APP下载

GIL管廊的通风效果模拟分析

2023-01-06梁佳琪徐大坤李晨阳

科技创新与应用 2022年36期
关键词:进风口排风管廊

甘 露,梁佳琪,徐大坤,张 磊,李晨阳

(1.山东电力工程咨询院有限公司,济南 250013;2.哈尔滨工业大学 建筑学院 寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室,哈尔滨 150090)

近年来,“马路拉链”“空中蜘蛛网”等问题逐渐引起社会关注,而地下综合管廊由于充分利用地下空间、显著提高各类管线的安全与寿命等优点得到迅速发展[1]。GIL是气体绝缘输电线路的简称,其优点有载流量大、单位损耗低、不受环境影响和故障率低等[2],在地下管廊中得到越来越广泛的应用。由于地下综合管廊位于封闭的地下空间,GIL管线在工作时会散发大量热量及水汽,增加管廊内部温湿度,给微生物的滋生创造了条件[3],从而导致线缆使用寿命缩短及影响维护工作等问题。因此,需要对综合管廊设置可靠的通风系统。如借助自然通风、机械通风等手段实现管廊的通风换气,排出管廊内的热量,提高管廊内空气质量,维持合理的气流组织形式,为工作人员提供足够的新鲜空气。同时,当SF6气体超限和火灾发生时,合理的通风系统有利于及时排出有害气体,控制火灾烟气弥漫及灾后排除烟气,降低损失[4]。

在综合管廊数值模拟方面,徐亮等[2]研究发现在空气流速低于10 m/s时,GIL温度随着空气流速的增加而快速下降;白思卓等[5]通过对比机械排风与诱导通风系统2种通风方式,得出诱导通风系统可增大管廊内平均风速;李哲等[6]发现随着断面风速的增大,空气温度最高点逐渐从电缆周围转移至排风口处;叶爽等[7]对综合管廊的数值模拟研究发现排风口附近空气温度较高。

本文结合实际工程,对济南某地下GIL管廊进行数值模拟,根据夏季室外空气温度及电缆工作情况,设置不同模拟工况,并对各个工况管廊内温度场、速度场进行分析。通过模拟结果,校核工程设计的合理性,并对设计通风方式提出建议,为其他管廊工程设计提供一定参考。

1 工程介绍

济南某GIL地下管廊工程全长共计305 m,其中前290 m标准断面尺寸为6 m×4.5 m,后15 m标准断面尺寸为4.2 m×4.5 m。管廊内的GIL双侧2回布置,左右两侧各1回,每回3相,共6相,管廊断面图如图1所示。

GIL管廊通风系统采用自然进风、机械排风系统,排风设备采用柜式离心风机,风机设置在500 kV配电装置楼顶部排风机房内,通过风管与GIL管廊连接;GIL管廊终端处进风竖井,进风竖井布置防雨百叶窗,通过百叶窗进风。

2 数值模拟

2.1 物理模型及网格划分

在管廊建模过程中,采取合理简化。将前段管廊简化为长290 m,高7.7 m,宽6.2 m的长方体;后段管廊简化为长15 m,高5.2 m,宽5.5 m的长方体;GIL断面简化为直径700 mm的圆形;送风口断面尺寸为2 m×2 m,共4个,布置在管廊进口顶部;排风口断面尺寸为2 m×1 m,共2个,布置在管廊尾部上侧;不考虑电缆支架等对管廊热环境的影响,管廊物理模型如图2所示。

图2 GIL管廊物理模型立体图

对管廊几何模型进行网格划分,考虑周围土壤与管壁之间的换热,最小网格质量0.48,模型网格断面图如图3所示,网格数量为223万。

图3 模型网格断面图

2.2 工况设置

本次模拟共考虑夏季4种工况,按进风温度分为极端温度与通风温度,按运行工况分为正常工况与事故工况,具体研究工况设置见表1。

表1 模拟各工况条件设定

2.3 边界条件

(1)进风口处,设置压力入口,进风温度按各工况对应数据计算;出风口为速度出口,出口速度按工程计算值6 m/s计算,其余壁面简化为绝热壁面,不考虑换热。

(2)管廊隧道外土壤温度为非恒温变化,计算土壤对管廊内壁的传热,分别考虑管廊上部、侧面及下部的土壤温度。

(3)GIL管道发热量正常工况下按71 W/(m·根)计算,事故工况下按235 W/(m·根)计算。

3 模拟结果分析

3.1 空间温度场结果分析

由图4可看出,管廊内空气温度受进风温度影响很大。如工况1和工况3所示,在进风温度为通风温度(30.9℃)时,管廊内整体温度低于37℃;而工况2和工况4的进风温度设置为极端温度(40.5℃),管廊内上部空气温度始终较高。对于工况4,在距离进风口40 m范围内,由于空气扰动剧烈,增强了与壁面的对流换热,使得此段区域温度有一定降低,而其余区域均出现高于42℃的情况,此时不利于设备正常运行和工作人员的检修。

