GIL管廊的通风效果模拟分析

甘 露，梁佳琪，徐大坤，张 磊，李晨阳

（1.山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013；2.哈尔滨工业大学 建筑学院 寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，哈尔滨 150090）

近年来，“马路拉链”“空中蜘蛛网”等问题逐渐引起社会关注，而地下综合管廊由于充分利用地下空间、显著提高各类管线的安全与寿命等优点得到迅速发展[1]。GIL是气体绝缘输电线路的简称，其优点有载流量大、单位损耗低、不受环境影响和故障率低等[2]，在地下管廊中得到越来越广泛的应用。由于地下综合管廊位于封闭的地下空间，GIL管线在工作时会散发大量热量及水汽，增加管廊内部温湿度，给微生物的滋生创造了条件[3]，从而导致线缆使用寿命缩短及影响维护工作等问题。因此，需要对综合管廊设置可靠的通风系统。如借助自然通风、机械通风等手段实现管廊的通风换气，排出管廊内的热量，提高管廊内空气质量，维持合理的气流组织形式，为工作人员提供足够的新鲜空气。同时，当SF6气体超限和火灾发生时，合理的通风系统有利于及时排出有害气体，控制火灾烟气弥漫及灾后排除烟气，降低损失[4]。

在综合管廊数值模拟方面，徐亮等[2]研究发现在空气流速低于10 m/s时，GIL温度随着空气流速的增加而快速下降；白思卓等[5]通过对比机械排风与诱导通风系统2种通风方式，得出诱导通风系统可增大管廊内平均风速；李哲等[6]发现随着断面风速的增大，空气温度最高点逐渐从电缆周围转移至排风口处；叶爽等[7]对综合管廊的数值模拟研究发现排风口附近空气温度较高。

本文结合实际工程，对济南某地下GIL管廊进行数值模拟，根据夏季室外空气温度及电缆工作情况，设置不同模拟工况，并对各个工况管廊内温度场、速度场进行分析。通过模拟结果，校核工程设计的合理性，并对设计通风方式提出建议，为其他管廊工程设计提供一定参考。

1 工程介绍

济南某GIL地下管廊工程全长共计305 m，其中前290 m标准断面尺寸为6 m×4.5 m，后15 m标准断面尺寸为4.2 m×4.5 m。管廊内的GIL双侧2回布置，左右两侧各1回，每回3相，共6相，管廊断面图如图1所示。

GIL管廊通风系统采用自然进风、机械排风系统，排风设备采用柜式离心风机，风机设置在500 kV配电装置楼顶部排风机房内，通过风管与GIL管廊连接；GIL管廊终端处进风竖井，进风竖井布置防雨百叶窗，通过百叶窗进风。

2 数值模拟

2.1 物理模型及网格划分

在管廊建模过程中，采取合理简化。将前段管廊简化为长290 m，高7.7 m，宽6.2 m的长方体；后段管廊简化为长15 m，高5.2 m，宽5.5 m的长方体；GIL断面简化为直径700 mm的圆形；送风口断面尺寸为2 m×2 m，共4个，布置在管廊进口顶部；排风口断面尺寸为2 m×1 m，共2个，布置在管廊尾部上侧；不考虑电缆支架等对管廊热环境的影响，管廊物理模型如图2所示。

图2 GIL管廊物理模型立体图

对管廊几何模型进行网格划分，考虑周围土壤与管壁之间的换热，最小网格质量0.48，模型网格断面图如图3所示，网格数量为223万。

图3 模型网格断面图

2.2 工况设置

本次模拟共考虑夏季4种工况，按进风温度分为极端温度与通风温度，按运行工况分为正常工况与事故工况，具体研究工况设置见表1。

表1 模拟各工况条件设定

2.3 边界条件

（1）进风口处，设置压力入口，进风温度按各工况对应数据计算；出风口为速度出口，出口速度按工程计算值6 m/s计算，其余壁面简化为绝热壁面，不考虑换热。

（2）管廊隧道外土壤温度为非恒温变化，计算土壤对管廊内壁的传热，分别考虑管廊上部、侧面及下部的土壤温度。

（3）GIL管道发热量正常工况下按71 W/（m·根）计算，事故工况下按235 W/（m·根）计算。

3 模拟结果分析

3.1 空间温度场结果分析

由图4可看出，管廊内空气温度受进风温度影响很大。如工况1和工况3所示，在进风温度为通风温度（30.9℃）时，管廊内整体温度低于37℃；而工况2和工况4的进风温度设置为极端温度（40.5℃），管廊内上部空气温度始终较高。对于工况4，在距离进风口40 m范围内，由于空气扰动剧烈，增强了与壁面的对流换热，使得此段区域温度有一定降低，而其余区域均出现高于42℃的情况，此时不利于设备正常运行和工作人员的检修。

