: 1)過渡季節(jié)戶外通風(fēng)計算溫度為16.6 ℃,計算相對濕度為76%; 2)冬季戶外通風(fēng)計算溫度為3.7 ℃,計算相對濕度為77%; 3)夏季戶外通風(fēng)計算溫度為32 ℃,計算相對濕度為67%。長期模擬將基于典型年氣象數(shù)據(jù),用于評估通風(fēng)系統(tǒng)在深化階段的排熱通風(fēng)能力。長期模擬的天氣數(shù)據(jù)來自Energy Plus數(shù)據(jù)庫中武漢市的數(shù)據(jù)。長期模擬將考慮GIL艙30年(262 800 h)的時間范圍,尤其側(cè)重于第1年、第10年和第30年。由于這是一項長期研究,其結(jié)果受環(huán)境條件的季節(jié)性變化影響。

為了考慮電纜及支架對溫度與速度分布的影響,建立GIL艙的三維典型節(jié)段模型[16]?？紤]到夏季N-1工況GIL電纜的排熱量最大,在三維模型中主要分析該工況?；谕屑芘c維修箱的設(shè)計間距,確定GIL艙三維模型長度為10 m。

2.2 一維短期排熱分析

表4示出6種工況下各個區(qū)間的每h空氣變化率(air change per hour, ACH)與通風(fēng)量。從表中可以看出,在正常模式下,除冬季第7通風(fēng)區(qū)間的每h空氣變化率剛好滿足2次的設(shè)計要求外,其他工況均基本達到3次及以上,特別是過渡季節(jié),因而可對過渡季節(jié)的風(fēng)機進行進一步的優(yōu)化。在異常N-1模式下,每h空氣變化率在夏季與過渡季節(jié)都能滿足6次以上的設(shè)計要求,但在冬季的最小值為5.2次,比設(shè)計要求的6次偏低,需適當(dāng)增大冬季異常模式下的通風(fēng)量。

表4 短期分析不同通風(fēng)區(qū)間的每h空氣變化率與通風(fēng)量Table 4 ACH and ventilation volume in different ventilation zones obtained by short-term analysis

圖5示出6種工況下管廊不同位置的溫度變化。從圖中可以看出,夏季工況下廊內(nèi)溫度介于30～40 ℃,且夏季正常模式的最高溫度達到39.4 ℃?？紤]到武漢夏季極端情況下的最高溫度會高于分析時的32 ℃,需要通過長期分析對該問題進行進一步的校核。

圖5 短期分析不同工況GIL艙內(nèi)溫度變化Fig. 5 Temperature changes for different working conditions obtained by short-term analysis

上述分析結(jié)果表明,除冬季正常模式外,參考規(guī)范排風(fēng)公式設(shè)計的通風(fēng)系統(tǒng)基本上能夠滿足排熱通風(fēng)要求。管廊斜坡與溫度梯度導(dǎo)致的煙囪效應(yīng)降低了某些管廊區(qū)段的目標(biāo)通風(fēng)率,需要在設(shè)計時引起重視。為了克服這種影響,在冬季正常運行期間激活額外的風(fēng)扇,即在排風(fēng)口2(MK1+830)、排風(fēng)口3(BK0+370)和排風(fēng)口5(BK3+255)額外啟動1個風(fēng)機,即需要開啟2個風(fēng)機,另外2個排風(fēng)口只需開啟1個風(fēng)機。表 5示出不同工況下的風(fēng)扇布置情況。

表5 GIL艙排熱通風(fēng)短期分析結(jié)果Table 5 Summary of short-term analysis results of heat exhaust ventilation for GIL chamber

2.3 一維長期排熱分析

IDA隧道模擬軟件使用綜合建模方法進行長期傳熱分析,主要考慮夏季正常模式這一最不利工況。管廊傳熱模擬邊界示意圖如圖 6所示。傳熱方程為常微分方程組,在時間上使用后向歐拉方法求解。

圖6 傳熱模擬的邊界條件示意圖Fig. 6 Schematic diagram of boundary conditions for heat transfer simulation

式中: Tn為t′n時刻的節(jié)點的矢量溫度; D為熱容量的對角矩陣;K為離散傳導(dǎo)/平流算子; Δt′n為時間步長,Δt′n=t′n-t′n-1; qn為t′n時刻的來源矢量。

