城市电力电缆隧道通风系统的传热学分析与应用

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摘要本文通过对南方某城市电力电缆隧道通风系统的传热学分析与计算，介绍了电缆隧道通风设计计算的一种方法，与以往相关文献介绍的方法相比，不仅可以保证隧道适宜的环境，而且可以大大减少通风系统及其土建投资和运行费用，为迎接越来越多城市架空电网入地建设提供了便利。

关键词电缆隧道 通风传热换热系数

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：

一、引言

随着城市化进程的不断进行，城市的面积也在不断扩容，为满足城市发展的需要，原架空电网必须入地，电力电缆入地建设后，其通风问题就呈现出来，目前国内实际设计采用按照一定换气次数计算，使得设备配置明显偏大，主要原因在于没有掌握电缆隧道内的传热学过程。本文试图通过对南方某电缆隧道进行传热学分析计算，提供正确的电缆隧道通风传热计算方法。

二、电缆隧道基本情况

拟建的南方某特大型城市220kv电缆隧道将布置4回12根截面积为25002载流量为1900A的220kv铜芯电缆、4回12根截面积为12002载流量为937A的110kv铜芯电缆，线路全长约0.8 km。采用明挖隧道，断面尺寸为2.3×2.05m，如下图1所示。

由于本工程基本上位于城市主干道下方，受条件限制其最大通风井间距达到1km，其他普遍大于200m，与《电力工程电缆设计规范》中通常控制的明挖隧道安全孔距离不大于200m相比，本工程通风条件比较恶劣。

为保证隧道内的通风排热效果，本工程采用机械送、排风方式。

三、电缆隧道通风的传热学分析

由于电缆在隧道内将产生大量的热量，这部分热量将一部分通过隧道壁面传至土壤，另一部分则通过机械通风方式排出室外。

电缆隧道传热学计算的基本假设

隧道内电缆满负荷运行；

隧道内最高温度不超过40℃；

由于隧道深埋，可以假定隧道周围土壤温度恒定、隧道壁面温度恒定，隧道通过壁面传递到土壤的热量恒定；

电缆隧道内的气流方向与各回电缆敷设方向一致，可视为气流沿轴向流过水平管束；

由于采用机械通风方式，空气流经隧道与电缆及隧道墙壁之间的传热过程为混合对流换热过程。

隧道内每m电缆的最大发热量q

q=q1+q2=12(I12R1+I22R2)=12ρ(I12/S1+I22/S2)

………（1）

式中q1，q2分别为220kv和110kv电缆的每m发热量，W;ρ为铜芯电缆的电阻率，Ω・m; I、R、S分别为电缆的电流、电阻及横截面积；

混合对流换热过程试算

根据上述假定，电缆隧道内的传热过程可视为流体在水平管内的混合对流换热过程，布朗和高文 [1]导出下列层流时的计算公式：

Num=1.75[Gzm+0.012(GzmGrm1/3)4/3]1/3(μf/μw)0.14

……（2）

式中，Num=αm L /λm,称为努谢尔特准则，αm为混合对流换热系数，W/(m2℃)；λm为空气导热系数，W/(m℃);L为与流体换热的壁面定型参数，这里取为隧道断面的宽度及高度尺寸，m.

Gzm=RemPrmD/L,称为格莱兹准则；

Grm=βgL3t/ν2,为格拉晓夫准则, β为空气体胀系数，K－1；g为重力加速度，m/s; t=tf-tt为空气平均温度与土壤温度差值，tf＝（tp-tj）/2, tp,tj分别为隧道排风温度和送风温度，℃；ν为空气运动粘度，m2/s;D为水平管内径或当量直径，m;

μf,μw为分别以tf和tw为定性温度的空气动力粘度，kg/(m・s)

在紊流时，梅坦斯 [3]和埃克特建议采用下式：

Num=4.69Rem0.27Prm0.21Grm0.07(D/L)0.36

…………（3）

式中，Rem为雷诺准则，Rem＝v L/ν, v为空气流速，m/s;

Prm为普朗特准则，Prm＝ν/a；a为热扩散率或称导温系数，m2/s;

按上式分别求出空气与侧墙壁面、顶板和底板的αm1、αm2值后，可得出通过每m长隧道围护结构传至土壤的热量qs为：

qs=LK(tf-tt)

…………（4）

上式中，K＝1/(1/αm+δ/λ),为隧道内空气与土壤的传热系数，δ为围护结构厚度，λ为围护结构的导热系数，由于隧道围护结构的导热系数在1.28～1.74 W/(m℃)范围内，因此隧道壁面与土壤之间存在较大的导热温差，长期运行结果该温度趋于恒定，并满足下式：

q=qs+qt

…………（5）

式中的qt为机械通风排除的热量，qt＝M cpρ（tp-tj）,M为机械通风量，m3/s, cp为空气的定压比热，kj/kg・℃.

联立上述各式，通过试算及验算，当该假设壁面温度与验算壁面温度一致时，本计算结果收敛。

本工程按上述原理计算后的结果见下表1~6，可以发现各区段隧道所需通风断面平均风速为0.90m/s，各区段混合对流换热量与通过壁面导热量之间的传热误差平均为0.05%，其隧道壁面温度计算假定值与核算后达到热交换平衡时的壁面温度平均相差仅1.41%，两者趋于相等，因此计算结果是可信的。

表1 各区段电缆发热量、机械通风排除热量及通过壁面传递到土壤热量计算结果

表2 各区段混合对流换热与壁面导热量之间的传热误差

表3 各区段假设壁温与达到热交换平衡时的计算壁温比较表

表4 各区段排除余热所需计算通风量

上述结果与供电部门实际运行情况基本相符，符合上海市工程建设规范DG/TI08-2017-2007《世博会园区综合管沟建设标准》和广东省标准DBJ/T15-64-2009《城市地下空间开发利用规划与设计技术规程》相关条文要求，因此本计算方法是可信的。

如果仅按照电缆发热量等余热完全由通风系统排除，则通风量将达到39.5m/s即142222m3/h，隧道断面风速达到8.4m/s,其设备及土建投资和运行费用将大大增加，如果措施不力还将给周边环境带来噪声污染，增大了环保风险。

因此正确的计算方法是保证工程顺利推进，降低工程造价，节省运行费用和降低运营期环保风险的重要保证和基础，应该引起通风设计工程师的高度重视。

三、结论及建议

通过上述实例分析，可得出以下结论：

深埋电缆隧道通风问题实质上是一个流过隧道内的空气与电缆、电缆隧道壁面及隧道周围土壤之间的传热学过程，且通过隧道壁面传入土壤的热量不可忽视；

电缆隧道的通风量除与隧道内电缆种类、数量、负载电流大小等有关外，还与所处地区、隧道尺寸及通风区段的长度有关；

在隧道内敷设电缆数量和隧道断面尺寸不变的情况下，隧道每米长度所需的通风量也将不变。

为此，建议电力运营部门应加强电缆隧道投运后的监测并将相关数据反馈给设计部门，以便改进设计思路和方法，更好的服务于供电部门，为推进城市架空电线入地创造更好条件。

【参考文献】

[1]俞佐平，传热学（第二版），高等教育出版社，1985.

[2]王补宣，工程传热传质学（上册）,科学出版社，1982.

[3] 杰姆斯・苏赛克，传热学（下册），人民教育出版社1982.