图4 各工况GIL管廊中截面温度云图

由于GIL管线的沿途散热，管廊内空气温度沿Z轴负方向（管廊长度方向）逐渐升高，在排风口附近达到最高温度。当空气流动至前后段管廊尺寸变化处，局部阻力损失较大，导致空气流速减小，换热能力下降，出现局部温度升高现象。

图5为各工况距进风口50 m处截面温度云图，从图中可看出，低温壁面对管廊内空气的降温效果显著，在极端进风温度时更为明显。位于底部的GIL管线表面温度较低，位于顶部的GIL管线表面温度较高，这是由于GIL管线发热加热周围空气，空气受热密度降低从而上升，在顶部与低温壁面换热后温度降低而下沉。工况1和工况2是6根GIL管线同时运行的正常工况，左右两侧空气温度情况基本相同，在两侧GIL管线中间区域的空气温度较高；工况3和工况4是左侧3根GIL管线同时运行的事故工况，由图5可看出左侧空气温度整体较高，此时管廊内截面处存在局部温度较高的现象。事故工况下单根电缆的发热量高于正常工况，因此会造成电缆周围局部温度过高，温度场分布不均匀，通风效果差，应定期对管廊进行检修维护，尽量避免此种工况。

图5 距进风口50m处截面温度分布图

3.2 空间速度场结果分析

由图6可看出，风速分布趋势为：靠近GIL管线及壁面处空气流速较低，两侧管线之间风速高。距进风口40 m范围内空气气流形式为湍流，风速梯度变化很大，空气换热效果好，接触充分；40 m之后湍流强度变小，随后气流形式变为层流，断面平均速度下降为1m/s左右，速度分布较均匀。在前后段管廊尺寸变化处及排风口处由于截面收缩，出现局部速度增大的情况。

图6 管廊Z轴方向不同截面速度云图

3.3 建议

通过对此GIL管廊工程的模拟研究，发现已有的设计方案在夏季通风进风温度条件下，管廊内温度低于37℃，满足规范要求；但对于夏季极端进风温度的处理能力较弱，在事故工况时管廊出口空气温度超过42℃，高于规范[8]中限值40℃。

对该方案提出以下改进建议：

（1）夏季通风温度条件下，虽然满足规范要求，但存在能耗过大的情况，可增设自动控制温控系统，在室外温度较低时关闭风机，减小出风速度以降低能耗。

（2）增加风口数量，风口的增加有利于管廊内空气充分换热，使热量及时排出，提高通风效率，取得最佳的气流组织效果，同时达到更加经济节能的目的。

（3）在夏季极端天气工况下，可辅助简单制冷设备进行通风，如在管廊两端设置冷却风机[9]或增加诱导通风系统[5]来降低管廊内温度，否则管廊内温度会大大升高，达不到通风换热效果。

4 结论

（1）管廊内空气温度受进风温度影响较大，在夏季通风进风温度工况下管廊内空气最高温度为37℃，夏季极端进风温度工况下，管廊出口区域温度达到42℃，高于设计标准的限值40℃，在工程设计时要考虑夏季室外极端温度的影响。

（2）由于GIL管线沿途散热，管廊内空气温度沿管廊长度方向逐渐升高，在排风口附近达到最高温度。当空气流动至前后段管廊尺寸变化处，局部阻力损失较大，导致空气流速减小，换热能力下降，出现局部温度升高现象。

（3）进风口40 m范围内空气扰动剧烈，温度变化剧烈，随后变为层流，温度及速度分布较均匀。空气流动速度对通风散热有正向影响，合理的出风速度设计能够增强换热。