電纜隧道通風流速對內(nèi)部高溫區(qū)影響的研究

王淼 劉剛 甘長德

東華大學環(huán)境科學與工程學院

電力電纜隧道在運行的過程中，電纜作為一種電阻，在時刻向外散發(fā)熱量。對于國內(nèi)很多電力電纜隧道而言，大部分的電纜隧道設計僅僅當作電纜溝來看，基本上不考慮隧道的通風問題[1]。國家在頒布有關電纜隧道方面的專用標準規(guī)范《電力電纜隧道設計規(guī)程》中[2]，只簡單提及了電纜隧道的排風溫度應按照《小型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》[3]：“電纜隧道通風，應按照夏季排風溫度不超過40℃，進風和出風溫度差不超過10℃”，且對于隧道中高溫區(qū)的控制以及通風系統(tǒng)也沒有門的要求。電纜隧道的相關研究文獻對于隧道內(nèi)的電纜發(fā)熱所造成的高溫區(qū)及削弱手段也少有研究。通風對于電纜隧道的運行至關重要，電力輸送導致電力隧道內(nèi)的空氣溫度不斷累加上升，長此以往，過高的隧道內(nèi)環(huán)境溫度會造成電纜線路的載流量減少無法滿載運行并減少電纜外皮絕緣層的使用壽命[4]，對電力隧道的運行的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[5]。所以，通過選用相關有效措施來降低電纜隧道內(nèi)環(huán)境的空氣溫，保證電力隧道的平穩(wěn)運行。對于隧道內(nèi)的換熱情況進行研究，考慮到隧道較長，無法實地進行實驗性研究，因此使用CFD的模擬方法對隧道內(nèi)的通風換熱進行分析[6]，為后續(xù)的隧道內(nèi)風量的設計提出了參考依據(jù)[7]。

1 工程概況

本文以中國南方福建某地的地下高壓220 kV電力電纜隧道為研究對象，隧道位于地下8 m位置處。高壓電力線路在電力輸送時，電纜線路作為一種發(fā)熱體，在運行時會向外界散發(fā)熱量，若不及時排出，熱量累積會造成隧道內(nèi)的空氣溫度較高，必須通過通風的方式來將隧道內(nèi)的產(chǎn)熱及時排出，降低隧道內(nèi)的環(huán)境溫度。當?shù)氐膶嶋H氣象條件參數(shù)以及隧道內(nèi)電纜的發(fā)熱量為依據(jù)，通過三維數(shù)值模擬的方式，分析隧道在不同斷面風速的情況下隧道內(nèi)高溫的變化規(guī)律情況。

2 研究模型及設計

2.1 物理模型

以某隧道的實際尺寸為依據(jù)，截取隧道長度150 m作為計算物理模型。隧道為圓形管狀，直徑為2.4 m，扣除隧道內(nèi)找平地面后隧道橫斷面空氣流通4.14 m2，隧道外層土壤厚度為3 m。在隧道入口及出口處各有一防火隔斷門，大小為1.9 m×0.8 m，隧道計算模型和隧道橫斷面布置分別如圖1和圖2所示：

圖1 2.4 m隧道通風換熱計算模型

圖2 2.4 m隧道通風換熱計算模型

2.2 模型網(wǎng)格及求解條件

由于電纜隧道較長，長寬比例懸殊，在生成模型時網(wǎng)格數(shù)量較多。所以非結構性的網(wǎng)格進行劃分，并對網(wǎng)格自行加密。使用Fluent軟件進行模擬，求解器設置如表1所示：

表1 Fluent求解器設置

模擬計算的邊界條件分別為：隧道入口處設為等速度邊界條件，速度值為隧道入口風速，溫度值為當?shù)叵募臼彝馔L溫度。隧道出口設為壓力邊界條件，壓力值為室外的大氣壓力，溫度為室外計算通風溫度。土壤溫度取當?shù)貙嶋H溫度，為第一類邊界條件。電纜隧道的發(fā)熱設為第二類定熱流密度邊界條件，取值根據(jù)電力部門給出的正常負荷運行工況下的發(fā)熱量為依據(jù)進行計算。隧道內(nèi)壁面的摩擦阻力系數(shù)取根據(jù)混凝土隧道壁面相關參數(shù)取值。

3 計算結果及分析

在2.4 m隧道內(nèi)，進風溫度風取當?shù)叵募就L計算參數(shù)33.1℃，通風風量取值為隧道斷面流速為0.5 m/s的風量8600 m3/h，隧道外層土壤溫度根據(jù)當?shù)貙嶋H條件取23℃，電纜發(fā)熱量根據(jù)電力部門所給資料為輸電線路正常負荷運行工況下的發(fā)熱量100 W/m。

根據(jù)模擬結果表明，在隧道進風溫度為33.1℃，斷面風速為0.5 m/s的情況下，此時隧道通風風量稍大于六次換氣次數(shù)。隧道排風口處的出風溫度為37℃，對于這個溫度，就國標的規(guī)定來說，隧道出口處的排風溫度滿足相關規(guī)范的要求不超過40℃。

對于電纜隧道內(nèi)的高溫熱點區(qū)域無法從出風溫度處進一步體現(xiàn)。通過觀察圖3、圖4隧道橫截面的溫度云圖不難發(fā)現(xiàn)，隧道內(nèi)通風溫度較高的區(qū)域主要集中在電纜與電纜的間隔位置處，所以定義電纜間隔中心位置處為隧道內(nèi)的高溫區(qū)，通過進一步研究電纜間隔位置處的溫度變化來研究隧道內(nèi)高溫區(qū)域的變化情況。

