張 敏,劉 哲,蘇 康

(1.中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司,河北 石家莊 050021;2.石家莊鐵道大學機械工程學院,河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著城市高速發(fā)展,對城市規(guī)劃和景觀要求越來越高,因此,從變電站通往城市市區(qū)的電力電纜越來越多的采用電纜隧道進行敷設[1]。電纜隧道內(nèi)各種電壓等級的電纜集中布置。由于電力電纜在運行時會產(chǎn)生一定的熱量,若電纜長時間處于高溫運行容易產(chǎn)生絕緣熱擊穿現(xiàn)象,造成電纜短路、跳閘等問題,甚至可能引發(fā)火災。另外,電力電纜隧道中常用的為交聯(lián)聚乙烯(Cross Linked Polyethylene Cable,XLPE)電纜,這種電纜的工作溫度超過允許值的8%,會使得電纜壽命下降為其期望壽命的一半;當工作溫度超過允許值的15%,會使得電纜的壽命下降為其期望壽命的1/4[2-3]。

因此,需要對電力電纜隧道的溫度場進行研究,保證電纜運行的合理溫度,為電網(wǎng)的安全可靠運行提供保障。DL/T 5484—2013《電力電纜隧道設計規(guī)程》(簡稱“規(guī)程”)中要求,排風溫度不應高于40℃,進、排風溫差不宜大于10℃。該規(guī)程僅對計算電纜隧道的通風量提出了進排風溫差的要求,但是對于電力電纜隧道內(nèi)的風速、溫度控制及通風系統(tǒng)沒有專門的要求,同時,現(xiàn)行規(guī)范也并未對該方面內(nèi)容作出規(guī)定?，F(xiàn)階段對隧道內(nèi)通風著重考慮的是對總通風量是否滿足要求,并未對相應的風速和氣流組織條件有相關的要求[4]。本文主要運用CFD數(shù)值模擬的方法,對隧道內(nèi)的通風換熱進行分析,為后續(xù)隧道內(nèi)的通風設計提供設計參考依據(jù)。

1 電纜隧道的模型構建

1.1 工程概況

以雄安新區(qū)某500 k V電力電纜隧道為研究對象,該隧道是雄安新區(qū)內(nèi)建設的第1條長距離電纜隧道,是為昝崗組團、雄縣組團以及組團聯(lián)絡提供電力保障的重要通路。隧道的截面按照電力隧道的實際截面進行建模,斷面尺寸為3.65 m×2.8 m,截取隧道一個長度200 m作為計算物理模型進行研究。

由于合理的電纜相位排列可以降低鄰近效應的影響提高載流量[5-6],同時由于“品”字形排列布置的對稱性最佳[7-8],因此隧道內(nèi)電纜敷設方式采取“品”字型敷設。通過數(shù)值模擬的方式,分析隧道在不同斷面風速的情況下隧道內(nèi)高溫區(qū)域的變化規(guī)律。

1.2 物理模型

本次模型采用Solid Works建立隧道的基本模型,隧道內(nèi)空間尺寸為200 m×3.65 m(H)×2.8 m的長方體,壁厚按照0.3 m墻體,具體隧道斷面情況見圖1,隧道整體模型情況詳見圖2。本次主要研究不同風速對電纜散熱的影響,因此對電纜隧道內(nèi)的進風口位置,排風口位置進行固定,僅考慮風速(風量)變化的影響。隧道內(nèi)的主要熱源為隧道內(nèi)的電纜發(fā)熱,散熱量為220 W/m。根據(jù)規(guī)程規(guī)定,排風溫度不宜大于40℃(即313 K)。

圖1 隧道斷面布置(單位:mm)

圖2 隧道模型

在模擬過程中,為了便于計算將模型進行了一定的簡化,簡化后將單回“品”字形敷設的電纜斷面近似為一個等邊三角形,并進行了網(wǎng)格劃分,總網(wǎng)格數(shù)約為231萬,具體網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 隧道網(wǎng)格劃分示意

1.3 數(shù)學模型及求解條件

模型控制方程采用以下3個方程[9]。

(1)質(zhì)量守恒方程

式中:u、v、w分別為x、y、z3個方向的速度;ρ為密度。

(2)動量方程[10]

(3)能量方程

式中:h為流體的導熱系數(shù);S h為流體的內(nèi)熱源;p div U為表面力對流體微元體所做的功,一般可以忽略;Φ為由于粘性作用機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分,稱為耗散函數(shù)。

