基于浅埋当量圆柱体热工的电力管廊通风研究

高君鹏

中交第三航务工程勘察设计院有限公司

0 引言

随着我国城市规模发展，城市内的配套管线日益繁多。地下管廊以其占地面积少，地面视觉效果优，检修便利性高等众多优势，自诞生以来迅速得到各城市的青睐[1]。但随着管廊建设规模日益扩大，管廊体量也逐步攀升，伴随而来的是管廊内部的各类环境问题，包括舱内热环境、空气质量等。其中热环境以电力管廊尤为突出，现阶段城市纷纷将高压电缆包括220 kV，110 kV等电缆置入地下电力管廊内，该类型电缆截面尺寸大，载流量大，散热量大[2]，且其运行稳定性需求极高。

鉴于电力管廊内环境的重要性，需在电力管廊设计及建设阶段，充分考虑电力管廊远期运行工况，内部最大电缆容量及正常运行状态下最大载流情况[3]。

目前关于电力管廊的研究同样主要集中在电力管廊内的热源构成、热负荷、管廊通风组织方案、缩尺寸实验研究等方面[4-5]。

在工程实践过程中，针对大型高压电力管廊，内部散热量极大，前人的研究未能提供较为明确且合理的负荷系统详细的计算方案及完善的通风方案。

1 研究场景的简化建立

1.1 物理场景

本文以株洲某高压电力管廊工程设计为例，并进行简化，选取其中一个代表性的标准段为研究对象，抽象简化成如图1及图2所示的电力管廊模型。

图1 电力管廊三维视图

图2 管廊风井段断面图

1.2 电力管廊散热规模确定

经过前期预研及工程资料搜集，明确电力管廊远期两舱设置相同的电缆，分别设置三回220 kV 电缆及三回110 kV电缆。本管廊位于全新开发区，开发力度极大，区块可预见发展较为快速，本管廊为开发区的电力生命线，依据电力部门意见，为避免后期受环境温度制约，初期设计按照电缆载流量满载进行研究。

远期电力管廊电缆 220 kV 电缆规格为2500 mm2，载流量为 2200 A。110 kV 电缆规格为1000 mm2，载流量为1500 A。将电力管廊视为封闭空间，在相对运行稳定的情况下，电缆的散量均会稳定地散发到管廊内，可不进行电缆传热分析，采用下式进行分析[6]。

式中：Pn为电缆的单位热损失功率，W ；n为电缆芯数；I为电缆计算负荷电流，A ；A为电缆芯截面积，m m2；σL为电缆芯电阻率。

经过研究确定电力管廊每标准舱散热量约为148 kW。

1.3 电力管廊零星散热构成

电力管廊内系统繁多，包含管廊自控系统、通风系统、火灾报警系统、排水系统、配电系统等。内部散热源也呈现出多样化，包含灯具、风机、水泵电动机等设备散热。管廊内未除检修外，无人长期停留，不考虑人员的散热。

考虑前期研究，电力管廊内的零星散热基础计算资料缺乏，且相较于电缆散热量较小，为简化设计，考虑电缆散热量的1.05裕量系数。

电力管廊的总散热量为133300 kcal/h。

2 通风量理论计算研究

2.1 管廊简化分析

电力管廊常规埋深不大于6 m，地表温度的周期性变化对，地下电力管廊的传热有一定的影响，本文研究基础是基于浅埋地下建筑。经前期研究，蒸汽渗透对壁面温度的变化基本没有影响[7]，故研究过程中忽略湿度影响，仅考虑温度影响。计算过程中对浅埋建筑进行适当简化，鉴于电力管廊长度方向规模较大，长宽比远大于2，故将计算模型简化为当量圆柱体。

2.2 管廊通风量计算

依据简化后的浅埋当量圆柱体的夏季通风量计算公式详见式（2）～（7）所示。其中边界条件如下：株洲夏季通风室外计算温度为 32.9 ℃，电力管廊内最高温度不超过 40 ℃，最热月洞外日平均温度为 31.6 ℃，土壤的导热系数λ为2.2 kcal/(m·3h· ℃)，土壤导温系数a为0.0037 m2/ h，换热系数为7 kcal/(m·3h· ℃)，围护结构的导热系数λb为1.3 kcal/(m3· h ·℃)，围护结构的导温系数ab为0.003 m2/ h。

