超長GIL管廊排熱通風研究

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. 中國電力科學研究院有限公司, 湖北 武漢 430074;3. 中南電力設計院有限公司, 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。與常規電纜相比,GIL具有傳輸容量大、損耗小、不受環境影響、運行可靠性高、節省占地等顯著優點,在地下管廊中得到越來越多的應用[1-3]。綜合管廊屬于封閉型地下構筑物,廢氣的沉積、人員和微生物的活動都會造成管廊內氧氣含量的下降。管廊內敷設的GIL電纜等管線在運營時會散發大量熱量,因此整個管廊必須設置通風系統[4-6]。綜合管廊排熱通風分析主要有規范設計、數值模擬、模型試驗和現場實測4種方法[7-8]。設計規范主要用于常規管廊的排熱通風分析[9]; 現場實測的費用昂貴,且周期較長,不適合指導項目早期的方案設計[10]; 模型試驗可得到工程所需要的各種數據,但是試驗周期較長且試驗費用昂貴,不適合早期不同通風方案的比選設計[7-8]。數值模擬(computational fluid dynamic, CFD)具有成本低、速度快的優點,可同時快速模擬不同工況,且計算精度能夠滿足工程要求,廣泛用于方案設計階段[11-12]。當前的分析方法主要針對具有獨立分區、通風區間為百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,各通風區間合用進風塔與排風塔,且沒有進行分區處理,需要對管廊排熱通風問題進行專門研究。首先,基于IDA隧道模擬軟件建立GIL艙一維分析模型,分析當前通風系統在夏季、冬季與過渡季節短期排熱下溫度場的變化,以及1年、10年和30年長期排熱下艙內的溫度場、濕度場和壁面溫度變化。然后,基于計算流體力學軟件OpenFOAM建立GIL艙三維節段模型,分析電纜和支架對溫度與速度分布的影響,揭示GIL艙內溫度場與速度場的分布規律。本文的分析方法、流程以及相關結論可為類似綜合管廊或隧道排熱通風設計與規范修訂提供參考。

1 項目介紹

譚鑫培路地下綜合管廊位于武漢市江夏區,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GIL管道為雙側2回布置,每側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個通風區間,如圖 3所示。相鄰2個通風區間的進風(排風)合用1個進風塔(排風塔),各區間的通風量(Q)如表2所示。GIL管廊采用自然進風、機械排風的組合方式來排熱,排風溫度設計要求不超過40 ℃。平時運行時,GIL艙內無人,通風的目的是排除艙內余熱。正常排熱工況下,每個排風塔處的排熱風機在夏季開啟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上增開1臺風機。當艙內的溫度監測系統監測到艙內的溫度大于40 ℃時,逐序開啟排熱風機,對艙內進行排熱通風降溫;當排風塔出口處的溫度小于35 ℃時,逐序關閉排熱風機。

圖3 GIL艙排氣通風系統示意圖Fig. 3 Schematic diagram of exhaust ventilation system for GILchamber

2 排熱通風分析

2.1 分析參數與模型建立

通過IDA隧道軟件建立一維模型,采用通用計算流體力學軟件建立三維節段模型,對本項目的排熱通風分析進行全面研究。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、防火通風和煙氣擴散等。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保持不變,管廊內混凝土墻壁的粗糙度取為3 mm。圖 4示出一維分析模型,圖中相關參數為夏季N-1模式下的通風量。其中,管廊襯砌材料從內到外分別為混凝土(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短期與長期分析。

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

表3 GIL艙排熱通風工況[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)相應夏季、冬季與過渡季節下恒定溫度和相對濕度數據,以快速評估方案設計階段管廊的通風能力。短期分析中不同季節采取的氣象參數主要有: 1)過渡季節戶外通風計算溫度為16.6 ℃,計算相對濕度為76%; 2)冬季戶外通風計算溫度為3.7 ℃,計算相對濕度為77%; 3)夏季戶外通風計算溫度為32 ℃,計算相對濕度為67%。長期模擬將基于典型年氣象數據,用于評估通風系統在深化階段的排熱通風能力。長期模擬的天氣數據來自Energy Plus數據庫中武漢市的數據。長期模擬將考慮GIL艙30年(262 800 h)的時間范圍,尤其側重于第1年、第10年和第30年。由于這是一項長期研究,其結果受環境條件的季節性變化影響。