通過組合傳熱方程求解管廊內(nèi)熱平衡,可以計算得到每個時間步長的傳熱量。通過對流公式可以計算得到通過管廊內(nèi)流動所獲取的熱量

式中:Q′為單位時間傳遞到管廊內(nèi)流體的熱量,kJ;m·為質(zhì)量變化率,kg/s;Cp為空氣比熱容, kJ/(kg·K); ΔT為溫差,K。

基于上述公式,可計算得到傳遞到空氣中的熱量,而剩余部分被傳遞到艙壁與周圍土體,從而得到熱量在土體中的傳遞部分。

圖7示出GIL艙內(nèi)不同位置空氣溫度、壁面溫度與相對濕度在1年、10年和30年的變化規(guī)律。結(jié)果表明,最高相對濕度沒有超過70%,滿足設(shè)計要求;壁面最高溫度小于艙內(nèi)空氣最高溫度,且艙內(nèi)空氣最高溫度超過40 ℃的設(shè)計值。這主要是由于武漢地區(qū)在夏季極端天氣下室外溫度超過37 ℃,且每年大約有10 d這樣的天氣。若在每個排風(fēng)口繼續(xù)使用4個風(fēng)扇中的3個,可保證30年內(nèi)98.11%的時間艙內(nèi)最高溫度不超過40 ℃的設(shè)計值?？紤]設(shè)備使用的耐久性與安全性,建議使用額外的可用風(fēng)扇,在規(guī)定的時間內(nèi)將管廊溫度恢復(fù)到可接受的限度。通過分析,在該極端天氣,將每個排風(fēng)口中的4個風(fēng)扇全部開啟,可以將30年內(nèi)管廊空氣最高溫度控制在39 ℃以內(nèi)。

圖7 第1、10、30年GIL艙溫度和相對濕度沿管廊分布情況Fig. 7 Maximum air temperature, wall temperature and relative humidity at 1st, 10th and 30th year

圖8示出典型位置BK2+070處艙內(nèi)空氣溫度和壁面溫度以及不同位置處壁面溫度隨時間的變化情況。從圖中可以看出,管廊空氣溫度和壁面溫度升高在運行的前5、6年最為顯著,并在30年的剩余時間內(nèi)保持穩(wěn)定。

表6示出GIL艙在夏季最熱的一天對流排風(fēng)排出的熱量百分比,可以看出土體傳遞了約40%的熱量。傳熱的關(guān)鍵因素是通風(fēng)速度,隨著通風(fēng)速度的增加,更多的熱量被排出。應(yīng)該注意的是,由于艙壁與周圍土體的地面溫度等于年平均溫度,因此從艙壁到地面存在恒定的熱連接。傳給土體的熱量取決于管廊通風(fēng)速度,釋放10%～40%的熱量。在夏季時,GIL管廊內(nèi)的空氣溫度比廊壁溫度高,而在冬季時要比廊壁溫度低。故在夏季時廊壁與周圍土體將吸收管廊內(nèi)的熱量,在冬季時廊壁與土體將向管廊空氣中排出熱量,即實際上冬季通風(fēng)可以將部分夏季蓄的熱量帶走。由于廊壁與周圍土體夏季吸熱與冬季排熱的共同作用,導(dǎo)致廊壁的最高溫度在10年以后保持穩(wěn)定?；谝延械难芯砍晒?管廊內(nèi)若不進行通風(fēng)排熱,對于大負荷的管廊,最終的溫度會遠遠超過40 ℃的設(shè)計值[9-10]。

圖8 30年時間GIL艙內(nèi)空氣溫度與壁面溫度變化情況Fig. 8 Variations of air and wall temperature over 30 years

表6 夏季最熱的一天對流排風(fēng)排出的熱量Table 6 Heat exhaust by convection on the hottest day in summer

2.4 典型斷面三維分析

圖9示出典型斷面處的溫度場與速度場分布。需要強調(diào)的是,CFD模擬結(jié)果需要通過網(wǎng)格穩(wěn)定性驗算來確保計算結(jié)果的穩(wěn)定性。

圖9(a)示出GIL管線表面溫度分布。從圖中可以看出,GIL管線表面的最高溫度沒有達到70 ℃,滿足設(shè)計要求;底部GIL管線表面溫度最低,而頂部GIL管線表面溫度較高。

圖9(b)示出典型GIL管廊入口、中部和出口斷面的溫度分布。從圖中可以看出,GIL管線會加熱管線周圍的空氣,導(dǎo)致GIL附近的流動氣體溫度達到44 ℃;底層GIL管線附近氣體溫度較低,而上層GIL管線附近氣體溫度較高。其原因是由于溫度梯度的存在,導(dǎo)致熱空氣由于浮力作用而上升,在氣流撞擊低溫上壁面后因失去熱量而變冷。

