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        基于淺埋當(dāng)量圓柱體熱工的電力管廊通風(fēng)研究

        2022-06-11 04:21:34高君鵬
        關(guān)鍵詞:散熱量圓柱體當(dāng)量

        高君鵬

        中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司

        0 引言

        隨著我國城市規(guī)模發(fā)展,城市內(nèi)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(yōu),檢修便利性高等眾多優(yōu)勢,自誕生以來迅速得到各城市的青睞[1]。但隨著管廊建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大,管廊體量也逐步攀升,伴隨而來的是管廊內(nèi)部的各類環(huán)境問題,包括艙內(nèi)熱環(huán)境、空氣質(zhì)量等。其中熱環(huán)境以電力管廊尤為突出,現(xiàn)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(nèi),該類型電纜截面尺寸大,載流量大,散熱量大[2],且其運(yùn)行穩(wěn)定性需求極高。

        鑒于電力管廊內(nèi)環(huán)境的重要性,需在電力管廊設(shè)計及建設(shè)階段,充分考慮電力管廊遠(yuǎn)期運(yùn)行工況,內(nèi)部最大電纜容量及正常運(yùn)行狀態(tài)下最大載流情況[3]。

        目前關(guān)于電力管廊的研究同樣主要集中在電力管廊內(nèi)的熱源構(gòu)成、熱負(fù)荷、管廊通風(fēng)組織方案、縮尺寸實(shí)驗(yàn)研究等方面[4-5]。

        在工程實(shí)踐過程中,針對大型高壓電力管廊,內(nèi)部散熱量極大,前人的研究未能提供較為明確且合理的負(fù)荷系統(tǒng)詳細(xì)的計算方案及完善的通風(fēng)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(shè)計為例,并進(jìn)行簡化,選取其中一個代表性的標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)井段斷面圖

        1.2 電力管廊散熱規(guī)模確定

        經(jīng)過前期預(yù)研及工程資料搜集,明確電力管廊遠(yuǎn)期兩艙設(shè)置相同的電纜,分別設(shè)置三回220 kV 電纜及三回110 kV電纜。本管廊位于全新開發(fā)區(qū),開發(fā)力度極大,區(qū)塊可預(yù)見發(fā)展較為快速,本管廊為開發(fā)區(qū)的電力生命線,依據(jù)電力部門意見,為避免后期受環(huán)境溫度制約,初期設(shè)計按照電纜載流量滿載進(jìn)行研究。

        遠(yuǎn)期電力管廊電纜 220 kV 電纜規(guī)格為2500 mm2,載流量為 2200 A。110 kV 電纜規(guī)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(yùn)行穩(wěn)定的情況下,電纜的散量均會穩(wěn)定地散發(fā)到管廊內(nèi),可不進(jìn)行電纜傳熱分析,采用下式進(jìn)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(shù);I為電纜計算負(fù)荷電流,A ;A為電纜芯截面積,m m2;σL為電纜芯電阻率。

        經(jīng)過研究確定電力管廊每標(biāo)準(zhǔn)艙散熱量約為148 kW。

        1.3 電力管廊零星散熱構(gòu)成

        電力管廊內(nèi)系統(tǒng)繁多,包含管廊自控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等。內(nèi)部散熱源也呈現(xiàn)出多樣化,包含燈具、風(fēng)機(jī)、水泵電動機(jī)等設(shè)備散熱。管廊內(nèi)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(nèi)的零星散熱基礎(chǔ)計算資料缺乏,且相較于電纜散熱量較小,為簡化設(shè)計,考慮電纜散熱量的1.05裕量系數(shù)。

        電力管廊的總散熱量為133300 kcal/h。

        2 通風(fēng)量理論計算研究

        2.1 管廊簡化分析

        電力管廊常規(guī)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(chǔ)是基于淺埋地下建筑。經(jīng)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(jìn)行適當(dāng)簡化,鑒于電力管廊長度方向規(guī)模較大,長寬比遠(yuǎn)大于2,故將計算模型簡化為當(dāng)量圓柱體。

