抽蓄電站地下施工洞室通風系統仿真與改進研究

李 根，霍志紅，許 昌，李林敏，胡代清，薛飛飛，韓星星

（1.河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100； 2.安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽 六安 237300）

0 引言

近年我國規劃建設多座抽蓄電站，大型抽蓄電站地下洞室群在施工過程中，鉆孔、爆破以及出渣作業產生了眾多污染物，這些污染物將會嚴重威脅作業人員的身體健康，甚至生命安全[1]。

抽蓄電站地下廠房污染物的快速消除，通常需要有效的通風系統設計和運行。通過對通風系統進行數值建模并改進是通風系統設計和運行優化的有效措施。 郭俊勛[2]通過改變宜興抽蓄電站進風口的位置和層間換風次序，在不改變新風總量的基礎上，通過數值模擬對比了兩種工況，后者的散濕散熱比原方案有一定的提高。 程飛[3]對二灘水電站豎井平洞通風氣流參數的實測數據進行了三維數值模擬，分析了氣流流經地下風道時的能量變化，討論了地下風道在空調設計中的利用效率。 朱斌[4]通過數值模擬對錦屏二級水電站通風空調系統的優缺點進行分析，提出了合理的改進建議，為后續同類型水電站通風系統的設計提供了借鑒。鑒于水電站地下洞室施工對通風系統要求不同，朱少俊[5]通過選擇合理的通風機械與排風豎井相結合，提高了巖灘水電站擴建工程施工支洞的通風效率。針對白鶴灘水電站地下廠房洞室群施工期通風問題，樊啟祥[6]提出了正壓和負壓混合式通風等改進方案，有效解決了超大規模和埋深條件下的地下洞室群通風散煙難題。

目前的研究大部分針對個別的洞室或者系統，對全廠整體通風系統的數值研究還較少。 而通過建立準確的通風模型并對整體通風系統進行系統研究，改進通風系統和方案，對抽蓄電站的安全施工具有重要意義。本文以在建安徽金寨抽蓄電站為研究對象，建立地下施工洞室群的三維物理模型，運用RNG k-ε 湍流模型對其地下施工洞室的通風系統進行仿真計算，基于現場風速測量數據驗證模型可靠性的基礎上，通過仿真提出通風改進方案。本文研究可為抽水蓄能電站地下施工洞室通風設計和安全施工提供理論依據。

1 實驗測量

1.1 工況及物理模型

本文所研究的在建抽蓄電站由交通洞、5，6# 支洞、7，8# 支洞、 主廠房、 主變洞、 尾閘洞、 排風豎井和通風兼安全洞構成。 選取主廠房、 主變洞、 尾閘洞向下開挖施工工況進行研究，此時地下洞室處于二期通風階段，永久排風豎井等排風通道已形成，施工通風已具備“下進上排”的巷道式通風條件。地下洞室施工工況下的幾何結構如圖1 所示。 其中，交通洞、通風兼安全洞、 排風豎井與自然環境連通，5，6# 支洞和7，8# 支洞為與交通洞連通的獨頭支洞，主廠房、 主變洞和尾閘洞兩端分別與交通洞和通風兼安全洞相連。

圖1 抽蓄電站三維幾何模型Fig.1 Three-dimensional geometric model of pumped storage station

1.2 實驗測量

通過對施工洞室不同測點位置的風速進行測量來獲得實測數據，對于每個測點，在其所在截面上選取5 個位置進行測量，得到該截面的平均風速。 采用人工手持風速儀進行測量，其中，3 個測量位置在中心線的不同高度上，另外兩個位置與中間高程的測點等高且位于其兩側。 每個測點的測量持續時間為3 min，并取時間平均值。 該截面的平均風速取5 個測量位置的平均值。 測量時主廠房、主變洞和尾閘洞處于向下開挖階段，其中主變洞和尾閘洞因無法進入而沒有設置測點。 共設置 20 個測點，測點 a，b，c，6，cc，d 位于交通洞，測點 5 和測點 7 分別位于 5，6# 支洞和 7，8# 支洞，測點4 位于主變洞洞口處，測點1，3 位于主廠房內，測點2 位于主廠房與主變洞連接處，測點g，f位于主廠房排風洞內，測點ff 位于主變洞排風洞內，測點 ee，e 位于通風兼安全洞內，測點 jtd，tfa，sj 分別位于為交通洞出口、通風兼安全洞出口、排風豎井出口。 測點具體位置和對應的實測風速值如圖2 所示。

圖2 風速實測值和測點位置示意圖Fig.2 Map of measuring point position and measured wind velocity

2 數學模型

抽蓄電站地下施工洞室空氣流動遵循連續性方程和動量方程。由于地下廠房幾何結構復雜，存在較多快速應變流動，因此，選用RNG k-ε 湍流模型進行計算。

2.1 連續性方程

任何氣體的運動遷移都遵循質量守恒定律，即單位時間內流體微元體中質量的增加等于同一時間流入該微元體的凈質量，其一般矢量形式為[7]

