引言苏通GIL综合管廊工程是一条1 000 kV GIL过江综合管廊。GIL管廊担负超高压输电功能，输电运行时，管廊内通风系统主要进行3个方面任务[1-3]：（1）超高压绝缘材料SF6存在泄露时的应急通风；（2）消除超高压电缆散热的冷却通风；（3）管廊内巡检通风。主通风系统依据前两个通风任务，设置自动启停的非连续运行的机械通风系统，根据管廊内实时监控温度与有害气体浓度数据监控风机的启停台数，对实际运行管理提供初步依据，但在精细化方面缺少细致的节能运行策略等问题。以苏通GIL管廊为例，针对消除高压电缆散热的冷却通风特点，分析隧道散热作用形成的热压通风对管廊通风系统的影响，提高GIL管廊安全可靠性、降低通风系统的能耗。1GIL管廊主通风系统多元通风机理分析1.1管廊主通风系统概况苏通GIL管廊通风系统主要包括管廊通风系统、SF6通风系统、南站或北站的辅助建筑通风系统。系统原理如图1所示。由图1可知，管廊的上腔通风系统担负散热通风与有害气体泄露后的通风，采用送排结合的串联机械通风方式，南北岸均配置2用1备的轴流变频风机，风机全压1.4 kPa、风量85 m3/s、功率200 kW。管廊的最低点距南岸与北岸的进排风口的标高为75 m，进风口到管廊最低点的长度约1 928 m，排风口距离管廊最低点的长度约3 542 m[4]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.011.F001图1苏通GIL隧道通风系统原理根据上腔通风系统设计资料与选用风机设备，基于流体输配原理，绘制的主通风系统的性能曲线如图2所示。图2中给出不同通风量对应的不同通风阻力，相当于提供各种通风量需要匹配的动力。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.011.F002图2GIL管廊主通风网络的性能曲线1.2热压作用下的多元通风机理分析GIL通风系统，类似于一个U型管通风系统。地面的新鲜空气自南岸进风口进入，管廊内超高压电缆的输电电阻热效应构成U型管通风系统内的稳定线热源[5]，单根电缆线的单位长度散热量223.5 kW[6]，共6根3个回路散热电缆。隧道内热源存在，南岸工作井低温地面新风进入管廊内，吸收电缆散热使得温度逐渐上升。以隧道最低端为界，形成左侧风流平均温度低于右侧风流平均温度现象，此时管廊主通风腔内形成热压与风机动力共同作用通风系统，GIL主通风的U型管内通风原理如图3所示。由图3可知，管廊主通风系统的南岸进风口（1点）到管廊最低点为U型通风系统的进风管，管廊最低点到北岸排风口（2点）构成U型通风系统的排风管。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.011.F003图3GIL主通风的U型管内通风原理根据通风理论构建主通风系统的通风动力方程[5]为：Pq1-Pq2+∫H1H2gρ1-ρ2dH=∆P1-2 (1)式中：Pq1、Pq2——南岸风机出口与北岸风机吸入口全压，Pa；Pq1-Pq2——送风机与排风机所提供的总动力，Pa；ρ1，ρ2——进风管路1-D与D-1中每一段的风流密度，kg/m3；H1、H2——管路中最低点与进出口的标高，m；∫H1H2gρ1-ρ2dH——通风系统的热压，Pa。由式(1)可知，南岸与北岸风机开启时，风机提供的机械动力与散热形成的热压均为通风系统动力，此时风机动力可略小于无热压作用时风机动力；管廊内空气温度降低到一定数值(35 ℃)[7-8]，风机停止运行，仅有热压作用，通风系统变为热压驱动的自然通风模式。1.3管廊内线热源作用下的风流温度计算GIL管廊长约5 500 m、管廊内径10.5 m。主通风管路内的空气、超高压电缆、管廊管片及管片外的地层构成一个复杂的、非稳态热流固的耦合传热系统。文中下降的进风管路的风流密度与上升的排风管路的空气密度，通过简化稳定流热力学过程分析可得到，无需构建复杂的热流固传热模型。