基于淺埋當量圓柱體熱工的電力管廊通風研究

高君鵬

中交第三航務工程勘察設計院有限公司

0 引言

隨著我國城市規模發展，城市內的配套管線日益繁多。地下管廊以其占地面積少，地面視覺效果優，檢修便利性高等眾多優勢，自誕生以來迅速得到各城市的青睞[1]。但隨著管廊建設規模日益擴大，管廊體量也逐步攀升，伴隨而來的是管廊內部的各類環境問題，包括艙內熱環境、空氣質量等。其中熱環境以電力管廊尤為突出，現階段城市紛紛將高壓電纜包括220 kV，110 kV等電纜置入地下電力管廊內，該類型電纜截面尺寸大，載流量大，散熱量大[2]，且其運行穩定性需求極高。

鑒于電力管廊內環境的重要性，需在電力管廊設計及建設階段，充分考慮電力管廊遠期運行工況，內部最大電纜容量及正常運行狀態下最大載流情況[3]。

目前關于電力管廊的研究同樣主要集中在電力管廊內的熱源構成、熱負荷、管廊通風組織方案、縮尺寸實驗研究等方面[4-5]。

在工程實踐過程中，針對大型高壓電力管廊，內部散熱量極大，前人的研究未能提供較為明確且合理的負荷系統詳細的計算方案及完善的通風方案。

1 研究場景的簡化建立

1.1 物理場景

本文以株洲某高壓電力管廊工程設計為例，并進行簡化，選取其中一個代表性的標準段為研究對象，抽象簡化成如圖1及圖2所示的電力管廊模型。

圖1 電力管廊三維視圖

圖2 管廊風井段斷面圖

1.2 電力管廊散熱規模確定

經過前期預研及工程資料搜集，明確電力管廊遠期兩艙設置相同的電纜，分別設置三回220 kV 電纜及三回110 kV電纜。本管廊位于全新開發區，開發力度極大，區塊可預見發展較為快速，本管廊為開發區的電力生命線，依據電力部門意見，為避免后期受環境溫度制約，初期設計按照電纜載流量滿載進行研究。

遠期電力管廊電纜 220 kV 電纜規格為2500 mm2，載流量為 2200 A。110 kV 電纜規格為1000 mm2，載流量為1500 A。將電力管廊視為封閉空間，在相對運行穩定的情況下，電纜的散量均會穩定地散發到管廊內，可不進行電纜傳熱分析，采用下式進行分析[6]。

式中：Pn為電纜的單位熱損失功率，W ；n為電纜芯數；I為電纜計算負荷電流，A ；A為電纜芯截面積，m m2；σL為電纜芯電阻率。

經過研究確定電力管廊每標準艙散熱量約為148 kW。

1.3 電力管廊零星散熱構成

電力管廊內系統繁多，包含管廊自控系統、通風系統、火災報警系統、排水系統、配電系統等。內部散熱源也呈現出多樣化，包含燈具、風機、水泵電動機等設備散熱。管廊內未除檢修外，無人長期停留，不考慮人員的散熱。

考慮前期研究，電力管廊內的零星散熱基礎計算資料缺乏，且相較于電纜散熱量較小，為簡化設計，考慮電纜散熱量的1.05裕量系數。

電力管廊的總散熱量為133300 kcal/h。

2 通風量理論計算研究

2.1 管廊簡化分析

電力管廊常規埋深不大于6 m，地表溫度的周期性變化對，地下電力管廊的傳熱有一定的影響，本文研究基礎是基于淺埋地下建筑。經前期研究，蒸汽滲透對壁面溫度的變化基本沒有影響[7]，故研究過程中忽略濕度影響，僅考慮溫度影響。計算過程中對淺埋建筑進行適當簡化，鑒于電力管廊長度方向規模較大，長寬比遠大于2，故將計算模型簡化為當量圓柱體。

2.2 管廊通風量計算

依據簡化后的淺埋當量圓柱體的夏季通風量計算公式詳見式（2）～（7）所示。其中邊界條件如下：株洲夏季通風室外計算溫度為 32.9 ℃，電力管廊內最高溫度不超過 40 ℃，最熱月洞外日平均溫度為 31.6 ℃，土壤的導熱系數λ為2.2 kcal/(m·3h· ℃)，土壤導溫系數a為0.0037 m2/ h，換熱系數為7 kcal/(m·3h· ℃)，圍護結構的導熱系數λb為1.3 kcal/(m3· h ·℃)，圍護結構的導溫系數ab為0.003 m2/ h。