2.2 動量方程

動量方程是任何流動系統都必須滿足的基本方程，它可以描述為系統中流體微元的動量變化率等于作用在該系統上的合外力。 據此可以推導出描述粘性不可壓縮流體動量守恒方程（Navier-Stokes 方程），其矢量形式為[8]

2.3 湍流模型

RNG k-ε 湍流模型是由一種被稱為“重整化群”（RNG）的數學方法導出的。它在形式上與標準k-ε 模型相似，由于模型在其方程中增加了一項，提高了快速應變流動的計算精度，因此可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動問題[9]，針對本文研究對象具有更好的適應性。 其形式為[10]

式中：Gk為由平均速度梯度引起的湍流動能；YM為可壓縮湍流中的波動膨脹對總耗散率的貢獻；Sk為用戶定義的源項。

2.4 仿真模型

根據廠房實際通風系統，整個模型共設置5個速度入口、1 個速度出口和兩個壓力出口。 其中，5，6#支洞洞底、7，8#支洞洞底、主廠房風管入口、 主變洞風管入口和尾閘洞風管入口為速度入口，排風豎井為速度出口，交通洞出口和通風兼安全洞出口為壓力出口。 由于現場測量時排風豎井下方通風面堆有堵塞物，排風豎井通風效果不好，測量值為0.1 m/s，將其設置為速度出口。 具體邊界條件見表1。

表1 全廠模型邊界條件設置情況Table 1 The setting of boundary conditions for plant-wide model

全廠模型共包含315 萬個網格，最小網格體積為 0.013 m3，最大網格體積為 0.591 m3，網格質量為 0.35。

3 結果與討論

3.1 模型驗證

計算收斂后，取接近于普通人身高處的截面z=1.75 m，得到如圖3 所示的全廠風速分布圖。

圖3 通風模型風速分布圖Fig.3 Distribution map of wind velocity in ventilation model

從圖3 可以看出：金寨抽蓄電站施工階段通風系統有待改進，主廠房平均通風速度為0.46 m/s，0～0.32 m/s 風速區占總區域的 50%； 主變洞情況略好于主廠房，主廠房內有毒有害氣體無法沿排風豎井和通風兼安全洞高效排出。

施工洞室內的氣體流向如圖4 所示。 從圖中可以清楚地看到全廠通風系統的風向情況，主廠房、 主變洞、 尾閘洞一部分氣流與5，6# 支洞和7，8# 支洞的氣流一同由交通洞洞口排出，另一部分由排風豎井和通風兼安全洞排出。 主廠房排風洞內風速較低，由主廠房流向排風豎井和通風兼安全洞的通風情況并不理想。

圖4 洞室內氣體流向Fig.4 Gas flow diagram in cavern

將仿真結果與實測風速進行對比，測點a，b，5，3，2，ff，ee 相對誤差小于 10%，測點 7，cc，d，g，e，sj 相對誤差為10%～20%，其余測點相對誤差為20%～30%。 由此可以證明，該通風模型具有較高的準確性，較好地還原了實際抽蓄電站地下施工洞室的通風情況。

針對仿真結果中現行通風系統存在的問題，本文對現有通風系統提出以下兩種通風改進方案： ①增加主廠房和主變洞入口處風管的入流風速，即提高風管通風流量；②在排風豎井出口處增置排風機，增加排風豎井通風換氣率。

3.2 流量改進方案

增加現有風管的通風流量是改善廠房通風質量的有效途徑。根據前述全廠通風情況，增加了主廠房和主變洞入口處的風管流量，改進前后具體設置情況如表2 所示。

表2 主廠房、主變洞風管入口流量改進情況Table 2 Improvement of inlet flow of wind pipe in powerhouse and main-transformed cavern

仿真得到的關鍵測點改進前后風速對比如表3 所示。

表3 風管流量改進前后風速對比Table 3 Wind speed contrast table before and after air tube flow improvement

從表3 可以看出，絕大部分測點在改進后風速均有不同程度的增加，說明改進后抽蓄電站整體通風效果有所改善。風管流量改進前后7，8#支洞與交通洞交匯處局部風速分布對比如圖5 所示。

圖5 流量改進前后局部風速分布對比Fig.5 Local wind velocity distribution map before and after flow Improvement

由圖5 可知，改進前后交匯處均出現了風速疊加區，改進后交通洞整體平均風速由0.61 m/s增加為 0.89 m/s，風速疊加區由 1.05～1.2 m/s 增加為 1.17～1.5 m/s。 分析原因，風管流量改進后主廠房和主變洞入口處風管流量增加，更多來自主廠房和主變洞的氣流匯入交通洞，這時交通洞內的高速氣流與來自7，8#支洞的氣流疊加摻混，形成了高速疊加區。 風管流量改進前后主廠房-主變洞-尾閘洞局部風速云圖對比如圖6 所示。

圖6 流量改進前后局部風速分布圖Fig.6 Local wind velocity distribution map before and after flow Improvement

