CN107368641A - 基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法 - Google Patents

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曹志强
张蔚华
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Abstract

本发明涉及一种基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法,包括:1)建立电缆温度场数学模型;2)计算分析电缆的温度场和载流量;3)设计电缆隧道通风系统;所述步骤1)具体包括:步骤S11:建立电缆沟几何模型;步骤S12:获取电缆参数;步骤S13:基于所述步骤S11和S12建立电缆温度场数学模型。与现有技术相比,本发明具有逻辑结构清晰、实用合理等优点。

Description

基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法
技术领域
本发明涉及城市电缆敷设领域,尤其是涉及一种基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法。
背景技术
近年来,随着我国城镇化的发展,城市建设规模逐渐变大,城市用电负荷逐年增长,电力建设在城市建设过程中占到举足轻重的地位,由于电缆化供电的优点突出比较适合城市供电,电缆化供电模式已经在大型城市得到越来越广泛的应用。与此同时,由于城市的地下空间资源较为紧缺,电缆与其他市政管线公用城市管廊已经成为必然的选择。
电缆在运行的过程中会产生一定的热量,这部分热量如果不及时散失很容易在城市管廊中聚集,导致管廊内温度过高,严重的时候可能会导致火灾。有些电缆隧道中还敷设有通信、燃气、供热等各种管线,隧道温度的升高不利于各种管线的安全稳定运行,甚至会导致各个管线的运行瘫痪。因此,对城市管廊中的电缆线路运行热环境的研究有利于提高电缆线路及其他市政设施的安全运行能力。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种逻辑结构清晰、实用合理的基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法,包括:
1)建立电缆温度场数学模型;
2)计算分析电缆的温度场和载流量;
3)设计电缆隧道通风系统。
所述步骤1)具体包括:
步骤S11:建立电缆沟几何模型;
步骤S12:获取电缆参数;
步骤S13:基于所述步骤S11和S12建立电缆温度场数学模型。
所述电缆温度场数学模型包括散热控制方程和边界条件,其中,
所述散热控制方程包括对流微分方程、导热微分方程和辐射换热控制方程;
所述边界条件包括流场边界条件和温度场边界条件。
所述温度场边界条件包括边界温度恒定的恒温条件、边界法向热流密度恒定的法向热流条件以及已知流体温度与流体对流散热系数的对流换热条件。
所述步骤2)具体为:
步骤S21:根据所述电缆温度场数学模型采用有限元三角单元自动网格划分法对参数求解域进行剖分,基于剖分结果获得电缆的温度场;
步骤S22:根据所述温度场采用双点弦截法计算电缆的载流量。
所述步骤2)还包括:
在电缆层间距不变的情况下改变电缆沟的深度,在电缆沟深度不变的情况下改变电缆层间距,获取不同因素对电缆的载流量的影响。
所述步骤3)具体为:
a)隧道通风选择设计;
b)通风系统位置设计;
c)通风设备与控制设备的配合联动设计。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明建立电缆隧道几何模型构建电缆隧道温度场数学模型,对电缆隧道数学模型进行计算分析得到电缆隧道温度场和电缆载流量,分析不同因素对电缆载流量的影响,可以精确地获得经济有效的电缆隧道通风系统,以保障电缆的安全运行。
2、本发明基于电缆运行热环境的研究进行电缆隧道通风设计,设计结果可靠,可以有效提高电缆运行的安全性。
附图说明
图1为本发明的发明流程图;
图2为本发明电缆沟敷设几何模型;
图3为实施例的温度场求解域解剖图;
图4为实施例的电缆温度场分布图;
图5为实施例的电缆沟深度与电缆载流量的关系图;
图6为实施例的电缆层间距与电缆载流量的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示,本实施例提供一种基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法,包括:
步骤S1:建立电缆温度场数学模型。
步骤S11:依据电缆沟的结构以及电缆的敷设方式建立电缆沟几何模型。
本实施例以电缆沟敷设6回路电缆为例。通过传热学理论中相关的知识可知,由于电缆沟的截面积相对于整个电缆沟而言可以认为是很小的,因此可以对截面积做温度场分析(敷设截面积为1m×1m),二维模型如图2所示,其中电缆选取8.7/15k V YJV 1×400的XLPE电力电缆,允许工作温度为90℃。
步骤S12:按照设定规格确定电缆参数,包括电缆结构参数和电缆敷设条件。电缆的各项参数如表1和表2所示,数值计算严格按照给定参数计算。
表1
结构名称 参考值/mm
导体直径 23.8
绝缘层厚度 5.9
金属屏蔽层厚度 0.3
外护层厚度 2.3
电缆外径 41.0
表2
步骤S13:建立电缆温度场数学模型,包括散热控制方程和边界条件。散热控制方程包括对流微分方程、导热微分方程和辐射换热控制方程。边界条件包括流场边界条件和温度场边界条件。
A.对流微分方程
流体必定满足质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律。对应的控制方程如下:
▽(ρu)=0
ρ(u▽u)=F-▽p+μ▽2u
ρcpu▽Tf=λ▽2Tf
其中,▽为矢量微分算子符号;ρ为流体密度(kg/m3);u为流体的绝对速度矢量(m/s);F为单位体积流体受到的体积力矢量(N/m3);p为流场的压力(Pa);μ为流体动力粘度(Pa·s);Tf为流体温度(K);λ为流体的导热系数(W/(m·K));cp为流体比热容(J/(kg·K))。
在自然对流散热过程中空气流体只受到重力和浮力作用,其力矢量表示为:
Fx=0
Fy=ρgβ(Tf-Tr)
其中,g为重力加速度(m/s2);β为体积膨胀系数(K-1);Tr为流体参考温度(K)。
B.导热微分方程
导热微分方程如下:
其中,λ为介质导热系数(W/(m·K));Ts为介质温度(K);Q为介质单位体积发热率(J/m3)。
C.辐射换热
辐射换热控制方程如下:
Q12=σ0X12A11T1 42T2 4)
其中,Q12为表面1和2之间的净换热量(W);σ0为斯蒂芬-玻尔兹曼常数(W/(m2·K4));ε1和ε2分别为表面1和2的发射率;X12为角系数;A1为表面1的面积(m2);T1和T2为表面1和2的绝对温度值(K)。考虑的几何模型中只包含电缆一个热源,各种损耗参数可以根据IEC60287标准进行计算。
D.流场边界条件
在不考虑有通风系统的情况下,空气自然对流边界条件可考虑速度为0m/s。
E.温度场边界条件
温度场的边界条件主要包括边界温度恒定的恒温条件、边界法向热流密度恒定的法向热流条件、已知流体温度与流体对流散热系数的对流换热条件。各自边界条件的控制方程如下:
T(x,y)ω1=f(x,y)
其中,T(x,y)为位于边界ω3上的点(x,y)的温度(K);λ为导热系数(W/(m·K));n为边界法向量;qn为热流密度(W/m3);h为对流换热系数(W/(m2·K));T为流体温度(K);ω1、ω2、ω3分别为第1、第2和第3类积分边界。
本实施例中,由以上两种条件结合已建立的电缆沟敷设几何模型可以确定计算模型的边界条件如下:电缆沟左右两侧取1.2m为边界条件,电缆沟上侧取地表为边界条件,下侧取1.2m为边界条件。
步骤S2:计算分析电缆的温度场和载流量。对电缆温度场和载流量的分析用于通风口位置设计;电缆温度场和载流量的实时监测数据传输给监控系统,用于调控通风系统。
该步骤具体为:根据已确定的几何模型结合各个控制方程以及参数设置求解域和相应的边界条件,应用COMSOL Multiphysics软件采用有限元三角单元自动网格划分法对求解域进行剖分,剖分图如图3所示。
本实施例中,设置通过电缆的电流为250A,整个边界条件内的温度场分布如图4所示。此时电缆的最高运行温度为342.501K,小于该型电缆的允许工作温度。该型电缆的允许工作温度为90℃(即363K),在电缆缆芯温度稳定在363K时,采用双点弦截法计算出电缆的载流量为319.7A。
步骤S2还包括分析不同因素对电缆载流量的影响,具体地:
在电缆层间距不变的情况下增大电缆沟的深度。电缆的载流量随电缆沟深度的变化如图5所示,可以看出随着电缆沟深度的增加,电缆的载流量逐渐增大。增加电缆沟的深度实际上是通过增大了电缆沟的截面积从而增加了沟内空气的流动,增强了电缆沟的散热。
在电缆沟深度不变的情况下增大电缆层的间距。电缆的载流量随电缆层间距的变化如图6所示,可以看出随着电缆层间距的增大电缆载流量逐渐增大。增加电缆层的间距主要是减少电缆层之间的热交互,增强散热效果。
