肖國鋒，何娜萍

(中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

近年來，直流輸電技術(shù)發(fā)展迅速，中國的超高壓和特高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展走在世界前列。氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated transmission line，GIL)具有傳輸容量大、損耗小、占地少、可靠性高、對環(huán)境影響小等顯著優(yōu)點(diǎn)，其在地下管廊中的應(yīng)用越來越廣泛。GIL普遍采用SF6進(jìn)行氣體絕緣[1-2]，當(dāng)GIL管內(nèi)充注高壓SF6氣體時(shí)，存在由于設(shè)計(jì)、制造及安裝隱患等引發(fā)SF6氣體泄漏可能性[3-5]。

SF6是一種無色無味氣體，密度約為空氣的5倍，是典型的重質(zhì)氣體。地下管廊屬于封閉型地下構(gòu)筑物，當(dāng)GIL管發(fā)生事故破裂時(shí)，SF6氣體會(huì)大量泄漏，高濃度SF6氣體會(huì)造成人員窒息等安全事故發(fā)生[6]。當(dāng)管廊SF6泄漏事故發(fā)生時(shí)，人體安全逃生方向判定、高濃度SF6泄漏區(qū)域設(shè)計(jì)控制即人體安全逃生距離設(shè)計(jì)等問題為人體安全逃生設(shè)計(jì)帶來一定挑戰(zhàn)。

圖1所示為具有6 km跨度、包含上腔和下腔的特高壓GIL盾構(gòu)管廊，本文以此為例，研究惡劣泄漏條件下，管廊內(nèi)SF6泄漏擴(kuò)散過程以及側(cè)吸、下腔通風(fēng)系統(tǒng)開啟后，上、下腔通風(fēng)系統(tǒng)對SF6吸收和排出的能力，并根據(jù)人體安全逃生要求對SF6泄漏通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

圖1 特高壓盾構(gòu)GIL管廊截面圖Fig.1 Cross section of UHV GIL shield tunnel

1 SF6泄漏事故通風(fēng)系統(tǒng)及影響因素

1.1 SF6泄漏事故通風(fēng)系統(tǒng)

本文特高壓GIL盾構(gòu)管廊[7]包含上、下腔結(jié)構(gòu)，其中上腔通風(fēng)方案設(shè)計(jì)考慮GIL的發(fā)熱、巡視工況；側(cè)吸和下腔通風(fēng)方案設(shè)計(jì)考慮泄漏氣體吸收和排放。管廊系統(tǒng)通風(fēng)運(yùn)行方案如圖2所示，在泄漏事故發(fā)生后，側(cè)吸、下腔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)開啟，建立SF6泄漏氣體吸收和排出條件。圖2中虛線箭頭示意側(cè)吸、下腔通風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的氣體運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)線箭頭示意上腔通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的氣體運(yùn)動(dòng)方向。

1.2 SF6泄漏事故主要影響因素

用于表征泄漏口大小的物理量，工程中普遍采用孔徑[7]的概念，本文引用該定義。GIL管內(nèi)充注高壓SF6，工作壓力基本介于0.4～0.5 MPa，本文設(shè)計(jì)確定為0.5 MPa。因此，具有初始壓力的SF6在泄漏口內(nèi)、外壓差的推動(dòng)下，在泄漏位置邊界處將GIL管內(nèi)SF6的壓能迅速轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，獲得速度并在自身流動(dòng)物性影響下，在管廊內(nèi)快速擴(kuò)散。擴(kuò)散受到管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及通風(fēng)條件的影響，逐步向下游擴(kuò)散，最終排出管廊?？偟膩砜?，泄漏氣體在管廊內(nèi)的擴(kuò)散過程受泄漏源性質(zhì)、泄漏源初始壓力、泄漏量、有限空間內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向、障礙物等的影響[8]。

圖2 特高壓盾構(gòu)GIL管廊SF6泄漏事故通風(fēng)運(yùn)行方案Fig.2 Ventilation operation scheme for SF6 leakage accident in the UHV GIL shield tunnel