圖3 隧道75 m處斷面溫度分布

圖4 隧道150 m處斷面溫度分布

如圖5所示，取電纜與電纜之間的中心點導出電纜間隔位置處在隧道軸向方向的溫度，觀察其在隧道軸向方向的溫度變化情況。因為左右電纜間隔對稱，所取單側(cè)右側(cè)電纜間隔出的溫度繪制曲線圖。

圖5 隧道內(nèi)電纜間隔處間隔位置意圖

圖6 2.4 m隧道截面0.5 m/s風速時電纜間隔處溫度變化規(guī)律

由圖6可見，對于0.5 m/s的斷面流速的通風情況下，由于隧道內(nèi)空氣斷面流速較低，電纜間隔位置處的溫度升高較為明顯，間隔位置處溫度呈上側(cè)間隔處溫度較低，下側(cè)間隔位置處溫度較高，這是由于在電纜布置時上側(cè)間隔空間較大而下側(cè)間隔空間較小。下側(cè)間隔位置處的溫度在靠近隧道出口處最高溫度超過50℃，達到51.3℃，溫度較高。

雖然國標只針對隧道出口位置處的排風溫度要求在低于40℃，但是對于隧道內(nèi)的具體通風系統(tǒng)的布置和環(huán)境溫度等并無具體要求。輸電線纜的周圍產(chǎn)生較高的空氣環(huán)境溫度，會使得電纜線路在運行過程中造成載流量的下降和加速電纜線路的老化。所以，通過適當?shù)耐L方式來降低電纜周圍的高溫區(qū)進行十分重要。

通過在原來隧道模型的基礎之上，其他邊界條件不改變，提高隧道內(nèi)空氣的斷面流速，觀察對于隧道內(nèi)高溫區(qū)的改善情況。模擬的斷面流速分別取1 m/s（15700 m3/h）和 1.5 m/s（23500 m3/h）和上述的結果進行比較。

根據(jù)模擬結果表明，在隧道空氣斷面流速為1m/s的情況下，此時風量15700 m3/h，出口位置處排風溫度為35.3℃，相比之前37℃的排風溫度進一步降低。對于電纜隧道內(nèi)電纜間間隔位置處，如圖7所示，電纜間隔處的溫升較幅度較之前相比已經(jīng)趨于緩和，溫度的最高點位于下側(cè)電纜靠近隧道出口位置處為43.7℃。較0.5 m/s空氣斷面流速下的間隔處溫度最高點51.3℃相比，溫度下降明顯，電纜間隔位置處的最高溫度下降7.6℃。由此可見，保證電纜隧道內(nèi)的斷面內(nèi)合理空氣流速對于削弱電纜隧道內(nèi)高溫區(qū)至關重要。

圖7 2.4 m隧道截面1 m/s風速時電纜間隔處溫度變化規(guī)律

在隧道空氣斷面流速為1.5 m/s的情況下，此時風量23500 m3/h，出口位置處排風溫度為34.5℃，相比之前1 m/s的斷面風速的工況排風溫度進一步降低。對于電纜隧道內(nèi)電纜間間隔位置處，如圖8所示，電纜間隔處的溫升較幅度較之前相比更加緩和，溫度的最高點仍然位于下側(cè)電纜靠近隧道出口位置處，為41.4℃。較上述1 m/s空氣斷面流速工況下的電纜間隔處溫度最高點43.7℃相比，溫度略有下降不明顯。

圖8 2.4 m隧道截面1.5 m/s風速時電纜間隔處溫度變化規(guī)律

4 結語

1）對于2.4 m管徑的電纜隧道，在隧道斷面空氣流速為0.5 m/s，電纜發(fā)熱量為100 W/m進風溫度為夏季室外通風溫度33.1℃的情況下，出口處排風溫度為37℃，滿足相關標準規(guī)范出口處排風溫度低于40℃，進出口通風溫差低于10℃的要求。但電纜間隔位置處溫度較隧道內(nèi)其他區(qū)域相比明顯較高，可認為是隧道內(nèi)的高溫區(qū)，其溫度在隧道軸向方向溫升較快，溫度最高點在靠近隧道出口處下側(cè)電纜間隔處，為51.3℃。

2）電纜隧道內(nèi)的高溫區(qū)主要分布在上下兩根電纜的間隔位置處，通過提高隧道內(nèi)斷面的空氣流速能有效削弱電纜隧道內(nèi)的高溫，保證電力隧道的安全運行和延長電纜使用壽命。

3）將隧道斷面空氣流速提高到1 m/s時，電纜間隔位置處溫升趨明顯減緩。間隔位置處的最高溫度在靠近排風口位置處為43.7℃，和原0.5 m/s隧道斷面風速下的最高溫度51.3℃相比下降明顯，電纜間隔位置處的最高溫度下降7.6℃。再進一步將斷面空氣流速控制在1.5 m/s時，電纜間隔位置處溫度較高為41.4℃，電纜間隔處的溫度相比1m/s的斷面空氣流速時略有下降但不明顯，最高溫度僅僅下降2.3℃。在通風系統(tǒng)的實際運行過程中，考慮到通風系統(tǒng)的相關運行能耗，建議將隧道內(nèi)的斷面空氣流速控制在1 m/s左右。