地下水電站出線豎井中SF6泄露擴散的數值模擬分析

丁慧心 肖益民 周鐵成

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地下水電站出線豎井中SF6泄露擴散的數值模擬分析

丁慧心 肖益民 周鐵成

（重慶大學 重慶 400045）

地下水電站出線豎井的GIL電纜有SF6重氣泄漏的可能性，需要對豎井內的通風系統和氣體擴散進行研究。分析SF6重氣泄漏擴散的原理和物理過程，應用CFD數值模擬方法，對豎井內的SF6重氣擴散規律進行研究與分析。分析格柵結構和不同泄漏量條件下，SF6的濃度分布及擴散情況，為此類水電站通風系統設計提供借鑒與參考。

出線豎井；SF6；重氣擴散；數值模擬；通風系統

0 引言

隨著國民經濟的飛速發展，水電能源所具有的清潔性和可再生性，使得水電站建設在我國的能源戰略中越來越重要。

在水電站中，水能發電，運用氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）向外界地面輸送電能。GIL安裝在出線豎井中，出線豎井作為地下水電站特有的通道，一般通道設置在垂直豎井或斜井頂部和底部，作用為通風出線。以白鶴灘水電站左岸為例，下段出線豎井高約268m，上段出線豎井高約121m，中間通過844m高程出線交通洞銜接轉換，上下兩段總高約389m，豎井剖面如圖1。通風系統按上、下兩段分別設置，為下送上排機械通風。在電站運行過程中，GIL電纜普遍存在SF6氣體外逸泄漏或事故泄漏的可能性，因此豎井通風應滿足消除余熱和SF6事故泄漏的通風要求。

出線豎井中的氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）是源于SF6氣體絕緣的金屬封閉母線，是一種高電壓、大電流電力傳輸設備[1]。從結構上看，GIL由一對同軸鋁合金管導體組成，內導體加高電壓并承擔通流，外殼體接地，兩者之間充入SF6或者其他絕緣氣體介質。GIL主要是由金屬和氣體構成，無易燃物，無火災之患，十分可靠。在GIL運行情況下，充注的高壓SF6氣體由于安裝缺陷或外界破壞有泄露的可能性。GIL設備的氣體參數為最高工作氣壓為410kPa，最低工作氣壓為390kPa，報警信號氣壓為390kPa（表壓，20℃）；報警壓力給定值的目標是每6年進行一次全面檢修，以使其基本不達到報警壓力；因此在保證GIL電氣絕緣裕度足夠的情況下，正常年泄漏率應小于0.5%[2]。GIL氣體泄漏通常發生在GIL的焊縫、由密封圈密封的密封面或法蘭連接等處[3]。

圖1 出線豎井剖面圖

圖2 出線豎井橫截面示意圖

SF6分子量為146.07，純SF6氣體是一種無色、無味、無毒，密度為6.16kg/m3，它的密度約為空氣的5.1倍。在化學性質上是一種不活潑的惰性氣體，其有良好的絕緣、滅弧介質特性，具有不燃特性。因SF6密度較大，容易沉積在空間底部，并且不易擴散和稀釋，是一種窒息性物質，吸入過多會導致工作人員頭暈、嘔吐等，嚴重時造成缺氧窒息。然而在大功率電弧、火花放電和電暈放電作用下，SF6能分解和游離出多種產物，主要是SF4和SF2，此類分解產物中往往含有劇毒，即便是微量，也會對人和動物造成危害，這對工作人員的生命安全構成嚴重威脅[4]。因此，室內區域空氣中SF6含量不得超過6000mg/m3，即摩爾濃度小于4.11×10-5kmol/m3。

因此，水電站豎井中SF6氣體在空氣中的泄露擴散屬于重氣擴散問題。為了保證工作人員的人身安全及設備的正常運行，需要消除設備余熱和有害氣體，應對地下水電站豎井通風進行認真研究。

1 泄漏源及擴散模式

泄露氣體在豎井內的擴散受泄漏源性質、泄漏源泄露速度、有限空間內風速風向、障礙物等的影響[5]。

GIL中的SF6氣體是常溫加壓的。若由于管道腐蝕穿孔、接口及閥門密封材料老化產生穿孔、裂縫或斷裂產生的孔、縫而產生氣體泄漏的泄放源為連續源，視泄露源為點源連續釋放，泄漏量小，泄露穩定，不易察覺，泄露持續時間長。事故泄露情況下，如有限空間內高壓母線管道破裂開口或接口脫落造成的突然大量氣體泄漏屬于瞬時源，泄露速度大，泄露時間短。泄露釋放物為氣相，泄露氣體為常溫氣體，與豎井空氣溫度相同。SF6氣體和管道內的空氣視為理想氣體，遵循理想氣體狀態方程，重氣和空氣在流動過程中不發生化學反應。出線豎井有限空間內的空氣作為不可壓縮流體處理，呈湍流狀態[6,7]；假設環境溫度為常溫，與外界無熱量交換，重力加速度恒定，不隨高度的改變而改變。