丁宗果[9]等人對水電站地下氣體絕緣金屬封閉開關(guān)(gas insulated metal closed switchgear，GIS)電纜層SF6泄漏擴(kuò)散規(guī)律及通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)與數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了電纜層內(nèi)SF6體積分?jǐn)?shù)與排風(fēng)量(試驗(yàn)平均風(fēng)速范圍為1.0～5.4 m/s)、排風(fēng)口位置、泄漏量等因素的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

a)正常泄漏時(shí)，SF6泄漏所產(chǎn)生的混合氣體對排風(fēng)機(jī)的性能和功率的影響十分微小，可以忽略不計(jì)。

b)事故排風(fēng)量越大，電纜層內(nèi)最大SF6體積分?jǐn)?shù)越小，且衰減速度越快；當(dāng)排風(fēng)量達(dá)到一定程度后，繼續(xù)增大排風(fēng)量，SF6體積分?jǐn)?shù)降低幅度不再明顯。

c)通風(fēng)模式下，SF6具有可完全排出系統(tǒng)外的排風(fēng)設(shè)計(jì)條件，SF6體積分?jǐn)?shù)降低到0所需時(shí)間隨排風(fēng)量增大而遞減。

d)排風(fēng)口位置對電纜層內(nèi)SF6體積分?jǐn)?shù)的分布影響較大，排風(fēng)口距離泄漏點(diǎn)位置越近，影響越大。

e)從防治SF6污染的通風(fēng)效果和節(jié)約能源的角度考慮，存在較經(jīng)濟(jì)排風(fēng)口和排風(fēng)量設(shè)計(jì)的可能。

2 數(shù)值模型建立

2.1 三維數(shù)值計(jì)算模型建立

2.1.1 計(jì)算基本假設(shè)

為模擬SF6從GIL管泄漏口泄漏到空氣的過程及擴(kuò)散過程，作如下計(jì)算假設(shè)：①SF6與空氣的混合物為理想氣體，符合理想氣體方程；②SF6泄漏速度由初始壓力、泄漏孔徑?jīng)Q定，過程中SF6不與管廊內(nèi)中的氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；③SF6在泄漏過程中為湍流流動(dòng)狀態(tài)；④通風(fēng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，取入口溫度為30 ℃，廊內(nèi)最大允許40 ℃限值，廊內(nèi)SF6流動(dòng)物性參數(shù)取35 ℃平均定性溫度；⑤管廊截面形狀始終保持一致。

2.1.2 流動(dòng)控制方程

對于本文所研究的SF6在空氣中的擴(kuò)散流動(dòng)問題，主要遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律和組分守恒定律，這4個(gè)規(guī)律相應(yīng)的控制方程分別如下。

a)連續(xù)性方程。質(zhì)量守恒定律為單位時(shí)間內(nèi)，流體微元體表面流入質(zhì)量的總和等于微元體質(zhì)量的增量，由此可得流體連續(xù)性方程為

(1)

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；u、v、w分別為速度矢量V在x、y、z方向上的分量。

b)動(dòng)量方程。動(dòng)量守恒定律為單位時(shí)間內(nèi)流體微元體動(dòng)量的變化率為該微元體所受外界力之和，表達(dá)式為

(2)

式中：p為壓力；τ為黏性應(yīng)力；F為體積力；下標(biāo)表示平面方向。

c)能量方程。能量守恒定律為單位時(shí)間內(nèi)，流體微元體能量增量等于進(jìn)入微元體的熱流量加上體積力和表面力對流體微元體所做的功，表達(dá)式為

(3)

式中：cp為比熱容；T為溫度；k為傳熱系數(shù)；ST為黏性耗散。

d)組分方程。組分守恒定律為單位時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)某化學(xué)組分質(zhì)量變化等于該組分通過系統(tǒng)表面的凈流量及化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分質(zhì)量之和。本文所研究內(nèi)容不包含氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，因此忽略化學(xué)反應(yīng)一項(xiàng)。組分s的組分方程為

(4)

式中：cs為組分s的體積密度；Ds為擴(kuò)散系數(shù)。

2.1.4 計(jì)算邊界條件假設(shè)

結(jié)合本文研究對象的特點(diǎn)及物理過程，計(jì)算中對模型的邊界進(jìn)行如下設(shè)置：①管廊壁面采用wall邊界；②管廊進(jìn)、出口采用速度或壓力邊界；③管廊內(nèi)空氣設(shè)置溫度、速度邊界條件；④SF6泄漏源采用初始壓力或速度邊界。

