基于CFD方法的水電站地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)改造的研究

郭俊勛　張學(xué)威　沈俊琬　梁翔　魏榮闊

【摘 要】為研究大型水電站地下廠房各層間通風(fēng)換熱換濕效果，以宜興抽水蓄能電站實(shí)際物理模型作為基礎(chǔ)，模擬分析了多種（幾種）不同的通風(fēng)方案廠房內(nèi)溫濕度場的分布規(guī)律。通過相似工況下的CFD數(shù)值模擬，以現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為數(shù)值模擬邊界條件，將溫濕度作為主要研究對象，以宜興抽水蓄能電站地下廠房原通風(fēng)工況建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析其濕熱場；改變進(jìn)風(fēng)口的位置和層間換風(fēng)次序后建立模型，在不改變新風(fēng)總量的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行數(shù)值模擬。對比兩種工況后發(fā)現(xiàn)后者的散濕散熱比原方案有一定的提高。研究結(jié)果為地下廠房層間換熱提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】水電站；廠房；通風(fēng)空調(diào)；數(shù)值模擬；散熱散濕

中圖分類號(hào)： TV735 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）11-0031-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.012

【Abstract】In order to study the effect of heat exchange among every layers of underground of some large hydropower station，the article is based on the actual physical model of Yixing pumped storage power station. We simulated and analyzed the distribution law of temperature and humidity field in various kinds of ventilation schemes.Through the CFD numerical simulation under the similar working condition， it uses the field test data as the numerical simulation boundary condition，and takes the temperature and humidity as the main research object， and the model of the original ventilation of the underground powerhouse of Yixing pumped storage power station is set up to simulate and analyze the wet heat field. Whats more， it establishes the position model after changing the inlet and the order of interlayer wind change. Numerical simulation is carried out on the basis of not changing the total amount of fresh air.After comparing the two kinds of working conditions， we found that the heat dissipation of the latter is somewhat higher than that of the original scheme. The research results provide reference for interlayer heat transfer of underground powerhouse.

【Key words】Hydropower station； Powerhouse； Ventilation and air conditioning； Numerical simulation； Heat dissipation and moisture dissipation

0 引言

近年來國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展帶來了大量電力能源的需求，也開啟了大型電站的大規(guī)模建設(shè)時(shí)代。與此同時(shí)，電網(wǎng)中電力的輸送規(guī)模擴(kuò)大，對電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性有了更高的要求。而抽水蓄能電站具有調(diào)峰填谷、 調(diào)頻、 事故備用等作用，故其開發(fā)建設(shè)迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。隨著環(huán)保需求的增加以及地下廠房施工技術(shù)的發(fā)展，抽水蓄能電站越來越傾向于采用地下式廠房的建設(shè)形式。由于廠房深埋地下，其散濕散熱很大程度上依賴于通風(fēng)系統(tǒng)，因此容易面臨通風(fēng)不暢以及溫濕度過高的問題。地下廠房的濕熱環(huán)境問題主要表現(xiàn)在空氣濕度大、溫度場分布不均勻、空氣品質(zhì)低下這三個(gè)方面。但在目前已建成的電站中，各通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果都不盡如人意。

目前，地下廠房的濕熱環(huán)境特性是國內(nèi)外對地下廠房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的主要研究方向。隨著暖通技術(shù)的發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)的增強(qiáng)，我國水電站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段：首創(chuàng)機(jī)械制冷，發(fā)電機(jī)層分層空調(diào)方案；大壩廊道引入空氣，利用天然冷源對新風(fēng)進(jìn)行冷卻以節(jié)省能源；在設(shè)計(jì)理論中引入“空氣品質(zhì)”概念，對廠房中的空氣環(huán)境的評價(jià)有了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹笜?biāo)；跟隨電站“無人值班，少人值守”的發(fā)展目標(biāo)，空調(diào)系統(tǒng)的控制也朝向全自動(dòng)化的方向發(fā)展。

重慶大學(xué)林婷瑩通過對水電站運(yùn)行過程中各種設(shè)備散熱特性及熱負(fù)荷分析，提出較為準(zhǔn)確的廠內(nèi)余熱負(fù)荷的計(jì)算式；歸納出多個(gè)可行的空氣處理方案；從多個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)，總結(jié)出各個(gè)方案選擇的因素。并以BHT電站為例，驗(yàn)證其提出的方案優(yōu)選方法。[1]

