王淼 劉剛 甘長(zhǎng)德

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

電力電纜隧道在運(yùn)行的過(guò)程中，電纜作為一種電阻，在時(shí)刻向外散發(fā)熱量。對(duì)于國(guó)內(nèi)很多電力電纜隧道而言，大部分的電纜隧道設(shè)計(jì)僅僅當(dāng)作電纜溝來(lái)看，基本上不考慮隧道的通風(fēng)問(wèn)題[1]。國(guó)家在頒布有關(guān)電纜隧道方面的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范《電力電纜隧道設(shè)計(jì)規(guī)程》中[2]，只簡(jiǎn)單提及了電纜隧道的排風(fēng)溫度應(yīng)按照《小型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]：“電纜隧道通風(fēng)，應(yīng)按照夏季排風(fēng)溫度不超過(guò)40℃，進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)溫度差不超過(guò)10℃”，且對(duì)于隧道中高溫區(qū)的控制以及通風(fēng)系統(tǒng)也沒(méi)有門(mén)的要求。電纜隧道的相關(guān)研究文獻(xiàn)對(duì)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(fēng)對(duì)于電纜隧道的運(yùn)行至關(guān)重要，電力輸送導(dǎo)致電力隧道內(nèi)的空氣溫度不斷累加上升，長(zhǎng)此以往，過(guò)高的隧道內(nèi)環(huán)境溫度會(huì)造成電纜線(xiàn)路的載流量減少無(wú)法滿(mǎn)載運(yùn)行并減少電纜外皮絕緣層的使用壽命[4]，對(duì)電力隧道的運(yùn)行的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[5]。所以，通過(guò)選用相關(guān)有效措施來(lái)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(yùn)行。對(duì)于隧道內(nèi)的換熱情況進(jìn)行研究，考慮到隧道較長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性研究，因此使用CFD的模擬方法對(duì)隧道內(nèi)的通風(fēng)換熱進(jìn)行分析[6]，為后續(xù)的隧道內(nèi)風(fēng)量的設(shè)計(jì)提出了參考依據(jù)[7]。

1 工程概況

本文以中國(guó)南方福建某地的地下高壓220 kV電力電纜隧道為研究對(duì)象，隧道位于地下8 m位置處。高壓電力線(xiàn)路在電力輸送時(shí)，電纜線(xiàn)路作為一種發(fā)熱體，在運(yùn)行時(shí)會(huì)向外界散發(fā)熱量，若不及時(shí)排出，熱量累積會(huì)造成隧道內(nèi)的空氣溫度較高，必須通過(guò)通風(fēng)的方式來(lái)將隧道內(nèi)的產(chǎn)熱及時(shí)排出，降低隧道內(nèi)的環(huán)境溫度。當(dāng)?shù)氐膶?shí)際氣象條件參數(shù)以及隧道內(nèi)電纜的發(fā)熱量為依據(jù)，通過(guò)三維數(shù)值模擬的方式，分析隧道在不同斷面風(fēng)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(shè)計(jì)

2.1 物理模型

以某隧道的實(shí)際尺寸為依據(jù)，截取隧道長(zhǎng)度150 m作為計(jì)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(mén)，大小為1.9 m×0.8 m，隧道計(jì)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(fēng)換熱計(jì)算模型

圖2 2.4 m隧道通風(fēng)換熱計(jì)算模型

2.2 模型網(wǎng)格及求解條件

由于電纜隧道較長(zhǎng)，長(zhǎng)寬比例懸殊，在生成模型時(shí)網(wǎng)格數(shù)量較多。所以非結(jié)構(gòu)性的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)網(wǎng)格自行加密。使用Fluent軟件進(jìn)行模擬，求解器設(shè)置如表1所示：

表1 Fluent求解器設(shè)置

模擬計(jì)算的邊界條件分別為：隧道入口處設(shè)為等速度邊界條件，速度值為隧道入口風(fēng)速，溫度值為當(dāng)?shù)叵募臼彝馔L(fēng)溫度。隧道出口設(shè)為壓力邊界條件，壓力值為室外的大氣壓力，溫度為室外計(jì)算通風(fēng)溫度。土壤溫度取當(dāng)?shù)貙?shí)際溫度，為第一類(lèi)邊界條件。電纜隧道的發(fā)熱設(shè)為第二類(lèi)定熱流密度邊界條件，取值根據(jù)電力部門(mén)給出的正常負(fù)荷運(yùn)行工況下的發(fā)熱量為依據(jù)進(jìn)行計(jì)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(guān)參數(shù)取值。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