2.2 1D、3D擴(kuò)散及流動(dòng)數(shù)值模型計(jì)算對比

1D計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)模擬具有計(jì)算速度快的特點(diǎn)，但對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的流動(dòng)特性缺乏詳細(xì)解析；3D CFD模擬具有內(nèi)部流動(dòng)特性解析精度高的優(yōu)點(diǎn)，但存在對于大跨度盾構(gòu)管廊計(jì)算相對耗時(shí)的缺點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)千米級、大跨度特高壓盾構(gòu)管廊SF6的擴(kuò)散模擬，結(jié)合SF6擴(kuò)散的時(shí)域特點(diǎn)，采用“1D+3D”CFD耦合模擬的思想，對泄漏口附近的復(fù)雜擴(kuò)散區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)Fluent模擬，對擴(kuò)散形態(tài)穩(wěn)定后，隨通風(fēng)條件向下游推進(jìn)段采用Flowmaster進(jìn)行模擬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對6 km大跨度尺度下整體管廊SF6擴(kuò)散的模擬。針對圖1中的特高壓盾構(gòu)管廊結(jié)構(gòu)，計(jì)算對比Flowmaster和Fluent在管廊壓降和泄漏源泄壓過程中壓力隨時(shí)間變化的相對誤差。計(jì)算條件分別見表1、表2和表3。

表1 SF6泄漏氣體在t=0時(shí)的狀態(tài)Tab.1 SF6 leakage gas state at t=0

表2 盾構(gòu)管廊氣體在t=0時(shí)的狀態(tài)Tab.2 Gas state in the UHV shield tunnel at t=0

表3 盾構(gòu)管廊流阻計(jì)算對比參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter settings for flow resistance calculation

2.2.1 壓力平衡時(shí)間計(jì)算對比

利用Flowmaster元件庫相關(guān)元件設(shè)置表1、表2對應(yīng)的邊界條件，獲得圖3所示的1D Flowmaster流動(dòng)計(jì)算模型。利用3D CAD建模并完成網(wǎng)格剖分，設(shè)置相同的邊界條件，獲得圖4所示3D Fluent流動(dòng)計(jì)算模型。

圖3 Flowmaster計(jì)算模型Fig.3 Flowmaster calculation model

圖4 Fluent計(jì)算模型Fig.4 Fluent calculation model

分別對圖3和圖4模型完成計(jì)算，獲得如圖5所示泄漏口出口壓力隨時(shí)間變化的結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，對于盾構(gòu)管廊，采用相同的邊界設(shè)置條件下，F(xiàn)lowmaster和Fluent獲得的計(jì)算結(jié)果高度一致。SF6泄漏源大氣壓力平衡時(shí)間對于管廊SF6泄漏事故的處理十分重要。Flowmaster完成模型單次計(jì)算所需時(shí)間為分鐘級別，F(xiàn)luent模型完成單次計(jì)算所需時(shí)間為小時(shí)級別，計(jì)算速度二者差別約為200倍。因此，充分利用Flowmaster的計(jì)算高效性，可快速獲得不同泄漏口直徑條件下的SF6泄漏源的大氣壓力平衡時(shí)間。

圖5 泄漏源壓力隨時(shí)間變化計(jì)算對比Fig.5 Calculation comparisons of leakage source pressure varying with time by using Fluent and Flowmaster

2.2.2 管廊流阻特性計(jì)算對比

分別對上述模型建立邊界條件(見表3)，當(dāng)管廊壁面粗糙度為3 mm、風(fēng)速為5 m/s時(shí)，F(xiàn)luent模型計(jì)算獲得管廊上層結(jié)構(gòu)6 km的等效壓降為708 Pa，F(xiàn)lowmaster模型計(jì)算獲得管廊上層結(jié)構(gòu)6 km的等效壓降為732 Pa，二者相對誤差為3.28%。

計(jì)算結(jié)果表明，無論對于泄壓時(shí)間還是管壓降計(jì)算，2個(gè)模型對于具有統(tǒng)計(jì)意義的參數(shù)能夠獲得較為一致的計(jì)算結(jié)果。更進(jìn)一步地來說，對于大跨度盾構(gòu)管廊泄漏模擬，采用“1D+3D”耦合分析模型在耦合界面處具有良好的壓力和質(zhì)量流量耦合條件，具備滿足“1D+3D”耦合分析的完備條件。