研究冬季管廊通风工况，忽略管廊壁体与风流间热交换，进风温度稳定（通风设计工况），管廊内通风风流的热力过程模型近似为管壁绝热的一元稳定流模型[9-10]，GIL管廊内风流的稳定流计算模型如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.011.F004图4GIL管廊内风流的稳定流计算模型由图4可知，计算模型的数学表达为：G(I2-I1)=Q1-2 (2)ρ0uA(I2-I1)=q∆L (3)式中：ρo——进风密度，kg/m3；I1、I2——进风、出风的焓值，此处空气含湿量不变，可视为干空气，kJ/kg；C——空气定压比热，kJ/(kg·K)；A——管廊截面积，m2；u——流速，m/s；q——GIL管廊内线热源，一回线工作的散热率670.5 W/m；∆L——计算起点到计算终点的管廊长度，m。将空气焓值公式代入式(3)可得：ρ0uAC∆t=q∆L (4)依据通风设计规范，苏州当地的夏季和冬季通风设计温度t0分别为31.3 ℃与3.7 ℃，春秋季节参照当季月份典型气象年的月平均温度，则冬夏季管廊内的空气温度分布数学表达式为：t=t0+q∆Lρ0uAC (5)管廊内空气视为理想气体，根据理想气体状态方程可得空气密度为：ρ=P0/RT (6)式中：P0——当地大气压力，冬季102.4 kPa，夏季100.37 kPa；T——热力学温度，T=273.15+t，K。由式(5)与式(6)得到GIL管廊内送风温度与不同位置的空气密度计算分析，研究热压通风的动力。2冬季GIL管廊主通风系统运行优化2.1冬季通风管廊内空气温度分布研究根据式(5)，计算管廊内风速分别为3 m/s、2.5 m/s、2.0 m/s、1.7 m/s，通风平均速度管廊内温度分布如图5所示。由图5可知，冬季管廊内的风温随通风量增大，风温随之降低。通风量大于103.3 m3/s时，管廊内各处风温小于35 ℃。冬季不考虑管廊管帮散热，通风量88 m3/s与103.3 m3/s，管廊排风出口的风温分别为39.6 ℃、34.9 ℃。若外加管廊外岩土体散热，管廊内温度可高于35.0 ℃，但低于39.0 ℃，可见管廊内主通风系统运行2台送风风机，总风量为88 m3/s可满足多数时间需求，在极少入风温度升高或其他原因导致管廊出口温度高于40 ℃，再将通风量增大至103.3 m3/s即可。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.011.F005图5冬季通风设计温度下管廊内风温分布将式(5)计算获取的不同位置的空气温度代入式(6)中，计算出对应的密度，并绘制沿通风方向不同深度位置的空气密度变化，冬季通风设计温度管廊内风温分布如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.011.F006图6冬季通风设计温度下管廊内风温分布管廊内温度以最低点为界限，送风口至管廊内最低点的密度变化率一致，排风口至管廊内最低点的密度变化率一致。由图6可知，U型通风系统进排风管路对应高度处的密度差，由地面进排风口至管廊底部逐渐增大，密度差随着风量增大而减小，即风机开到最大155.6 m3/s风量时，进排风口密度差为0.065 kg/m3，可预见热压作用随着风量增大而减小。2.2冬季GIL通风技术优化根据式(1)热压计算积分式与各高处密度差，计算出主通风系统的热压，GIL管廊主通风系统不同送风量下热压如表1所示。管廊主通风系统任务是排出电缆散热。由表1可知，若温度低于35 ℃时，停止通风，热压值为23.6 Pa，热压过小由主通风系统的管网性能曲线可得热压单独作用下的风量低于16.1 m3/s，管廊出口风温将会在几分钟内高于35 ℃，使得风机频繁启动。