由圖6 可以看出，風管流量改進后主廠房和主變洞內風速有了明顯提高，中高風速區占據了大部分洞室，0～0.35 m/s 風速區明顯減少，主廠房排風洞內 0.32～0.64 m/s 風速區較改進前有一定增加，風速水平較改進前有較大提升。

風管流量改進后全廠風速方向與改進前一致，5，6，7，8# 支洞空氣匯入交通洞并由交通洞洞口排出；主廠房、主變洞和尾閘洞的一部分氣流由交通洞排出，另一部分氣流沿主廠房排風洞及主變洞排風洞流入通風兼安全洞，并由排風豎井和通風兼安全洞排出。

通過對比風速云圖可以看到，增加主廠房和主變洞入口處風管流量的改進方案明顯改善了整個洞室的通風質量，主廠房平均風速提高了15%，主變洞平均風速提高了21%。

3.3 排風豎井改進方案

排風豎井改進方案對排風機進行選型，放置于排風豎井出口處，增加排風豎井通風換氣率，提高主廠房和主變洞通風質量。 在現有通風布置方案的基礎上，增置一臺排風機，排風機轉速為750 r/min，排風流量為110 000 m3/h。 根據排風豎井出口直徑為6 m，換算得到改進后豎井出口風速為1.06 m/s。

仿真得到位于主廠房、 主變洞至通風兼安全洞的關鍵測點與改進前風速對比，如表4 所示。

表4 排風豎井改進前后風速對比Table 4 Comparison table of air speed before and after improvement of exhaust shaft

由表4 可知，改進后位于主廠房的測點1，3風速分別較改進前增加了 3.23%，14.81%，主廠房排風洞兩測點風速增幅超過100%，豎井處風速增大了5 倍。

排風豎井改進前后主廠房-主變洞-尾閘洞局部風速分布如圖7 所示。由圖可以看出，主廠房和主變洞的通風情況有所改善，洞內低速區進一步減小，整個廠房內空氣流動更加均勻。改進后主廠房排風洞和主變洞的通風質量有明顯提升，主廠房排風洞風速水平較改進前有較大提升，洞內風速分布由局部 0.15～0.45 m/s 風速區、其余大部分 0～0.15 m/s 風速區改善為以 0.15～0.45 m/s 風速區為主。改進后，更多主廠房內產生的有毒有害氣體沿主廠房排風洞流出，主廠房通風換氣率得到進一步改善。 排風豎井處局部風速分布對比如圖8 所示。

圖7 排風豎井改進前后局部風速分布圖Fig.7 Local wind velocity distribution map of exhaust shaft before and after Improvement

圖8 排風豎井改進前后局部風速分布圖Fig.8 Local wind velocity distribution map of exhaust shaft before and after Improvement

由圖8 可以看到： 改進前受排風豎井入口堆放石方土方影響，風速最終穩定在0.1 m/s，沒有達到預期的通風效果； 排風豎井改進方案中去除了堵塞物，并在豎井出口處增置一臺排風機以增加排風豎井的通風換氣率，排風豎井處整體風速水平較改進前有明顯提升；在到達排風豎井前，貼近排風豎井一側的部分通風兼安全洞上游來流氣流在通風兼安全洞內開始加速，淺色風速區逐漸變深，最大氣流速度超過1.5 m/s，形成一道明顯的高速轉向區域，這部分有毒有害氣體進入排風豎井由排風豎井出口排出，遠離排風豎井一側的氣流會繼續沿通風兼安全洞洞口排出。

排風豎井改進前后全廠氣流流動方向基本一致，5，6，7，8# 支洞有毒有害氣體和濕氣由交通洞洞口排出，主廠房、主變洞和尾閘洞一部分氣體由交通洞洞口排出，剩余部分由排風豎井和通風兼安全洞排出。

通過對排風豎井方案改進前后風速云圖進行對比分析，改進后主廠房、主廠房排風洞、主變洞和排風豎井處的速度較改進前明顯提高。 排風豎井出口增置排風機有效增加了排風豎井的通風換氣率，改善了主廠房和主變洞的通風質量和豎井的通風效果，增強了排風豎井在整個通風系統中的重要作用，是理想的通風改進方案。

4 結論

本文針對金寨在建抽水蓄能電站地下廠房施工區域現有通風系統，以現場測量風速數據為依據，驗證了施工階段地下施工洞室群流場仿真模型的準確性。 并針對仿真結果提出增加通風風管流量和排風豎井增置排風機兩種改進配置方案，最終得出如下結論。

①本文建立的抽蓄電站地下施工廠房通風模型計算結果與實測數據基本吻合，可用于研究金寨抽蓄電站地下施工洞室現有通風方案的優劣。

②增加主廠房、 主變洞入口處風管流量的改進方案將主廠房、 主變洞內平均風速分別提高了15%，21%，明顯提升了兩洞室的通風效果。

③排風豎井出口處增置排風機可以提高排風豎井的通風換氣率，改進后排風豎井出口風速增大了5 倍，進而提高了從主廠房、主變洞至排風豎井段整段的通風效果。