2.3 1D、3D耦合流動(dòng)模型建立

采用數(shù)值模擬計(jì)算方法模擬SF6擴(kuò)散[10-11]，建立如圖6所示的基于Flowmaster和Fluent的“1D+3D”耦合分析模型，用于計(jì)算泄漏發(fā)生后的擴(kuò)散情況，并考慮側(cè)吸、下腔通風(fēng)系統(tǒng)開啟后，SF6氣體的吸收和排出情況。

圖6 盾構(gòu)管廊“1D+3D”耦合模型(全長6 km)Fig.6 “1D+3D” coupling model of shield tunnel (6 km length)

本設(shè)計(jì)中，取GIL管單個(gè)氣室長度為108 m，計(jì)算假設(shè)泄漏發(fā)生在GIL管廊中部，泄漏口位于管廊一側(cè)、距離上腔地面位置最近的GIL管氣室內(nèi)。SF6初始壓力為0.5 MPa，泄漏口水力直徑為125 mm，SF6初始?xì)鉁貫?0 ℃。廊內(nèi)空氣取35 ℃。耦合分析模型中，用于3D Fluent模型計(jì)算的管廊長度為300 m，泄漏口位于該段管廊中部，即泄漏口距離3D模型兩側(cè)各150 m。由于管廊截面尺寸較大，空氣與SF6形成的混合氣體中SF6占比較小，SF6對整體通風(fēng)流動(dòng)阻力的影響較小，忽略坡度(設(shè)計(jì)小于2°)和管廊線型的影響，其余兩側(cè)管廊采用長度各為2 850 m直線管段，考慮單一空氣或混合氣體流動(dòng)壓降的影響，并采用Flowmaster氣體元件進(jìn)行建模。在1D、3D模型的流動(dòng)邊界處，建立壓力及質(zhì)量流量等耦合邊界條件，上、下腔通風(fēng)系統(tǒng)兩側(cè)取大氣邊界條件。

3 SF6安全濃度限值與通風(fēng)建立時(shí)間計(jì)算

DL/T 639—2016《SF6電氣設(shè)備運(yùn)行、試驗(yàn)及檢修人員安全防護(hù)細(xì)則》及GB/Z 2.1—2019《工作場所有害因素職業(yè)接觸限制》規(guī)定，室內(nèi)六氟化硫氣體含量不得超過1 000 μL/L(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 000 mg/kg)，氧氣含量不應(yīng)低于18%。如果氣體濃度超標(biāo)，電氣設(shè)備檢修人員無法進(jìn)入管廊中，應(yīng)對相應(yīng)故障進(jìn)行快速有效處理。

影響下腔通風(fēng)系統(tǒng)開啟時(shí)間的主要因素包括：SF6泄漏到報(bào)警裝置觸發(fā)所需時(shí)間、報(bào)警裝置觸發(fā)風(fēng)機(jī)開啟的延遲時(shí)間、隧道風(fēng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速所需時(shí)間、流動(dòng)建立所需壓差建立時(shí)間等。本文假設(shè)相關(guān)子過程完成時(shí)間計(jì)算建立在監(jiān)控點(diǎn)間距20 m、上腔風(fēng)速為5 m/s的條件下。距離泄漏發(fā)生后下腔通風(fēng)系統(tǒng)開啟各子過程時(shí)間分別為：報(bào)警觸發(fā)4 s，風(fēng)機(jī)開啟延遲1 s，隧道風(fēng)機(jī)開啟到平穩(wěn)所需時(shí)間為10 s，流動(dòng)建立10 s。累計(jì)所有子過程時(shí)間，即當(dāng)SF6開始泄漏到下腔風(fēng)機(jī)建立下腔通風(fēng)系統(tǒng)平穩(wěn)流動(dòng)所需時(shí)間為15 s。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析與討論

SF6為重質(zhì)氣體，泄漏發(fā)生時(shí)，具有其自身的特點(diǎn)[12]。當(dāng)SF6泄漏后，盾構(gòu)管廊內(nèi)上腔通風(fēng)系統(tǒng)始終保持運(yùn)行通風(fēng)是常見通風(fēng)處理方法[13]，為加快泄漏氣體[14-15]排放，計(jì)算取設(shè)計(jì)允許最大風(fēng)速5 m/s。以下針對此類通風(fēng)運(yùn)行模式，進(jìn)行泄漏氣體擴(kuò)散過程模擬。根據(jù)圖6建立全管廊“1D+3D”耦合模型[16-19]，計(jì)算條件設(shè)置同上述分析所設(shè)置條件，分別模擬下腔不同通風(fēng)風(fēng)速下[20]的泄漏擴(kuò)散過程。