        2.2 管廊通風(fēng)量計算

        依據(jù)簡化后的淺埋當(dāng)量圓柱體的夏季通風(fēng)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(fēng)室外計算溫度為 32.9 ℃,電力管廊內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)λ為2.2 kcal/(m·3h· ℃),土壤導(dǎo)溫系數(shù)a為0.0037 m2/ h,換熱系數(shù)為7 kcal/(m·3h· ℃),圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)λb為1.3 kcal/(m3· h ·℃),圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)溫系數(shù)ab為0.003 m2/ h。

        式中:G為夏季通風(fēng)量,kg/h;Q為熱負(fù)荷,kcal/h;Qs為地表面溫度年周期性波動引起的壁面?zhèn)鳠崃?,kcal/h;C為空氣比熱,一般C=0.24 kcal/(kg·℃);tmax洞室內(nèi)空氣最高溫度,℃ ;twx夏季通風(fēng)洞室外計算溫度,℃ ;tnd冬季洞室內(nèi)空氣日平均溫度,℃ ;A2為日周期性波動傳熱計算參數(shù);為日周期性波動傳熱計算參數(shù)E2=2πλ0l,kcal/(h·℃);M為壁面年周期性波動傳熱計算參數(shù),kcal/(h·℃);N為壁面平均傳熱計算參數(shù),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(shù);hy為圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁面?zhèn)鳠崦娣e計算參數(shù);B、a0、b0、c0為過程參數(shù)。

        經(jīng)計算,夏季最高溫度時單艙的最大通風(fēng)量為37320 m3/ h。

        3 溫度場控制結(jié)果

        據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn),尚無采用淺埋當(dāng)量圓柱體的熱工理論計算管廊通風(fēng)量,為驗(yàn)證該方案在地下淺埋管廊的適用性,分析在設(shè)計最大通風(fēng)量的通風(fēng)工況下,管廊內(nèi)的溫度分布情況,本文采用 CFD 流體動力學(xué)FLUENT進(jìn)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(nèi)的空氣對流傳熱、管廊內(nèi)壁與內(nèi)部空氣的對流熱固耦合、電力管廊管壁的熱傳導(dǎo)、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(jìn)行計算。

        地下土壤簡化為恒溫邊界條件,電力管廊內(nèi)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(yàn)證研究方案

        為研究淺埋當(dāng)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(fēng)量進(jìn)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(nèi)溫度場控制結(jié)果

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

        圖4 不同通風(fēng)量電力管廊縱向溫度場分布圖

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

        選取隧道內(nèi) 50 m、100 m、150 m 三個位置斷面的溫度場進(jìn)行研究,隧道內(nèi)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(fēng)量6次/h對管廊進(jìn)行通風(fēng),在電力管廊斷面150 m位置處,出現(xiàn)管廊內(nèi)大范圍溫度超過50 ℃,絕大部分的管廊內(nèi)溫度均位于40 ℃以上。嚴(yán)重影響電纜的運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行壽命。

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

        經(jīng)模擬分析,采用淺埋當(dāng)量圓柱體理論進(jìn)行管廊通風(fēng)量計算,滿足控制管廊內(nèi)環(huán)境溫度要求,其計算方法應(yīng)用于電力管廊是適用的。

        4 結(jié)語

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

        2)為避免遠(yuǎn)期電力管廊艙內(nèi)的溫度過高,影響后期電纜敷設(shè),浪費(fèi)管廊預(yù)留空間,在管廊設(shè)計中,嚴(yán)格按照電力工藝專業(yè)遠(yuǎn)期電纜敷設(shè)需求進(jìn)行負(fù)荷計算。

        3)因土壤的恒定溫度損益影響,管廊通風(fēng)設(shè)計過程中,應(yīng)充分考慮管廊壁與周邊土壤的熱對流降溫效應(yīng),避免風(fēng)機(jī)設(shè)備選型過大,造成不必要的浪費(fèi)。

        4)鑒于電力專用管廊散熱量較大,各艙室內(nèi)的通風(fēng)量較大,電力管廊艙室的通風(fēng)可按照防火單元設(shè)計,避免單個風(fēng)亭及風(fēng)機(jī)選型過大,影響路面的視覺效果。

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