泄露氣體自身密度的大小影響氣體的擴散性。泄漏氣體相對于空氣密度是大還是小，那么在擴散中就表現為是以重力作用為主，還是以浮力作用為主。泄漏氣體的重力作用導致氣云趨于下沉，重力方向濃度增大。然而，這種下沉趨勢會因空氣不斷卷入、密度減小而減弱。

當泄漏氣體與空氣的混合物密度相對于空氣密度的比值大于l.1時，該混合物可能向地面流動，并可能在低洼處積累；當其比值為0.9-1.1時，則易于與周圍空氣快速混合。

GIL中的SF6氣體密度為空氣密度的6倍，為典型的重氣，在擴散中重力起主要作用。設備中充注的SF6氣體壓力比大氣壓高，由于該壓力的存在，勢必要在泄漏點處形成一定范圍的射流，該射流對SF6氣體擴散也必然會有所影響。

出線豎井中GIL泄露的SF6，形成重氣云。在重氣擴散階段，氣云因重力作用會向重力方向下沉，然后沿著水平方向擴散。SF6氣云整個擴散過程分為四個階段[8]：

（1）初始階段。此階段氣云本身的慣性力及外界空間的平均風速主導影響氣體運動。泄露源射流的動量會影響其所形成氣云的形狀以及其和周圍空氣的混合稀釋情況。并且，外界平均風速會影響重氣云的下沉和變形情況。

（2）重力擴展階段。當重氣氣云初始的動量消失后，氣云內部的負浮力即重力及外界的湍流擾動影響重氣云的運動。在重力驅使下，重氣氣云會快速向底部下沉，直到浮力驅動流的動能被耗散。

（3）空氣卷吸。氣云的稀釋作用主要由于周圍空氣湍流以及氣云本身因下沉而引起的湍流卷吸作用引入周圍空氣。首先，空氣的卷入使氣云體積膨脹，并且使氣云的濃度減小。此外，氣云內的對流湍流是由于密度梯度而引起的，它也是影響氣云擴散的重要因素。另外，重氣的存在會擾亂周圍空氣流場，它們之間的相互影響是十分復雜的。隨著浮力驅動流的動能逐漸耗散，于是下一個擴散過程就成為密度分層階段，分層的直接表現是抑制湍流作用和減小空氣卷吸稀釋作用。

（4）被動擴散。當重氣云經過一段時間的混合稀釋后，其濃度減小到逐漸接近外界空氣，密度分層效應逐漸減弱，因此可以當作中性浮力氣云來分析。此階段，氣云主要靠周圍空氣的湍流作用隨空氣擴散，影響氣云的濃度場、速度場及壓強場等分布。

2 擴散模型的建立

SF6為重氣，重氣擴散的數學模型主要有高斯模型、箱模型、相似模型和流體力學模型等。在本文運用FLUENT采用流體力學模型來研究SF6氣體擴散的過程[9,10]。

在輕氣擴散模型中，高斯模型是最為經典的輕氣擴散模型，分為高斯煙羽模型、高斯煙團模型及高斯軌跡煙云模型等。其中，高斯煙羽模型適用于連續點源的擴散即連續性泄漏，而高斯煙團模型適用于短時間點源泄漏的擴散即瞬時性泄漏，高斯軌跡煙云模型則主要用于復雜地形區域連續點源的擴散，并考慮了大氣混合層及風速的影響。高斯模型計算簡單，易于理解，計算結果準確，因而得到了廣泛的應用。由于高斯模型自身缺陷，不管怎樣修正都無法正確描述重氣的擴散過程[11]。

箱模型及相似模型是指假定濃度、溫度和其他場在任何下風橫截面處為矩形分布或相似分布（如高斯分布）等簡單形狀，這里的矩形分布是指在某些空間范圍內場是均勻的而在其他地方為零。該類模型可以預報氣云的總體特征比如平均半徑、平均高度和平均氣云溫度，而不考慮其在空間上的細節特征。重氣效應消失后其行為表現為被動氣體擴散，所以該類模型還包括被動擴散的高斯模型及對它的修正。