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.011.T001表1冬季管廊主通风系统不同风量下的风压计算序号风量/(m3/s)热压/Pa通风系统阻力/Pa188.028.2688.12103.323.6948.23129.518.51 490.14155.613.32 151.3可见GIL管廊主通风系统仅靠热压作用下的通风是无法满足排出余热目的，必须借助机械通风。因此冬季运行期间，可长期持续运行主通风系统的风机变频运行，在研究能耗基础上确定运行策略。从能耗角度分析，冬季仅开启2台并联送风风机或排风风机的能耗相对低且工况稳定。通风量88 m3/s时，需要风机提供的静压为666.3 Pa，此时单台风机全压为688.1 Pa（无热压作用下）。根据夏季通风工况选用的单台风机运行的性能曲线，单台风机运行的工况点与主通管网性能曲线交点的通风量要大于实际风量，此时人为调大风阻，即附加阻抗（风机出口加换热装置等）可使得单台风机的运行工况与通风系统匹配。假设南北岸分别开启2台风机（每台风机流量均为44 m3/s）运行在26 Hz。根据风机理论，变频GIL管廊主通风风机能耗[5,10]如下：N=N0nn03 (7)式中：N——风机耗电功率，kW；N0——工频运行功率，200 kW；n——变频运行时的转速，r/s；n0——工频（50 Hz）运行时转速，r/s。冬季主通风系统不同工况下的风机能耗如表2所示。由表2可知，不考虑其他运行工况，单台风机运行与2台风机并联运行相比，耗电功率分别增加88 kW和20.5 kW。因此，南北岸各2台风机并联运行作为正常运行方案，单台风机运行可作为应急方案实施，以备其他检修状态时实施。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.011.T002表2冬季主通风系统不同工况下的风机能耗序号总风量/(m3/s)热压作用单台风机功率/kW南北岸两台并联风机功率/kW188.0200.0112.02103.3200.0179.52.3冬季GIL主通风系统排风余热利用冬季排风温度处于35 ℃，在排风余热利用方面具有较高价值。GIL管廊北岸工作井管理场所设置23台3 000 W制热量的冷暖空调，冬季供暖负荷约69 kW，排风温度由35 ℃降至25 ℃显热交换的余热为：1.005×1.286×88×(35-25)=1 137 kW(8)由35 ℃降至10 ℃显热交换的余热为：1.005×1.286×88×(35-10)=2 842.5 kW(9)上述工况条件下，GIL管廊排风余热远大于北岸工作井管理场所冬季供暖空调的热负荷，因此考虑实用原则，取部分排风量的余热通过空气-空气换热器间接加热办公建筑内的循环空气与室外新风的混合空气至25 ℃，即可满足北岸工作井办公建筑的冬季供暖需求。GIL管廊冬季排风余热供暖空调系统如图7所示。由图7可知，冬季供暖季空调能耗仅在空调侧需要加空调循环风机。根据办公建筑冬季空调负荷，选用空气-空气换热器侧的空调风量约11 500 m3/h，风压约600 Pa，风机效率70%，耗电功率3.3 kW。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.011.F007图7GIL管廊冬季排风余热供暖空调系统管廊排风侧可依靠原有排风系统的余压或另设风机风量23 000 m3/h，耗电功率约6 kW，总消耗功率不超过10 kW。23台空调器的总耗电功率34.5 kW，利用余热的剩余价值，大大节省能耗。3结语根据流体力学与热力学理论，提出冬季GIL管廊主通风腔内的温度计算简化方法。对GIL管廊主通风系统运行方案进行优化，冬季南北岸各运行2台主通风机管廊排风，温度处于35~39 ℃，满足排除超高压电缆散热要求。在GIL管廊冬季持续排风条件下，提出利用排风余热供暖的技术方案，既利用余热的剩余价值，又在一定程度上减少供热能源消耗，达到节能效果。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.011.F008