图4 各工况GIL管廊中截面温度云图

由于GIL管线的沿途散热,管廊内空气温度沿Z轴负方向(管廊长度方向)逐渐升高,在排风口附近达到最高温度。当空气流动至前后段管廊尺寸变化处,局部阻力损失较大,导致空气流速减小,换热能力下降,出现局部温度升高现象。

图5为各工况距进风口50 m处截面温度云图,从图中可看出,低温壁面对管廊内空气的降温效果显著,在极端进风温度时更为明显。位于底部的GIL管线表面温度较低,位于顶部的GIL管线表面温度较高,这是由于GIL管线发热加热周围空气,空气受热密度降低从而上升,在顶部与低温壁面换热后温度降低而下沉。工况1和工况2是6根GIL管线同时运行的正常工况,左右两侧空气温度情况基本相同,在两侧GIL管线中间区域的空气温度较高;工况3和工况4是左侧3根GIL管线同时运行的事故工况,由图5可看出左侧空气温度整体较高,此时管廊内截面处存在局部温度较高的现象。事故工况下单根电缆的发热量高于正常工况,因此会造成电缆周围局部温度过高,温度场分布不均匀,通风效果差,应定期对管廊进行检修维护,尽量避免此种工况。

图5 距进风口50m处截面温度分布图

3.2 空间速度场结果分析

由图6可看出,风速分布趋势为:靠近GIL管线及壁面处空气流速较低,两侧管线之间风速高。距进风口40 m范围内空气气流形式为湍流,风速梯度变化很大,空气换热效果好,接触充分;40 m之后湍流强度变小,随后气流形式变为层流,断面平均速度下降为1m/s左右,速度分布较均匀。在前后段管廊尺寸变化处及排风口处由于截面收缩,出现局部速度增大的情况。

图6 管廊Z轴方向不同截面速度云图

3.3 建议

通过对此GIL管廊工程的模拟研究,发现已有的设计方案在夏季通风进风温度条件下,管廊内温度低于37℃,满足规范要求;但对于夏季极端进风温度的处理能力较弱,在事故工况时管廊出口空气温度超过42℃,高于规范[8]中限值40℃。

对该方案提出以下改进建议:

(1)夏季通风温度条件下,虽然满足规范要求,但存在能耗过大的情况,可增设自动控制温控系统,在室外温度较低时关闭风机,减小出风速度以降低能耗。

(2)增加风口数量,风口的增加有利于管廊内空气充分换热,使热量及时排出,提高通风效率,取得最佳的气流组织效果,同时达到更加经济节能的目的。

(3)在夏季极端天气工况下,可辅助简单制冷设备进行通风,如在管廊两端设置冷却风机[9]或增加诱导通风系统[5]来降低管廊内温度,否则管廊内温度会大大升高,达不到通风换热效果。

4 结论

(1)管廊内空气温度受进风温度影响较大,在夏季通风进风温度工况下管廊内空气最高温度为37℃,夏季极端进风温度工况下,管廊出口区域温度达到42℃,高于设计标准的限值40℃,在工程设计时要考虑夏季室外极端温度的影响。

(2)由于GIL管线沿途散热,管廊内空气温度沿管廊长度方向逐渐升高,在排风口附近达到最高温度。当空气流动至前后段管廊尺寸变化处,局部阻力损失较大,导致空气流速减小,换热能力下降,出现局部温度升高现象。

(3)进风口40 m范围内空气扰动剧烈,温度变化剧烈,随后变为层流,温度及速度分布较均匀。空气流动速度对通风散热有正向影响,合理的出风速度设计能够增强换热。

猜你喜欢

进风口排风管廊
地下综合管廊施工技术探讨
建筑排风隔热外窗冬季结露机理与防治
综合管廊天然气管道设计
团队介绍
建好地下综合管廊成就城市美好未来
基于STM32的室内有害气体自动检测与排风系统
地下车库CO浓度分布及排风方式的实验研究
一种汽车烤漆房送风装置
酱油制曲关键工艺设备优化
轴流风机进风口对噪音的影响