為了考慮電纜及支架對溫度與速度分布的影響,建立GIL艙的三維典型節段模型[16]。考慮到夏季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。基于托架與維修箱的設計間距,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種工況下各個區間的每h空氣變化率(air change per hour, ACH)與通風量。從表中可以看出,在正常模式下,除冬季第7通風區間的每h空氣變化率剛好滿足2次的設計要求外,其他工況均基本達到3次及以上,特別是過渡季節,因而可對過渡季節的風機進行進一步的優化。在異常N-1模式下,每h空氣變化率在夏季與過渡季節都能滿足6次以上的設計要求,但在冬季的最小值為5.2次,比設計要求的6次偏低,需適當增大冬季異常模式下的通風量。

表4 短期分析不同通風區間的每h空氣變化率與通風量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,夏季工況下廊內溫度介于30～40 ℃,且夏季正常模式的最高溫度達到39.4 ℃。考慮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艙內溫度變化Fig. 5 Temperature changes for different working conditions obtained by short-term analysis

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

表5 GIL艙排熱通風短期分析結果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時刻的節點的矢量溫度; D為熱容量的對角矩陣;K為離散傳導/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流動所獲取的熱量

式中:Q′為單位時間傳遞到管廊內流體的熱量,kJ;m·為質量變化率,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年的變化規律。結果表明,最高相對濕度沒有超過70%,滿足設計要求;壁面最高溫度小于艙內空氣最高溫度,且艙內空氣最高溫度超過40 ℃的設計值。這主要是由于武漢地區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。若在每個排風口繼續使用4個風扇中的3個,可保證30年內98.11%的時間艙內最高溫度不超過40 ℃的設計值。考慮設備使用的耐久性與安全性,建議使用額外的可用風扇,在規定的時間內將管廊溫度恢復到可接受的限度。通過分析,在該極端天氣,將每個排風口中的4個風扇全部開啟,可以將30年內管廊空氣最高溫度控制在39 ℃以內。

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年的剩余時間內保持穩定。

表6示出GIL艙在夏季最熱的一天對流排風排出的熱量百分比,可以看出土體傳遞了約40%的熱量。傳熱的關鍵因素是通風速度,隨著通風速度的增加,更多的熱量被排出。應該注意的是,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速度,釋放10%～40%的熱量。在夏季時,GIL管廊內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,導致廊壁的最高溫度在10年以后保持穩定。基于已有的研究成果,管廊內若不進行通風排熱,對于大負荷的管廊,最終的溫度會遠遠超過40 ℃的設計值[9-10]。

圖8 30年時間GIL艙內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。需要強調的是,CFD模擬結果需要通過網格穩定性驗算來確保計算結果的穩定性。

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個高速的中心區域,而在GIL線和管廊墻之間的區域,存在較低的風速區域。由于管廊壁面及管線支架的摩擦耗能作用,GIL管線與艙壁之間區域的風速較小,中心區域風速較高,這與空氣動力學理論是一致的。需要注意的是,煙囪效應與壁面的導熱作用會對溫度場分布產生影響,特別是低通風量的情況下,需要在設計時予以考慮。

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

3 結論與建議

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、三維節段模型以及排熱通風的基本框架。主要結論如下:

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

2)長期排熱分析基于武漢1年內的氣象數據,分析了1年、10年和30年長期內艙內的溫度場、濕度場和壁面溫度變化情況。分析結果表明,艙內空氣和壁面溫度升高在運行的前5、6年最為顯著,并在30年的剩余時間內保持穩定,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 ℃時會導致艙內溫度超過40 ℃的設計值的情況,建議基于管廊內的監測系統來判斷何時在極端天氣期間增加1臺風機以滿足排熱通風要求,并對長期排熱分析結果進行驗證。

3)基于計算流體力學軟件OpenFOAM建立了GIL艙三維節段模型,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艙內溫度場與速度場的分布規律。在通風量較小時,應在設計中考慮煙囪效應的影響。

4)本文的分析方法、流程及相關結論可為類似綜合管廊或隧道排熱通風設計與規范修訂提供參考。

雖然數值模擬方法能夠滿足工程精度,且大量用于工程設計,但是由于在建立數值模型的過程中進行了簡化,氣象參數采取了典型統計數據,因此,需要基于本項目的監測系統來對模擬結果進行驗算,特別是長期模擬所得分析結果。關于監測系統中監測點的選取,建議從兩側取靠近排氣扇進氣口的平均溫度作為運行期間監控管廊內的監測點。由于在冬季與過渡季節下很多風扇不是以滿載運行,建議采用變速驅動器來對風扇流量進行優化。另外,當前GIL通風設計沒有進行分區設置,從而導致管廊的整體通風取決于所有風機的個體性能。若其中某一風機發生故障,則整個管廊區域內的流動行為會受到影響。建議對GIL艙進行合理分區,以提高整個系統的魯棒性。