西安建筑大學(xué)楊曉峰對仙游抽水蓄能電站的地下廠房進(jìn)行通風(fēng)空調(diào)模型試驗(yàn)，利用激光測速2DPIV技術(shù)對水電站通風(fēng)氣流組織縮尺模型，建立1：50的幾何模型。在多種不同的送風(fēng)速度與熱源強(qiáng)度組合下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究不同強(qiáng)度的機(jī)械排風(fēng)對工作區(qū)速度場的影響。[2]

重慶大學(xué)張治通過對龍灘地下水電站熱環(huán)境特性研究，利用理論分析、模型實(shí)驗(yàn)分析地下廠房的溫度分布規(guī)律。在自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)、主廠房拱頂送風(fēng)三種工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證原型拱頂送風(fēng)的合理性，并研究分析出龍灘水電站地下廠房的熱環(huán)境特性。[3]

重慶大學(xué)劉琳通過對白鶴灘水電站地下廠房進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算與風(fēng)機(jī)匹配，在對地下洞群進(jìn)行網(wǎng)格圖化時(shí)將地下廠房用風(fēng)區(qū)風(fēng)量作為已知的節(jié)點(diǎn)流量形式表現(xiàn)，確保進(jìn)風(fēng)量始終滿足設(shè)計(jì)風(fēng)量要求；對不同室外進(jìn)風(fēng)口的空氣溫度按照實(shí)際高程進(jìn)行修正。利用matlab計(jì)算得出進(jìn)風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中逐日平均和不同季節(jié)代表逐日時(shí)的風(fēng)量及熱壓分布情況。最后得出在不同季節(jié)負(fù)荷變化下風(fēng)量的分配要求。[4]

重慶大學(xué)劉希臣通過對地下進(jìn)風(fēng)洞對氣流的熱濕處理規(guī)律、圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的全年動(dòng)態(tài)熱濕吸放特性以及水電站地下廠房散熱的強(qiáng)度、時(shí)間、空間特性等系統(tǒng)地研究了地下水電站熱濕環(huán)境的形成機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出了制定地下水電站廠房熱濕環(huán)境節(jié)能調(diào)控策略的方法。[5]

而國外對于地下廠房濕熱環(huán)境形成原因的研究比較缺乏，但國外對于建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗的測試和評價(jià)有著更為成熟的理論基礎(chǔ)，主要有美國的LEED體系[6]、英國的 BREEM 體系、日本的 CASBEE 體系[7]以及加拿大的GBC體系[8]。

1 CFD模擬計(jì)算

1.1 數(shù)學(xué)模型

水電站地下廠房氣流由風(fēng)口噴射的冷射流和浮升力為動(dòng)力的自下而上的熱氣流的相互作用而成，其氣流組織實(shí)際是有內(nèi)熱源的非等溫射流高大廠房空間氣流組織。主廠房采用均勻送風(fēng)方式，洞室內(nèi)空氣的狀態(tài)參數(shù)可以近似認(rèn)為恒定。為研究方便，對模型做如下簡化：視空氣為理想氣體，視介質(zhì)的熱物理參數(shù)為常物性參數(shù)，即介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等參數(shù)不隨時(shí)間空間變化，在濕度的模擬計(jì)算中采用組分輸運(yùn)方程。

在計(jì)算方法上，數(shù)值模擬模型采用三維計(jì)算模型，輻射模型采用DO模型，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)K- -模型，組分模型采用組分運(yùn)輸模型。

1.2 物理模型

主廠房分為發(fā)電機(jī)層、中間層、水輪機(jī)層、蝸殼層四層結(jié)構(gòu)，為了研究整體變化，對全廠四層結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模。為了提高網(wǎng)格精度與計(jì)算的準(zhǔn)確性，在進(jìn)風(fēng)口與發(fā)熱體附近進(jìn)行網(wǎng)格加密。

主廠房的物理模型如圖所示，該水電站廠房位于山體中，各層散濕量基本相等。但各層發(fā)熱量有顯著區(qū)別，其中發(fā)電機(jī)層的設(shè)備發(fā)熱量占總發(fā)熱量的1/2以上。故發(fā)電機(jī)層的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)以降溫為主要目的，保證其換風(fēng)量，而水輪機(jī)層與蝸殼層以除濕為主要目的。

1.3 網(wǎng)格劃分與收斂性

模型體網(wǎng)格大部分為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，劃分采用四邊形混合網(wǎng)格，滿足精度的前提下，盡量減少網(wǎng)格數(shù)量，綜合考慮計(jì)算機(jī)CPU，UDF程序所需占用的內(nèi)存等，模型總網(wǎng)格數(shù)量約200萬左右。