本次模擬中采用空氣作為模擬介質(zhì),對各個邊界條件進行適當?shù)暮喕?邊界條件簡化為速度入口、壓力出口,不考慮壁面?zhèn)鳠岬挠绊?為了方便計算,對模型進行如下假設[9]:

(1)采用Boussinesq假設,不考慮壓力對密度變化的影響,僅考慮密度變化對浮升力的影響;

(2)室內(nèi)的氣流屬于穩(wěn)態(tài)的湍流,為常溫常壓及低速下的流動,可以視為不可壓縮理想流體流動,因此忽略有流體粘性力做功引起的耗散熱;

(3)由于本次模擬主要研究的是不同通風方案的優(yōu)劣,壁面導熱通風方案產(chǎn)生的影響不大,且夏季由于隧道內(nèi)的溫度要高于土壤溫度,其傳熱方向為向外傳熱,有利于隧道內(nèi)的溫度降低,因此在本次研究中,研究其極限不利情況,對于壁面按照絕熱進行處理;

(4)湍流模型選用Launder及Spal ding等提出的模型和壁面函數(shù)法進行計算。

隧道的模擬計算邊界條件分別為:速度入口為等速度入口,其值設為隧道內(nèi)的斷面風速;出口為壓力出口,初始值為標準大氣壓;溫度值取GB 50019《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》中當?shù)叵募就L計算溫度,經(jīng)查為30.4℃;電纜的發(fā)熱為第2類邊界條件,采用定熱流密度;隧道內(nèi)壁面的摩擦阻力按照混凝土的相關參數(shù)選取。模擬分析流程見圖4。

圖4 數(shù)值分析求解流程示意

2 計算結果及分析

2.1 斷面風速的影響

本次模擬中,隧道的進風溫度取當?shù)氐南募就L計算溫度30.4℃,電纜發(fā)熱量按照220 W/m進行計算,經(jīng)計算進風速度為3.48 m/s時,換氣次數(shù)滿足隧道內(nèi)換氣次數(shù)不小于6次/h的要求,此時斷面風速為0.34 m/s。胡康等[11]的研究表明提高隧道內(nèi)的通風換氣次數(shù),對于電纜表面的對流換熱效果越好,電纜表面溫度會越低。對于隧道內(nèi)溫度場的研究,可以利用多物理場耦合模型進行。

從隧道縱斷面溫度分布圖(圖5)中可看出,隧道內(nèi)的溫度隨著氣流流動方向呈上升趨勢,在接近排風口附近溫度最高。同時從隧道橫斷面溫度分布圖(圖6)中可以看出,隧道內(nèi)會有局部溫度較高區(qū)域,此區(qū)域溫度高于40℃,而此處溫度無法通過排風溫度進行判斷。

圖5 隧道縱斷面溫度分布

根據(jù)橫斷面溫度分布圖,目前暫定高度1.7 m、3.4 m處2點為隧道內(nèi)的高溫區(qū)域,著重研究不同風速下此部分區(qū)域內(nèi)的溫度分布情況,2點的坐標為x=0.4 m,y=1.7 m及x=0.4 m,y=3.4 m。具體位置見圖6。

圖6 隧道內(nèi)電纜高溫區(qū)域測點位置分布

1.7 m處高溫區(qū)域主要是由于隧道內(nèi)電纜間距較小,導致的熱空氣流動不暢產(chǎn)生的熱氣流集聚現(xiàn)象;3.4 m處高溫區(qū)域主要是由于熱空氣密度較小,集中在隧道上部,并且和電纜散熱綜合產(chǎn)生的溫度較高現(xiàn)象。

如圖7、圖8所示,取1.7 m、3.4 m2處位置在隧道軸向方向上的溫度分布,觀察其在不同隧道斷面風速情況下軸向的溫度變化情況,可知,在斷面風速為0.38 m/s的情況下,由于隧道內(nèi)的斷面風速較低,隧道內(nèi)這兩個高溫區(qū)域位置處的溫度升高較為明顯,特別是在靠近隧道出口1.7 m、3.4 m處的最高溫度分別為41.67℃、41.53℃,超過規(guī)程中要求的隧道排風溫度40℃,溫度較高。規(guī)程中雖然只對排風溫度進行了低于40℃的要求,卻并未對隧道內(nèi)通風系統(tǒng)布置和環(huán)境溫度有具體要求,研究表明隧道內(nèi)的溫度升高時,會使隧道內(nèi)敷設電纜的允許載流量下降,當隧道避免溫度每升高5℃時,載流量下降約5%,因此適當?shù)臏p少隧道內(nèi)高溫區(qū)域的溫度十分必要。