4.1 管廊下腔通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)泄漏擴(kuò)散模擬

泄漏發(fā)生后，若下腔管廊通風(fēng)系統(tǒng)始終關(guān)閉，計(jì)算模型對應(yīng)下腔風(fēng)速設(shè)置為0，此時(shí)，SF6擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形態(tài)及區(qū)域濃度分布計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 泄漏t=14 s管廊SF6質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(5 m/s通風(fēng)風(fēng)速)Fig.7 SF6 mass concentration distribution at t = 14 s and 5 m/s ventilation speed

圖8 泄漏t=115 s管廊SF6質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(5 m/s通風(fēng)風(fēng)速)Fig.8 SF6 mass concentration distribution at t = 115 s and 5 m/s ventilation speed

圖7計(jì)算結(jié)果表明：泄漏事故發(fā)生14 s后，受泄漏初速度及迎面風(fēng)速的共同影響，SF6從泄漏口沿背風(fēng)面擴(kuò)展到下游150 m左右位置，此時(shí)，無論下腔風(fēng)機(jī)是否開啟，距離泄漏口150 m為理論最短控制區(qū)域。圖8計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)管廊下腔通風(fēng)系統(tǒng)始終不開啟時(shí)，SF6在通風(fēng)作用下，逐步向管廊下游出口方向進(jìn)行擴(kuò)散，115 s后管廊上腔部分區(qū)域SF6體積分?jǐn)?shù)下降到低于1 000 μL/L(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 000 mg/kg)的安全數(shù)值范圍內(nèi)。

由此可見，當(dāng)且僅當(dāng)工作人員距離泄漏口較近且能夠向迎風(fēng)面撤離時(shí)，才可能取得安全撤離條件。由于泄漏發(fā)生前，無法確定泄漏發(fā)生位置，因此，GIL盾構(gòu)管廊存在較高的泄漏事故發(fā)生后的人體安全撤離風(fēng)險(xiǎn)[21-22]。

4.2 泄漏15 s后擴(kuò)散區(qū)域不擴(kuò)大時(shí)的通風(fēng)設(shè)計(jì)

考慮到泄漏發(fā)生后，下腔結(jié)構(gòu)通風(fēng)條件的完整建立需要一定時(shí)間，要取得擴(kuò)散區(qū)域不向背風(fēng)方向繼續(xù)下游擴(kuò)散的技術(shù)條件為：15 s后，下腔通風(fēng)條件建立后，能夠完全吸收已經(jīng)泄漏出的SF6氣體。故按此要求對SF6側(cè)吸風(fēng)機(jī)數(shù)量、風(fēng)量或風(fēng)機(jī)選型進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算，當(dāng)管廊下腔平均風(fēng)速不小于3 m/s時(shí)，能夠滿足該技術(shù)條件。圖9—圖11所示為不同時(shí)刻SF6高于安全限值的區(qū)域分布情況。

圖9 泄漏t=15 s管廊SF6質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(5 m/s通風(fēng)風(fēng)速)Fig.9 SF6 mass concentration distribution at t = 15 s and 5 m/s ventilation speed

圖10 泄漏t=20 s管廊SF6質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(5 m/s通風(fēng)風(fēng)速)Fig.10 SF6 mass concentration distribution at t=20 s and 5 m/s ventilation speed

圖11 泄漏t=55 s管廊SF6質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(5 m/s通風(fēng)風(fēng)速)Fig.11 SF6 mass concentration distribution at t=55 s and 5 m/s ventilation speed

以上計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)泄漏發(fā)生15 s后，側(cè)吸及下腔通風(fēng)風(fēng)機(jī)開啟后，泄漏區(qū)域SF6立即得到吸收，并不向下游進(jìn)行擴(kuò)散；55 s后，隨著SF6泄漏流量持續(xù)下降，SF6高濃度區(qū)域趨于穩(wěn)定收縮狀態(tài)。此時(shí)，側(cè)吸風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果為：單個(gè)氣室108 m范圍內(nèi)，管廊雙側(cè)對稱布置側(cè)吸風(fēng)機(jī)，間隔30 m布置1臺(tái)；側(cè)吸風(fēng)機(jī)風(fēng)量不低7 200 m3/h，全壓不小于300 Pa；6 km管長合計(jì)雙側(cè)共布置400臺(tái)側(cè)吸風(fēng)機(jī)。