式中：G為夏季通風量，kg/h；Q為熱負荷，kcal/h；Qs為地表面溫度年周期性波動引起的壁面傳熱量，kcal/h；C為空氣比熱，一般C=0.24 kcal/(kg·℃)；tmax洞室內空氣最高溫度，℃ ；twx夏季通風洞室外計算溫度，℃ ；tnd冬季洞室內空氣日平均溫度，℃ ；A2為日周期性波動傳熱計算參數；為日周期性波動傳熱計算參數E2=2πλ0l，kcal/(h·℃)；M為壁面年周期性波動傳熱計算參數，kcal/(h·℃)；N為壁面平均傳熱計算參數，kcal/(h·℃)，θ2為洞室外氣溫日周期性波動幅度，℃ ；θs為地表面溫度年周期性波動引起的避免傳熱，kc al/h；θd為地表面溫度年周期性波動幅度，℃ ；為年周期性波動溫度常數；hy為圍護結構側壁面傳熱面積計算參數；B、a0、b0、c0為過程參數。

經計算，夏季最高溫度時單艙的最大通風量為37320 m3/ h。

3 溫度場控制結果

據前期研究發現，尚無采用淺埋當量圓柱體的熱工理論計算管廊通風量，為驗證該方案在地下淺埋管廊的適用性，分析在設計最大通風量的通風工況下，管廊內的溫度分布情況，本文采用 CFD 流體動力學FLUENT進行模擬分析。

3.1 模型簡化建立

地下電力管廊主要包含電纜對管廊內的空氣對流傳熱、管廊內壁與內部空氣的對流熱固耦合、電力管廊管壁的熱傳導、電力管廊管壁，本次對電力管廊工況簡化分析，電力隧道雙洞為對稱，本次對其中單洞進行計算。

地下土壤簡化為恒溫邊界條件，電力管廊內的電纜簡化為等熱功率的散熱棒，具體簡化計算模型如圖3所示：

圖3 電力管廊三維視圖

3.2 管廊熱工理論驗證研究方案

為研究淺埋當量圓柱體的熱工理論在電力管廊的適用性，本文在同一場景中選取多種通風量進行研究，研究方案見表1。

表1 電力管廊溫度場研究方案

3.3 管廊內溫度場控制結果

為研究淺埋當量圓柱體理論適用性，本文在研究不同通風量對隧道通風效果研究時，選取管廊縱向斷面的溫度場進行研究，隧道內的斷面溫度場見圖4。

圖4 不同通風量電力管廊縱向溫度場分布圖

管廊內的溫度由送風井至出風井，因受管廊內電纜散熱影響，室外引入管廊的新風溫度逐漸升高，排除后段電纜余熱的溫差逐漸減小，故導致管廊區段的后端熱量聚集，艙室內的溫度逐漸升高。

選取隧道內 50 m、100 m、150 m 三個位置斷面的溫度場進行研究，隧道內斷面溫度場見圖5、6。

圖5 Z1工況電力管廊斷面溫度場分布圖

圖6 Z2工況電力管廊斷面溫度場分布圖

以工況一：管廊按通風量6次/h對管廊進行通風，在電力管廊斷面150 m位置處，出現管廊內大范圍溫度超過50 ℃，絕大部分的管廊內溫度均位于40 ℃以上。嚴重影響電纜的運行環境及運行壽命。

以工況二：淺埋當量圓柱體理論計算通風量對管廊進行通風，除緊鄰散熱電纜周邊極小范圍的空氣外，電力管廊內絕大部分維度均維持在40 ℃以下，滿足電纜的運行環境溫度要求。

經模擬分析，采用淺埋當量圓柱體理論進行管廊通風量計算，滿足控制管廊內環境溫度要求，其計算方法應用于電力管廊是適用的。

4 結語

1）本文以株洲某電力管廊為例，提出了采用淺埋當量圓柱體的熱工理論計算管廊通風量，經理論計算、CFD仿真模擬及工程實例的應用檢驗證明合理可行，可為日后城市電力管廊的設計及計算提供新思路。

2）為避免遠期電力管廊艙內的溫度過高，影響后期電纜敷設，浪費管廊預留空間，在管廊設計中，嚴格按照電力工藝專業遠期電纜敷設需求進行負荷計算。

3）因土壤的恒定溫度損益影響，管廊通風設計過程中，應充分考慮管廊壁與周邊土壤的熱對流降溫效應，避免風機設備選型過大，造成不必要的浪費。

4）鑒于電力專用管廊散熱量較大，各艙室內的通風量較大，電力管廊艙室的通風可按照防火單元設計，避免單個風亭及風機選型過大，影響路面的視覺效果。