圖7 1.7 m高處高溫區(qū)域在不同風速下溫度變化規(guī)律

圖8 3.4 m高處高溫區(qū)域在不同風速下溫度變化規(guī)律

在原有模型的基礎上通過提高隧道內(nèi)的斷面風速,觀察隧道內(nèi)1.7 m、3.4 m 2處高溫區(qū)域的溫度變化情況。模擬的斷面風速分別取0.5 m/s(通風 量18396 m3/h)、1.0 m/s(通 風 量36792 m3/h)和1.5 m/s(通風量55188 m3/h),并與上述結果進行比較。從圖7、圖8中可知,當隧道斷面風速提高時,隧道內(nèi)的溫度會隨著斷面風速的升高而降低,因此可以看出提高斷面風速可有效改善隧道內(nèi)的溫度分布,降低隧道內(nèi)高溫區(qū)溫度。同時可以看出,當隧道的斷面風速較小時(0.38 m/s),提高斷面風速可以有效改善隧道內(nèi)的溫度場。例如,當斷面風速提高到0.5 m/s時,斷面風速提高了0.12 m/s,隧道內(nèi)高溫區(qū)溫度由原來41.67℃下降到38.5℃,下降了3.17℃,溫度較原有溫度有了明顯下降,有利于電纜的散熱。當斷面風速繼續(xù)提高到1.0 m/s時,高溫區(qū)域溫度下降到34.86℃,下降了3.64℃。當斷面風速提高到1.5 m/s時,高溫區(qū)域溫度下降到33.56℃,下降了1.3℃,可以看出隨著斷面風速的提高,隧道內(nèi)高溫區(qū)溫度會有所下降,但是下降的幅度會逐漸減小。

同時,通過圖9可以得出,隨著斷面風速的增加,排風口的溫度會下降,溫度下降幅度在開始較為明顯,但是在1.0 m/s變?yōu)?.5 m/s時,速度增加了0.5 m/s,溫度僅下降了1.22℃,下降幅度較小,變化不明顯。通過以上分析可以得出,電纜隧道內(nèi)的斷面風速并非越大越好,應在考慮能效比等多方面因素后確定,對于本次工況,推薦的風速為1.0 m/s左右較為合適。

圖9 不同風速條件下排風口溫度變化

2.2 相間距對散熱影響

研究表明,當相間距增大可以使得損耗功率因數(shù)下降[12]。電纜隧道中的散熱方式有:電纜本體與土壤間的熱傳導、隧道內(nèi)因溫度梯度而產(chǎn)生的自然對流、電纜表面向隧道內(nèi)壁的熱輻射3種形式[13],且這3種導熱方式是相伴存在的。隧道內(nèi)電纜相間距對電纜散熱有一定影響,圖10可以看出當隧道內(nèi)的間距增大時,電纜間的溫度會下降,有利于電纜的散熱,因此在電纜隧道內(nèi)斷面允許的情況下,盡量增大電纜的相間距,有利于電纜的對流散熱。

圖10 不同電纜間距下電纜間溫度變化

3 結論

(1)從模擬結果可以看出,當隧道內(nèi)的斷面風速為0.38 m/s時,隧道的排風溫度小于40℃,滿足規(guī)程的要求,但是隧道內(nèi)的高溫區(qū)域溫度為41.67℃,超過規(guī)程要求的排風溫度。

(2)當隧道內(nèi)的斷面風速較低時,提高隧道斷面風速可有效降低隧道內(nèi)高溫區(qū)域溫度,保證電纜的安全運行。

(3)當隧道內(nèi)的斷面風速提高到1.0 m/s以后,繼續(xù)提高隧道的斷面風速對于高溫區(qū)域的溫度影響不明顯,而且會提高通風系統(tǒng)設備的造價及運行能耗,因此,針對本次模擬工況,推薦的斷面風速不宜大于1.0 m/s。

(4)當電纜相間距較小時,不利于電纜表面與周圍空氣的對流換熱,使得電纜間空氣溫度變高,合理增大電纜相間距對電纜的表面的對流散熱有積極影響,也有利于電纜的安全運行。