在2.4 m隧道內(nèi)，進(jìn)風(fēng)溫度風(fēng)取當(dāng)?shù)叵募就L(fēng)計(jì)算參數(shù)33.1℃，通風(fēng)風(fēng)量取值為隧道斷面流速為0.5 m/s的風(fēng)量8600 m3/h，隧道外層土壤溫度根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際條件取23℃，電纜發(fā)熱量根據(jù)電力部門(mén)所給資料為輸電線(xiàn)路正常負(fù)荷運(yùn)行工況下的發(fā)熱量100 W/m。

根據(jù)模擬結(jié)果表明，在隧道進(jìn)風(fēng)溫度為33.1℃，斷面風(fēng)速為0.5 m/s的情況下，此時(shí)隧道通風(fēng)風(fēng)量稍大于六次換氣次數(shù)。隧道排風(fēng)口處的出風(fēng)溫度為37℃，對(duì)于這個(gè)溫度，就國(guó)標(biāo)的規(guī)定來(lái)說(shuō)，隧道出口處的排風(fēng)溫度滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求不超過(guò)40℃。

對(duì)于電纜隧道內(nèi)的高溫?zé)狳c(diǎn)區(qū)域無(wú)法從出風(fēng)溫度處進(jìn)一步體現(xiàn)。通過(guò)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(fēng)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(guò)進(jìn)一步研究電纜間隔位置處的溫度變化來(lái)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(diǎn)導(dǎo)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?yàn)樽笥译娎|間隔對(duì)稱(chēng)，所取單側(cè)右側(cè)電纜間隔出的溫度繪制曲線(xiàn)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(fēng)速時(shí)電纜間隔處溫度變化規(guī)律

由圖6可見(jiàn)，對(duì)于0.5 m/s的斷面流速的通風(fēng)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(shí)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(guò)50℃，達(dá)到51.3℃，溫度較高。

雖然國(guó)標(biāo)只針對(duì)隧道出口位置處的排風(fēng)溫度要求在低于40℃，但是對(duì)于隧道內(nèi)的具體通風(fēng)系統(tǒng)的布置和環(huán)境溫度等并無(wú)具體要求。輸電線(xiàn)纜的周?chē)a(chǎn)生較高的空氣環(huán)境溫度，會(huì)使得電纜線(xiàn)路在運(yùn)行過(guò)程中造成載流量的下降和加速電纜線(xiàn)路的老化。所以，通過(guò)適當(dāng)?shù)耐L(fēng)方式來(lái)降低電纜周?chē)母邷貐^(qū)進(jìn)行十分重要。

通過(guò)在原來(lái)隧道模型的基礎(chǔ)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(duì)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(jié)果進(jìn)行比較。

根據(jù)模擬結(jié)果表明，在隧道空氣斷面流速為1m/s的情況下，此時(shí)風(fēng)量15700 m3/h，出口位置處排風(fēng)溫度為35.3℃，相比之前37℃的排風(fēng)溫度進(jìn)一步降低。對(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(jiàn)，保證電纜隧道內(nèi)的斷面內(nèi)合理空氣流速對(duì)于削弱電纜隧道內(nèi)高溫區(qū)至關(guān)重要。

圖7 2.4 m隧道截面1 m/s風(fēng)速時(shí)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(shí)風(fēng)量23500 m3/h，出口位置處排風(fēng)溫度為34.5℃，相比之前1 m/s的斷面風(fēng)速的工況排風(fēng)溫度進(jìn)一步降低。對(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(fēng)速時(shí)電纜間隔處溫度變化規(guī)律

4 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)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(jìn)風(fēng)溫度為夏季室外通風(fēng)溫度33.1℃的情況下，出口處排風(fēng)溫度為37℃，滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范出口處排風(fēng)溫度低于40℃，進(jìn)出口通風(fēng)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(rèn)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(diǎn)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(guò)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(yùn)行和延長(zhǎng)電纜使用壽命。

3）將隧道斷面空氣流速提高到1 m/s時(shí)，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(fēng)口位置處為43.7℃，和原0.5 m/s隧道斷面風(fēng)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(jìn)一步將斷面空氣流速控制在1.5 m/s時(shí)，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(shí)略有下降但不明顯，最高溫度僅僅下降2.3℃。在通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，考慮到通風(fēng)系統(tǒng)的相關(guān)運(yùn)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。