計(jì)算收斂的判斷依據(jù)：

（1）計(jì)算前設(shè)置某一平面平均溫度監(jiān)控器，當(dāng)平均溫度上升或下降并趨于穩(wěn)定時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。

（2）迭代計(jì)算過程中，除能量的殘差值外，其余殘差值均降低到10-3，而能量的殘差值低于10-6時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 通風(fēng)方案的改進(jìn)

為改進(jìn)后的工況，考慮到該廠房有兩條主要進(jìn)風(fēng)洞，進(jìn)廠交通洞與施工支洞在房頂為主要空調(diào)提供進(jìn)風(fēng)，但由于兩洞溫濕度存在差異，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)層同層溫度存在區(qū)域差異。新方案中將主空調(diào)設(shè)置在蝸殼層上游墻，由溫度較低的進(jìn)廠交通洞提供進(jìn)風(fēng)，房頂與施工支洞相連作為自由出口。

由于每層發(fā)熱體周圍產(chǎn)生的熱氣流自發(fā)的向上運(yùn)動(dòng)，為了遵循這一規(guī)律，每一層由下（上）游墻底部進(jìn)風(fēng)，上（下）游墻頂部出風(fēng)，實(shí)現(xiàn)層內(nèi)總體冷氣均布。

2.2溫濕度對比

當(dāng)計(jì)算收斂后，考慮人類活動(dòng)區(qū)域截取每一層離地面1.5米處的截面作為參考截面，如下圖2a、圖2b為蝸殼層溫度分布，該模型并未考慮層內(nèi)立式空調(diào)以及除濕機(jī)，即適當(dāng)簡化了物理模型，但總體溫濕度變化對比還是具有參考意義，對比圖中依次為工況1和工況2，可以看出工況2溫度總體下降2～3℃；圖3為水輪機(jī)層溫度分布，工況2溫度均勻性更好，且總平均溫度比工況一更低。

圖4為中間層溫度分布圖，可以看出中間層的溫度并沒有達(dá)到預(yù)期效果，工況2溫度較工況1有所上升，原因可能為中間層通風(fēng)口總數(shù)減少，進(jìn)風(fēng)僅為水輪機(jī)層通向中間層的進(jìn)風(fēng)以及發(fā)電機(jī)層層間通風(fēng)，母線洞與層間通風(fēng)在模型中設(shè)置為壓力出口自由進(jìn)風(fēng)，但因?yàn)橛心妇€洞的存在，實(shí)際中間層通風(fēng)量是四層中最高的，適當(dāng)?shù)陌才乓恍觾?nèi)空調(diào)可以調(diào)節(jié)溫度升高的問題。圖5為發(fā)電機(jī)層溫度分布圖，可見兩種工況平均溫度基本相等，但舊工況存在長度方向溫度差異。

解決廠房熱濕環(huán)境是確保機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)行以及維護(hù)管理人員健康舒適的重要條件，而潮濕問題一直以來是水電站地下廠房的一大難題，而考慮到發(fā)電機(jī)層與中間層為主要工作區(qū)，這里主要研究這兩層的濕度對比；圖6為中間層濕度對比圖，可見工況2的相對濕度相比工況1下降了0.18～0.23，圖7為水輪機(jī)層濕度對比圖，工況2相對濕度下降了0.10～0.15，且層間分布也較為均勻。

3 結(jié)論

（1）工況2系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體采用從下往上通風(fēng)的設(shè)計(jì)，層內(nèi)空氣流動(dòng)更均勻，主空調(diào)安置在蝸殼層上游墻，且相比原方案減少了一半的主空調(diào)進(jìn)風(fēng)口，所以耗能減少顯著，經(jīng)濟(jì)效益較好，具體經(jīng)濟(jì)效益還有待進(jìn)一步研究。

（2）通過溫度對比分析，除卻中間層溫度有所上升，其他三層的溫度都有所改善，新窗口的設(shè)置，較工況1減少了氣流“碰撞”，氣流死區(qū)也隨之減少，減緩了局部高溫的問題。

（3）濕度是工作人員舒適度的一個(gè)重要指標(biāo)，工況2明顯看出主要工作區(qū)域由于通風(fēng)變化帶來的濕度平均值下降，解決了部分由通風(fēng)引起的產(chǎn)房潮濕的問題，使方案的可取性上升。

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