埋地电力隧道温度特性的数值模拟与试验研究

摘要

由于城市美化以及安全考虑,城市输电线路一般采用电力隧道内敷设的形式。近年来,随着国民经济发展和人民生活水平提高,电力输送逐年递增。电力输送过程中,电缆发热会造成隧道内温度的上升，过大的发热有可能引起隧道内过热,进而损坏电缆绝缘层。因此,对一定几何条件和电力负荷条件下电力隧道内部温度进行预测,对于电力隧道运行至关重要。本文采用数值分析方法,建立了二维非稳态导热模型以及在通风条件下的三维传热模型,对隧道内部温度分布进行数值计算分析,计算是通过C++编制程序实现的。其中,二维模型主要对隧道与周围土壤间的导热进行模拟计算,计算中考虑了气候条件对于土壤内部温场的影响。三维模型则考虑隧道内壁面与空气间的对流换热,得出一定热负荷条件和通风条件下隧道内部的温度特性。计算结论指出,隧道温度的上升具有早期上升快,15年后减缓的特性。在上海市的气候条件下,采用冬季通风散热能够对降低隧道温度起到很好的效果。本文还对于上述的计算进行验证,验证主要包括相似性试验验证以及现场测试验证。相似性试验采用相似性理论,将几何模型减小到实际的1/100,从而使时间尺度为实际尺度的1/10000。相似性试验可减小实验台的几何尺度,使试验可在实验室内完成;同时,时间尺度上的缩小可使4天的试验预测实际情况中100年。现场测试验证是在上海市龙阳路等隧道的内安装测试仪器,记录其一段时期内的温度特性,再与数值计算结果相对比得到的。无论是相似性试验验证还是现场测试验证,均证明开发的数值计算模型可以准确预测隧道内温度的短期和长期特性。误差在15％以内。利用验证正确的数值计算模型,本文根据上海市现有隧道的电力负荷数据预测了各隧道的温度,并对于影响隧道温度的因素进行分析。计算表明,在当前负荷情况下,上海市现有隧道在50年内均不会超过35℃的上限温度。输电线路带来的热负荷是造成隧道温度上升的主要因素,隧道几何条件如直径和深度等对于隧道温度有很大影响。在采用通风散热时,应选择冬季进行,同时通风风速越大,越有利于隧道内散热。间歇通风能够有效降低隧道温度,同时保护风机寿命。利用开发的通风程序和预测负荷数据,对于世博电力隧道温度进行预测。计算结果表明,由于世博隧道电力负荷大,几何条件复杂,无通风时隧道温度会超过35℃,大负荷时温度可达65℃。为此通过计算研究了世博隧道的通风方案,在连续通风条件下,为了将隧道温度控制在35℃的安全温度之内,需要将风速控制在3m/s以上,并且每年需要通风120天以上。本文还给出了一种优化通风方案,能够将每年风机开启的时间控制在100天左右。最后,利用隧道长期温度特性与平均热负荷的关系情况,将温度—负荷—几何条件之间的关系计算出来作为标准,可供设计和运行部门参考使用。本文所作的工作,对于电力隧道的设计、设备的选型以及运行都具有参考意义。

目录

摘要

ABSTRACT

目录

符号说明

第一章 背景综述

1.1 隧道热场研究的必要性

1.2 隧道热场分析的国内外研究现状

1.3 本文研究思路

第二章 无通风隧道热场模型的建立与相似性实验验证

2.1 电力隧道概述

2.2 埋地隧道与周围土壤间的导热建模计算

2.2.1 物理与数学模型

2.2.2 数值计算

2.3 热场相似性模拟试验

2.3.1 相似性理论基础

2.3.2 相似性实验台搭建

2.3.3 实验过程

2.4 相似性实验对于数值计算结果的验证与误差分析

2.5 本章小结

第三章 通风隧道热场模型建立及现场测试验证

3.1 隧道冷却方案概述

3.2 隧道通风模型的建立与计算

3.2.1 数学模型

3.2.2 数值计算

3.3 电力隧道通风现场测试

3.3.1 测试方案

3.3.2 测试结果

3.4 现场测试对于计算结果的验证与误差分析

3.4.1 起始温度预测

3.4.2 通风降温效果验证

3.5 本章小结

第四章 无通风隧道温度的计算与讨论

4.1 初步计算结果

4.1.1 土壤温度全年分布以及地表温度波动影响深度

4.1.2 地表热流密度全年分布

4.2 隧道温度影响因素分析

4.2.1 发热量对于隧道温度的影响研究

4.2.2 隧道深度对于隧道温度的影响

4.2.3 隧道直径对于隧道温度的影响

4.2.4 电缆隧道水平布置要求

4.3 实际隧道温度预测

4.3.1 热负荷曲线

4.3.2 龙阳路隧道计算与讨论

4.3.3 3.5m直径隧道温度预测

4.3.4 5.5m直径隧道温度预测

4.4 电力隧道长期温度与平均负荷关系标准的建立

4.4.1 实际负荷与平均负荷对于隧道温度的影响比较

4.4.2 计算式推导

4.4.3 计算结果及讨论

4.5 本章小结

第五章 通风隧道温度预测及通风方案优化

5.1 通风效果及讨论

5.1.1 通风效果分析

5.1.2 风速对于隧道通风散热的影响分析

5.1.3 通风时间对于隧道通风散热的影响分析

5.1.4 间歇通风对于隧道的散热效果分析

5.2 世博隧道通风冷却效果计算分析

5.2.1 3.5m隧道计算结果

5.2.2 5.5m隧道计算结果

5.2.3 不同负荷条件下应采取的通风方案建议

5.3 优化通风方案

5.3.1 3.5m隧道按程序进行通风效果

5.3.2 5.5m隧道按程序进行通风效果

5.4 本章小结

第六章 课题结论

第七章 附录

7.1 建模误差讨论

7.2 上海地区土壤物性测试报告

7.2.1 简介

7.2.2 测试原理与测试装置

7.2.3 测试结果及分析

7.2.4 结论

7.2.5 详细测试结果

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文及专利成果