4.3 泄漏15 s后上腔通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉條件通風(fēng)設(shè)計(jì)

當(dāng)管廊上腔通風(fēng)系統(tǒng)始終保持運(yùn)行條件時(shí)，由于上腔風(fēng)速對SF6有推動(dòng)作用，增加了對側(cè)吸風(fēng)機(jī)的配置需求。泄漏報(bào)警后，隨即關(guān)閉上腔通風(fēng)系統(tǒng)，能夠降低對側(cè)吸風(fēng)機(jī)的配置需求，故本節(jié)依此條件，對側(cè)吸風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算條件同上述條件設(shè)置，忽略泄漏監(jiān)控點(diǎn)距離泄漏源的距離，并假設(shè)報(bào)警后，管廊上腔通風(fēng)速度立即降低為0 m/s。

泄漏發(fā)生15 s后，側(cè)吸及下腔通風(fēng)風(fēng)機(jī)開啟、上腔通風(fēng)立即關(guān)閉后，計(jì)算結(jié)果表明，泄漏區(qū)域SF6吸收能力較上腔通風(fēng)系統(tǒng)保持開啟時(shí)顯著增強(qiáng)。圖12、圖13所示為相應(yīng)計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果顯示，泄漏發(fā)生20 s后，體積分?jǐn)?shù)高于1 000 μL/L(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 000 mg/kg)的區(qū)域快速收縮到距離泄漏口位置65 m范圍內(nèi)。

圖12 泄漏t=20 s管廊SF6質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(0 m/s通風(fēng)風(fēng)速)Fig.12 SF6 mass concentration distribution at t=20 s and 0 m/s ventilation speed

圖13 泄漏t=55 s管廊SF6質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(0 m/s通風(fēng)風(fēng)速)Fig.13 SF6 mass concentration distribution at t=55 s and 5 m/s ventilation speed

滿足上述計(jì)算結(jié)果的側(cè)吸風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果為：單個(gè)氣室108 m范圍內(nèi)，管廊雙側(cè)對稱布置側(cè)吸風(fēng)機(jī)，間隔30 m布置1臺(tái)；側(cè)吸風(fēng)機(jī)風(fēng)量不低于4 800 m3/h，全壓不小于300 Pa；6 km管長合計(jì)雙側(cè)共布置400臺(tái)側(cè)吸風(fēng)機(jī)。

泄漏發(fā)生時(shí)，相較于上腔通風(fēng)系統(tǒng)始終開啟條件下，泄漏報(bào)警后上腔通風(fēng)系統(tǒng)立即關(guān)閉通風(fēng)，側(cè)吸風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)量需求降低38%，泄漏發(fā)生20 s后管廊內(nèi)SF6體積分?jǐn)?shù)高于1 000 μL/L(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 000 mg/kg)的區(qū)域長度從135 m縮短到65 m，降低了52%。

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬技術(shù)研究了特高壓盾構(gòu)管廊SF6泄漏數(shù)值模擬與通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

a)建議通過側(cè)吸通風(fēng)方式將SF6泄漏氣體從管廊上腔引導(dǎo)到下腔并通風(fēng)排出，降低泄漏發(fā)生時(shí)存在的人體安全撤離風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；

b)側(cè)吸通風(fēng)具體布置及通風(fēng)量設(shè)計(jì)是影響SF6在管廊內(nèi)氣體濃度分布的重要因素；

c)采用具有上、下腔結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)管廊結(jié)構(gòu)，泄漏發(fā)生時(shí)，上腔通風(fēng)始終保持開啟條件下，縮短側(cè)吸及下腔通風(fēng)系統(tǒng)流動(dòng)建立時(shí)間，設(shè)計(jì)合理的SF6側(cè)吸、排放通風(fēng)方案有利于對管廊內(nèi)SF6高濃度區(qū)域進(jìn)行控制；

d)泄漏發(fā)生后，上腔通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉更有利于進(jìn)一步縮短人體安全撤離距離，同時(shí)能夠有效降低側(cè)吸風(fēng)量設(shè)計(jì)需求。