GIL管廊的通風效果模擬分析

甘 露，梁佳琪，徐大坤，張 磊，李晨陽

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013；2.哈爾濱工業大學 建筑學院 寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室，哈爾濱 150090）

近年來，“馬路拉鏈”“空中蜘蛛網”等問題逐漸引起社會關注，而地下綜合管廊由于充分利用地下空間、顯著提高各類管線的安全與壽命等優點得到迅速發展[1]。GIL是氣體絕緣輸電線路的簡稱，其優點有載流量大、單位損耗低、不受環境影響和故障率低等[2]，在地下管廊中得到越來越廣泛的應用。由于地下綜合管廊位于封閉的地下空間，GIL管線在工作時會散發大量熱量及水汽，增加管廊內部溫濕度，給微生物的滋生創造了條件[3]，從而導致線纜使用壽命縮短及影響維護工作等問題。因此，需要對綜合管廊設置可靠的通風系統。如借助自然通風、機械通風等手段實現管廊的通風換氣，排出管廊內的熱量，提高管廊內空氣質量，維持合理的氣流組織形式，為工作人員提供足夠的新鮮空氣。同時，當SF6氣體超限和火災發生時，合理的通風系統有利于及時排出有害氣體，控制火災煙氣彌漫及災后排除煙氣，降低損失[4]。

在綜合管廊數值模擬方面，徐亮等[2]研究發現在空氣流速低于10 m/s時，GIL溫度隨著空氣流速的增加而快速下降；白思卓等[5]通過對比機械排風與誘導通風系統2種通風方式，得出誘導通風系統可增大管廊內平均風速；李哲等[6]發現隨著斷面風速的增大，空氣溫度最高點逐漸從電纜周圍轉移至排風口處；葉爽等[7]對綜合管廊的數值模擬研究發現排風口附近空氣溫度較高。

本文結合實際工程，對濟南某地下GIL管廊進行數值模擬，根據夏季室外空氣溫度及電纜工作情況，設置不同模擬工況，并對各個工況管廊內溫度場、速度場進行分析。通過模擬結果，校核工程設計的合理性，并對設計通風方式提出建議，為其他管廊工程設計提供一定參考。

1 工程介紹

濟南某GIL地下管廊工程全長共計305 m，其中前290 m標準斷面尺寸為6 m×4.5 m，后15 m標準斷面尺寸為4.2 m×4.5 m。管廊內的GIL雙側2回布置，左右兩側各1回，每回3相，共6相，管廊斷面圖如圖1所示。

GIL管廊通風系統采用自然進風、機械排風系統，排風設備采用柜式離心風機，風機設置在500 kV配電裝置樓頂部排風機房內，通過風管與GIL管廊連接；GIL管廊終端處進風豎井，進風豎井布置防雨百葉窗，通過百葉窗進風。

2 數值模擬

2.1 物理模型及網格劃分

在管廊建模過程中，采取合理簡化。將前段管廊簡化為長290 m，高7.7 m，寬6.2 m的長方體；后段管廊簡化為長15 m，高5.2 m，寬5.5 m的長方體；GIL斷面簡化為直徑700 mm的圓形；送風口斷面尺寸為2 m×2 m，共4個，布置在管廊進口頂部；排風口斷面尺寸為2 m×1 m，共2個，布置在管廊尾部上側；不考慮電纜支架等對管廊熱環境的影響，管廊物理模型如圖2所示。

圖2 GIL管廊物理模型立體圖

對管廊幾何模型進行網格劃分，考慮周圍土壤與管壁之間的換熱，最小網格質量0.48，模型網格斷面圖如圖3所示，網格數量為223萬。

圖3 模型網格斷面圖

2.2 工況設置

本次模擬共考慮夏季4種工況，按進風溫度分為極端溫度與通風溫度，按運行工況分為正常工況與事故工況，具體研究工況設置見表1。

表1 模擬各工況條件設定

2.3 邊界條件

（1）進風口處，設置壓力入口，進風溫度按各工況對應數據計算；出風口為速度出口，出口速度按工程計算值6 m/s計算，其余壁面簡化為絕熱壁面，不考慮換熱。

（2）管廊隧道外土壤溫度為非恒溫變化，計算土壤對管廊內壁的傳熱，分別考慮管廊上部、側面及下部的土壤溫度。

（3）GIL管道發熱量正常工況下按71 W/（m·根）計算，事故工況下按235 W/（m·根）計算。

3 模擬結果分析

3.1 空間溫度場結果分析

由圖4可看出，管廊內空氣溫度受進風溫度影響很大。如工況1和工況3所示，在進風溫度為通風溫度（30.9℃）時，管廊內整體溫度低于37℃；而工況2和工況4的進風溫度設置為極端溫度（40.5℃），管廊內上部空氣溫度始終較高。對于工況4，在距離進風口40 m范圍內，由于空氣擾動劇烈，增強了與壁面的對流換熱，使得此段區域溫度有一定降低，而其余區域均出現高于42℃的情況，此時不利于設備正常運行和工作人員的檢修。