式中：G为夏季通风量，kg/h；Q为热负荷，kcal/h；Qs为地表面温度年周期性波动引起的壁面传热量，kcal/h；C为空气比热，一般C=0.24 kcal/(kg·℃)；tmax洞室内空气最高温度，℃ ；twx夏季通风洞室外计算温度，℃ ；tnd冬季洞室内空气日平均温度，℃ ；A2为日周期性波动传热计算参数；为日周期性波动传热计算参数E2=2πλ0l，kcal/(h·℃)；M为壁面年周期性波动传热计算参数，kcal/(h·℃)；N为壁面平均传热计算参数，kcal/(h·℃)，θ2为洞室外气温日周期性波动幅度，℃ ；θs为地表面温度年周期性波动引起的避免传热，kc al/h；θd为地表面温度年周期性波动幅度，℃ ；为年周期性波动温度常数；hy为围护结构侧壁面传热面积计算参数；B、a0、b0、c0为过程参数。

经计算，夏季最高温度时单舱的最大通风量为37320 m3/ h。

3 温度场控制结果

据前期研究发现，尚无采用浅埋当量圆柱体的热工理论计算管廊通风量，为验证该方案在地下浅埋管廊的适用性，分析在设计最大通风量的通风工况下，管廊内的温度分布情况，本文采用 CFD 流体动力学FLUENT进行模拟分析。

3.1 模型简化建立

地下电力管廊主要包含电缆对管廊内的空气对流传热、管廊内壁与内部空气的对流热固耦合、电力管廊管壁的热传导、电力管廊管壁，本次对电力管廊工况简化分析，电力隧道双洞为对称，本次对其中单洞进行计算。

地下土壤简化为恒温边界条件，电力管廊内的电缆简化为等热功率的散热棒，具体简化计算模型如图3所示：

图3 电力管廊三维视图

3.2 管廊热工理论验证研究方案

为研究浅埋当量圆柱体的热工理论在电力管廊的适用性，本文在同一场景中选取多种通风量进行研究，研究方案见表1。

表1 电力管廊温度场研究方案

3.3 管廊内温度场控制结果

为研究浅埋当量圆柱体理论适用性，本文在研究不同通风量对隧道通风效果研究时，选取管廊纵向断面的温度场进行研究，隧道内的断面温度场见图4。

图4 不同通风量电力管廊纵向温度场分布图

管廊内的温度由送风井至出风井，因受管廊内电缆散热影响，室外引入管廊的新风温度逐渐升高，排除后段电缆余热的温差逐渐减小，故导致管廊区段的后端热量聚集，舱室内的温度逐渐升高。

选取隧道内 50 m、100 m、150 m 三个位置断面的温度场进行研究，隧道内断面温度场见图5、6。

图5 Z1工况电力管廊断面温度场分布图

图6 Z2工况电力管廊断面温度场分布图

以工况一：管廊按通风量6次/h对管廊进行通风，在电力管廊断面150 m位置处，出现管廊内大范围温度超过50 ℃，绝大部分的管廊内温度均位于40 ℃以上。严重影响电缆的运行环境及运行寿命。

以工况二：浅埋当量圆柱体理论计算通风量对管廊进行通风，除紧邻散热电缆周边极小范围的空气外，电力管廊内绝大部分维度均维持在40 ℃以下，满足电缆的运行环境温度要求。

经模拟分析，采用浅埋当量圆柱体理论进行管廊通风量计算，满足控制管廊内环境温度要求，其计算方法应用于电力管廊是适用的。

4 结语

1）本文以株洲某电力管廊为例，提出了采用浅埋当量圆柱体的热工理论计算管廊通风量，经理论计算、CFD仿真模拟及工程实例的应用检验证明合理可行，可为日后城市电力管廊的设计及计算提供新思路。

2）为避免远期电力管廊舱内的温度过高，影响后期电缆敷设，浪费管廊预留空间，在管廊设计中，严格按照电力工艺专业远期电缆敷设需求进行负荷计算。

3）因土壤的恒定温度损益影响，管廊通风设计过程中，应充分考虑管廊壁与周边土壤的热对流降温效应，避免风机设备选型过大，造成不必要的浪费。

4）鉴于电力专用管廊散热量较大，各舱室内的通风量较大，电力管廊舱室的通风可按照防火单元设计，避免单个风亭及风机选型过大，影响路面的视觉效果。