圖9(c)示出GIL管廊入口、中部和出口斷面的速度分布。從圖中可以看出,沿管廊長度方向有1個高速的中心區(qū)域,而在GIL線和管廊墻之間的區(qū)域,存在較低的風(fēng)速區(qū)域。由于管廊壁面及管線支架的摩擦耗能作用,GIL管線與艙壁之間區(qū)域的風(fēng)速較小,中心區(qū)域風(fēng)速較高,這與空氣動力學(xué)理論是一致的。需要注意的是,煙囪效應(yīng)與壁面的導(dǎo)熱作用會對溫度場分布產(chǎn)生影響,特別是低通風(fēng)量的情況下,需要在設(shè)計時予以考慮。

圖9 GIL艙內(nèi)溫度場與速度場分布Fig. 9 Distribution of temperature and velocity fields

3 結(jié)論與建議

本文以武漢譚鑫培路地下綜合管廊超長GIL艙為項目實例,建立了超長GIL艙的短期排熱和長期排熱模型、三維節(jié)段模型以及排熱通風(fēng)的基本框架。主要結(jié)論如下:

1)短期排熱分析了夏季、冬季與過渡季節(jié)中典型14 d(336 h)內(nèi)管廊內(nèi)溫度變化與空氣變化率,以最經(jīng)濟的方式對管廊通風(fēng)系統(tǒng)排熱通風(fēng)性能進行了研究。分析結(jié)果表明,管廊斜坡與溫度梯度導(dǎo)致的煙囪效應(yīng)會顯著降低艙內(nèi)某些區(qū)域的排熱效率,需要在冬季正常運行期間激活額外的風(fēng)扇。

2)長期排熱分析基于武漢1年內(nèi)的氣象數(shù)據(jù),分析了1年、10年和30年長期內(nèi)艙內(nèi)的溫度場、濕度場和壁面溫度變化情況。分析結(jié)果表明,艙內(nèi)空氣和壁面溫度升高在運行的前5、6年最為顯著,并在30年的剩余時間內(nèi)保持穩(wěn)定,艙壁與周圍土體釋放了10%～40%的熱量。針對夏季室外峰值溫度超過37 ℃時會導(dǎo)致艙內(nèi)溫度超過40 ℃的設(shè)計值的情況,建議基于管廊內(nèi)的監(jiān)測系統(tǒng)來判斷何時在極端天氣期間增加1臺風(fēng)機以滿足排熱通風(fēng)要求,并對長期排熱分析結(jié)果進行驗證。

3)基于計算流體力學(xué)軟件OpenFOAM建立了GIL艙三維節(jié)段模型,分析了電纜與支架、溫度梯度對溫度與速度分布的影響,揭示了GIL艙內(nèi)溫度場與速度場的分布規(guī)律。在通風(fēng)量較小時,應(yīng)在設(shè)計中考慮煙囪效應(yīng)的影響。

4)本文的分析方法、流程及相關(guān)結(jié)論可為類似綜合管廊或隧道排熱通風(fēng)設(shè)計與規(guī)范修訂提供參考。

雖然數(shù)值模擬方法能夠滿足工程精度,且大量用于工程設(shè)計,但是由于在建立數(shù)值模型的過程中進行了簡化,氣象參數(shù)采取了典型統(tǒng)計數(shù)據(jù),因此,需要基于本項目的監(jiān)測系統(tǒng)來對模擬結(jié)果進行驗算,特別是長期模擬所得分析結(jié)果。關(guān)于監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測點的選取,建議從兩側(cè)取靠近排氣扇進氣口的平均溫度作為運行期間監(jiān)控管廊內(nèi)的監(jiān)測點。由于在冬季與過渡季節(jié)下很多風(fēng)扇不是以滿載運行,建議采用變速驅(qū)動器來對風(fēng)扇流量進行優(yōu)化。另外,當(dāng)前GIL通風(fēng)設(shè)計沒有進行分區(qū)設(shè)置,從而導(dǎo)致管廊的整體通風(fēng)取決于所有風(fēng)機的個體性能。若其中某一風(fēng)機發(fā)生故障,則整個管廊區(qū)域內(nèi)的流動行為會受到影響。建議對GIL艙進行合理分區(qū),以提高整個系統(tǒng)的魯棒性。