流體力學模型基于Navier-Stokes方程通過求解能量、動量、組分、湍流等一系列方程獲得流場的信息。應用流體力學模型對氣體擴散進行模擬計算，在原理上可以將各種物理化學效應都考慮進去，如重氣下沉、空氣卷吸、氣云受熱等，從而得到各參量的精確計算結果，與實際結果比較接近。

2.1 數學模型

由GIL泄漏源泄露出的危險性氣體，在大氣中的輸運與擴散是一個三維非定常多組份的湍流流動和傳熱、傳質過程，其運動規律受質量守恒、牛頓第二定律、熱力學第一定律和組份輸運定律控制。三維流體力學模型在物理上能給出重氣擴散的最完全描述，其控制方程包括連續性方程、組分動量守恒方程、能量守恒方程和質量守恒方程，以及氣體狀態方程等輔助關系式。由于大氣流動是非定常湍流流動，所以這些方程均為湍流形式。

因此，根據流體力學與傳熱的基本定律，建立控制SF6重氣流動和擴散過程的微分方程組，再加上湍流模型及一些物性關系式，便可以得到描述重氣流動和擴散過程的封閉微分方程組。由于SF6氣體在空氣中擴散不考慮化學反應，因此需要求解的方程為：一個連續性方程、三個動量方程、一個能量方程和一個組份方程，以及兩個湍流量的方程。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

組分質量守恒方程：

密度方程：

2.2 湍流流動模型

SF6的泄露和擴散發生在出線豎井內，而出線豎井的通風大氣流動為湍流流動。由于標準的-模型沒有考慮到浮力對湍流的影響，因此，不適用于浮力影響起重要作用的流動。在標準-模型中，和是兩個基本未知量，與之對應的輸運方程為：

于是，Jacobsen和Magnussen[12]對標準的-湍流模型進行改進，對-模型進行浮力修正，采用當地理查遜數R（表征密度分層梯度的影響）對擴散系數進行如下形式的修正。

R（9）

2.3 物理模型建立

圖3 簡化豎井的物理模型示意圖

運用ICEM建立模型，對出線豎井進行簡化，截取12m標準管段進行穩態模擬。此豎井模型橫截面形狀類似梯形，上底為6.7m，下底為11.1m，橫截面高為3.5m，豎井高度為12m。出線豎井上壁面有六組GIL電纜，簡化為長方體結構，邊長為0.512m，長12m，每組電纜間距1m。出線豎井中設置有格柵，隔6m高度設置一個，位于豎井中間，格柵簡化為寬度為7mm的格柵條，厚度為25mm。泄漏口簡化為10mm×10mm的正方形泄漏口,管道泄露點在風管=9m高度處的中間一GIL管道表面處，泄漏速度方向為-y軸方向。

2.4 邊界條件和初始條件

在豎井底部進風口處，由送風機向上送風，風量確定，則風管進口邊界條件設為速度進口邊界條件，給定速度的大小。豎井頂端出口處邊界條件設為出流邊界條件。而SF6泄露口泄露量已知，將泄漏口設置為速度入口邊界條件。豎井各壁面、格柵及電纜選取為絕熱壁面，空間溫度為常溫。

在模擬開始之前，空氣充滿整個模擬空間且處于穩定狀態，SF6氣體在沒有泄漏之前，整個模擬空間各點的速度和泄漏氣體濃度值都為零，密度為空氣參數。

3 模擬結果分析

本文對格柵結構的存在和SF6泄露量大小對SF6氣體在豎井中擴散的影響進行分析研究。

3.1 格柵對SF6擴散的影響

無格柵風管，即12m豎井中無格柵障礙物，只有GIL線路。在通風量2次/h，即4.1×104CMH（=0.3656m/s），9m高度處泄漏口泄露量分別為0.25mg/s和2mg/s時，進行穩態模擬，對比豎井中有無格柵工況下的SF6氣體的擴散情況。模擬結果得到的=6.3m平面的濃度分布如圖。

圖4 0.25mg/s泄漏量工況下有格柵風管內SF6氣體分布情況

圖5 0.25mg/s泄漏量工況下風管內無格柵SF6氣體分布情況

圖6 泄漏量0.25mg/s工況下有/無格柵SF6氣體擴散對比

圖7 泄漏量2mg/s工況下有/無格柵SF6氣體擴散對比

有以上圖表可以得出，在泄漏量相同，豎井通風量相同的情況下，出線豎井結構為無格柵時，大部分高度處SF6氣體平均摩爾濃度大于有格柵結構時的濃度。這表明豎井中的格柵障礙物，不利于SF6在豎井中擴散。