综上分析,增加电缆沟的深度和电缆层的间距都有利于电缆载流量的增长。因此在电缆敷设规划初期可以考虑设计合适的电缆沟深度和电缆层间距以提高电缆的载流量。
步骤S3:设计电缆隧道通风系统,具体为:a)隧道通风选择设计;b)通风系统位置设计;c)通风设备与控制设备的配合联动设计,从而获得经济、有效的电缆隧道通风系统。具体地:
步骤S31:对通风方式进行选择。综合管廊这种隧道敷设方式的通风选择较为灵活,比较几种通风方式:
自然通风的投资成本低,但是通风效果有限,因此对通风区及竖井的设置要求严格。自然通风的通风区长度较短,因此需要修建的进排风竖井较多,布置难度较大。
自然通风辅以无风管的诱导式通风方式对通风区的长度和竖井数量及位置的设置没有很大的限制,并且这种方式通风效果良好,但是初始投资的成本较高。
机械排风的通风效果好,排风区的距离长,竖井的数量少,但是需要安装的机械设备较多投资成本较高。
综合考虑各种通风方式,优先选用自然进风和机械通风的方式,这种方式设备投资不高且通风效果较好。
步骤S32:对通风系统进行设计。由于通风系统和防火系统配合联动,因此一般情况下防火区和通风区设置的位置相同。通风区长度一般不大于200m,在每个通风区的一端会设置进风口。由于电缆的温度场会随着电缆隧道的深度和电缆层间距的变化而变化,因此需在电缆隧道深度变小或者隧道交汇电缆层间距变小的地方设置进风口。通风量须同时满足:①消除余热所需的风量;②消除余湿所需的风量;③最小换气次数所需的风量;④事故通风量。管廊内部断面风速小于1.5m/s。各类管道换气次数规定如表3所示。
表3(单位:次/h)
舱室 正常通风 事故通风
蒸汽管道 ≥2 ≥6
天然气管道 ≥6 ≥12
综合管道 ≥2 ≥6
电力电缆 ≥2 ≥6
步骤S33:确定通风系统设备及控制系统。综合管廊采用自然通风和机械排风的方式,常用的设备主要有:全自动防烟百叶窗、双速排风机、全自动排烟防火阀、止回阀等。由于综合管廊内各类公用类管线集中容纳于一体,因此整个通风系统需要和监控系统及消防系统配合联动。电缆载流量和温度场的实时监测数据直接传输给监控系统,监控系统检测各种数据信息是否正常,并实时调控通风系统,保证整个综合管廊内的环境处于正常水平。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法,其特征在于,包括:
1)建立电缆温度场数学模型;
2)计算分析电缆的温度场和载流量;
3)基于所述步骤2)设计电缆隧道通风系统。
2.根据权利要求1所述的基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法,其特征在于,所述步骤1)具体包括:
步骤S11:建立电缆沟几何模型;
步骤S12:获取电缆参数;
步骤S13:基于所述步骤S11和S12建立电缆温度场数学模型。
3.根据权利要求2所述的基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法,其特征在于,所述电缆温度场数学模型包括散热控制方程和边界条件,其中,
所述散热控制方程包括对流微分方程、导热微分方程和辐射换热控制方程;
所述边界条件包括流场边界条件和温度场边界条件。
4.根据权利要求3所述的基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法,其特征在于,所述温度场边界条件包括边界温度恒定的恒温条件、边界法向热流密度恒定的法向热流条件以及已知流体温度与流体对流散热系数的对流换热条件。
5.根据权利要求1所述的基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法,其特征在于,所述步骤2)具体为:
步骤S21:根据所述电缆温度场数学模型采用有限元三角单元自动网格划分法对参数求解域进行剖分,基于剖分结果获得电缆的温度场;
步骤S22:根据所述温度场采用双点弦截法计算电缆的载流量。
6.根据权利要求1所述的基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法,其特征在于,所述步骤2)还包括:
在电缆层间距不变的情况下改变电缆沟的深度,在电缆沟深度不变的情况下改变电缆层间距,获取不同因素对电缆的载流量的影响。
7.根据权利要求1所述的基于电缆运行热环境的城市管廊式电缆隧道通风设计方法,其特征在于,所述步骤3)具体为:
a)隧道通风选择设计;
b)通风系统位置设计;
c)通风设备与控制设备的配合联动设计。
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