圖4 各工況GIL管廊中截面溫度云圖

由于GIL管線的沿途散熱，管廊內空氣溫度沿Z軸負方向（管廊長度方向）逐漸升高，在排風口附近達到最高溫度。當空氣流動至前后段管廊尺寸變化處，局部阻力損失較大，導致空氣流速減小，換熱能力下降，出現局部溫度升高現象。

圖5為各工況距進風口50 m處截面溫度云圖，從圖中可看出，低溫壁面對管廊內空氣的降溫效果顯著，在極端進風溫度時更為明顯。位于底部的GIL管線表面溫度較低，位于頂部的GIL管線表面溫度較高，這是由于GIL管線發熱加熱周圍空氣，空氣受熱密度降低從而上升，在頂部與低溫壁面換熱后溫度降低而下沉。工況1和工況2是6根GIL管線同時運行的正常工況，左右兩側空氣溫度情況基本相同，在兩側GIL管線中間區域的空氣溫度較高；工況3和工況4是左側3根GIL管線同時運行的事故工況，由圖5可看出左側空氣溫度整體較高，此時管廊內截面處存在局部溫度較高的現象。事故工況下單根電纜的發熱量高于正常工況，因此會造成電纜周圍局部溫度過高，溫度場分布不均勻，通風效果差，應定期對管廊進行檢修維護，盡量避免此種工況。

圖5 距進風口50m處截面溫度分布圖

3.2 空間速度場結果分析

由圖6可看出，風速分布趨勢為：靠近GIL管線及壁面處空氣流速較低，兩側管線之間風速高。距進風口40 m范圍內空氣氣流形式為湍流，風速梯度變化很大，空氣換熱效果好，接觸充分；40 m之后湍流強度變小，隨后氣流形式變為層流，斷面平均速度下降為1m/s左右，速度分布較均勻。在前后段管廊尺寸變化處及排風口處由于截面收縮，出現局部速度增大的情況。

圖6 管廊Z軸方向不同截面速度云圖

3.3 建議

通過對此GIL管廊工程的模擬研究，發現已有的設計方案在夏季通風進風溫度條件下，管廊內溫度低于37℃，滿足規范要求；但對于夏季極端進風溫度的處理能力較弱，在事故工況時管廊出口空氣溫度超過42℃，高于規范[8]中限值40℃。

對該方案提出以下改進建議：

（1）夏季通風溫度條件下，雖然滿足規范要求，但存在能耗過大的情況，可增設自動控制溫控系統，在室外溫度較低時關閉風機，減小出風速度以降低能耗。

（2）增加風口數量，風口的增加有利于管廊內空氣充分換熱，使熱量及時排出，提高通風效率，取得最佳的氣流組織效果，同時達到更加經濟節能的目的。

（3）在夏季極端天氣工況下，可輔助簡單制冷設備進行通風，如在管廊兩端設置冷卻風機[9]或增加誘導通風系統[5]來降低管廊內溫度，否則管廊內溫度會大大升高，達不到通風換熱效果。

4 結論

（1）管廊內空氣溫度受進風溫度影響較大，在夏季通風進風溫度工況下管廊內空氣最高溫度為37℃，夏季極端進風溫度工況下，管廊出口區域溫度達到42℃，高于設計標準的限值40℃，在工程設計時要考慮夏季室外極端溫度的影響。

（2）由于GIL管線沿途散熱，管廊內空氣溫度沿管廊長度方向逐漸升高，在排風口附近達到最高溫度。當空氣流動至前后段管廊尺寸變化處，局部阻力損失較大，導致空氣流速減小，換熱能力下降，出現局部溫度升高現象。

（3）進風口40 m范圍內空氣擾動劇烈，溫度變化劇烈，隨后變為層流，溫度及速度分布較均勻。空氣流動速度對通風散熱有正向影響，合理的出風速度設計能夠增強換熱。