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

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。