在豎井無格柵時，在靠近出口SF6濃度有上升趨勢。格柵有均勻通風的作用，豎井內風速分布均勻。無格柵時氣體的湍流強度較大，當重氣云經過一段時間的混合稀釋后，其濃度減小到逐漸接近外界空氣，密度分層效應逐漸減弱，氣云主要靠周圍空氣的湍流作用隨空氣擴散，影響氣云的濃度場，因此湍流作用使出口附近氣體濃度增大。

SF6在出線豎井中的擴散，在有格柵障礙物和無格柵障礙物時，擴散趨勢相同。泄露量為0.25mg/s時，最大相對平均濃度差值為>15%。泄露量為2mg/s時，最大相對平均濃度差值為>15%。因此，豎井中的格柵結構對SF6擴散的影響不能忽略不計。

3.2 不同泄露量對SF6擴散的影響

圖8 5mg/s泄漏量工況下風管內有格柵SF6氣體分布情況

圖9 不同泄露量工況下各高度處的SF6平均摩爾濃度

圖10 不同泄露量工況下各高度處的SF6最大摩爾濃度

豎井內有格柵，泄漏口位置不變，在豎井通風量4.1×104CMH（=0.3656m/s）的情況下，進行穩態模擬，觀察泄露量分別為0.25mg/s，1mg/s，2mg/s，5mg/s時SF6在豎井內的濃度分布情況。現以泄漏量為5mg/s的模擬計算為例加以說明，模擬結果得到的=6.3m平面的濃度分布如圖8～10。

從模擬結果可以看出：

（1）在通風量為4.1×104CMH，不同泄露量情況下時，豎井進口處SF6濃度都為0，因此說明2次/h通風量能滿足在GIL泄露量小于5mg/s的氣體排出要求；

（2）泄漏量大小對有限空間內SF6氣體平均摩爾濃度的影響明顯，基本上隨著泄漏量的增大，各種工況下泄漏口附近及上方平均濃度呈增加趨勢；

（3）泄露量大小對豎井內SF6氣體最大摩爾濃度在各高度分布情況影響不大，只有在泄漏口處及下方濃度相差較大，這是由于SF6氣體密度比空氣密度大，泄露量增大使其重力作用增大，向下方沉降，使得泄露口下方最大濃度顯著增大；

（4）在各種不同泄露量狀況下，豎井高程在8.9m～9.2m范圍內的SF6最大摩爾濃度大于4.11×10-5kmol/m3，屬于危險范圍，其余高度處SF6濃度都處于安全范圍，泄漏量的大小對其危險區域范圍影響不大；

（5）當泄露量大于1mg/s時，泄露口下方的最大濃度大于上方最大濃度，說明在重力擴展階段，重力作用大于氣流浮升力作用；

（6）泄漏源上方平均濃度大于下方平均濃度，說明豎井內向上的風速影響了重氣云的下沉和擴散；

（7）最大平均濃度和最大濃度所在高度位于泄漏源附近，可見泄漏源高度對SF6氣體泄漏擴散有影響。

4 結論

（1）豎井內的格柵結構對SF6氣體的擴散影響不可忽略；

（2）在SF6泄漏量小于5mg/s條件下，通風量為4.1×104CMH能滿足豎井內排除SF6氣體的要求；

（3）泄漏量大小對有限空間內SF6氣體平均摩爾濃度的有重要影響，基本上隨著泄漏量的增大，泄漏口附近及上方平均濃度呈增加趨勢；

（4）最大平均濃度和最大濃度所在高度位于泄漏源附近，可見泄漏源高度對SF6氣體泄漏擴散有重要影響。

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Numerical Simulation Analysis of SF6Diffuses in the Shaft of Underground Hydropower Station

Ding Huixin Xiao Yimin Zhou Tiecheng

( Chongqing University, Chongqing, 400045 )

GIL has the possibility ofSF6gas leakage in the shaft of underground hydropower station，need to analyze the shaft ventilation system and gas diffusion. Using CFD numerical simulation method to analyze SF6gas leakage principle and physical process and diffusion law. Analysis of SF6concentration distribution and diffusion under grilling structure and different leakage conditions, it offer reference for the ventilation system design of hydropower station.

shaft; SF6; heavy gas dispersion; numerical simulation; ventilation system.

1671-6612（2016）06-623-07

TU 834

A

丁慧心（1990.09-），女，在讀碩士研究生，E-mail：DHX1018@126.com

肖益民（1974.02-），男，博士，教授，E-mail：xiaoyimin1974@126.com

2015-06-02