海洋平臺發電機組通風散熱的數值模擬

馬仲麟 熊至宜 李 濤 張 維

（1.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院； 2.過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室；3.長慶油田分公司北京辦事處； 4.山東省特種設備檢驗研究院有限公司）

由于海洋平臺所處環境十分惡劣，長期處于日曬且溫度較高的環境中，平臺面積有限，設備布置緊湊［1］。如果通風散熱方式布置不恰當，易出現高溫區域面積增大、散熱困難的現象，若機房內溫度過高會使發電機組高溫報警而停機［2］。 因此，需要設計合理的平臺通風形式。

國內對于大型設備通風散熱系統的研究有很多， 杜亮等采用CFD 技術對風力發電機散熱進行了分析，獲取了其溫度場和流速分布，并對原有散熱系統進行改進，降低了機艙溫度［3］。 陳明等對風電塔筒底部空間的散熱進行研究，通過加裝軸流風機進行強制通風換熱， 使溫度達到了電氣部件正常工作的要求［4］。邊茜茜對變電站進行了研究， 提出了解決室內通風散熱的常用方案［5］。楊風允等對海上平臺發電機組散熱系統進行數值模擬， 得到其溫度場和高溫區域分布，針對問題改進通風方案，獲得了良好的通風散熱效果［6］。顧登峰對地下車庫的送風口和排風口進行調整， 發現對通風散熱系統也有很大影響［7］。 佟海利等對室內通風散熱能力進行了研究， 研究了室內變壓器散熱能力不良的原因［8］。國外也有針對房間內通風散熱系統的研究，Romanova T M 等通過對某電廠汽輪機房內通風情況進行測試，研究了廠房內溫度分布的均勻性［9］。Nielsen P V 首次應用軟件模擬湍流k-ε 模型研究室內空氣流動，為研究湍流奠定基礎［10］。Li K 和The S L 采用低雷諾數湍流模型討論熱壓作用下的通風問題， 研究通風效果與開窗高度、熱源強度的關系［11］。

目前，對于海洋平臺發電機組通風散熱系統的研究還比較少，對于該系統的氣體流場、溫度場的研究還不足。 因此，筆者針對海洋平臺發電機組機房建立模型，借助數值模擬的方法，對機房內氣流和溫度的分布進行模擬研究，通過改變送風方式分析兩者的變化，以獲得較好的通風方案。

1 研究對象和建模

海洋平臺發電機組機房內共有4 臺發電機組（三用一備），機房內設備布設如圖1 所示。 發電機組的散熱元件為發動機和電機，發動機單臺散熱量209kW，電機散熱量113kW，排風口通風量118 300kg/h。

圖1 機房內設備布設示意圖

原通風方案進風口為45°向下送風， 共有4個進風口布置在機組前方屋頂，4 個排風口設置在機組后方屋頂。 在原方案的基礎上， 提出了3個改進方案：方案一為上部多風口送風，在每臺發電機組上方安裝兩個風道， 在每個風道上開5個風口，向下送風；方案二為上部送風，4 個風口安裝在機組正上方屋頂，每個風口由兩個風道送風，送風口向內45°，給發電機組連接處送風；方案三為底部正向送風，共設5 個風道，安裝在機組前方靠近墻體的屋頂上，將風道向下延長至與機組高度相同位置，平吹送風。3 個改進方案只調整風道，不改變通風量。

2 模擬計算的設定

通過文獻研究對比， 筆者選用SST k-ω 湍流模型， 既可以應用在低雷諾數的湍流模型， 又可以應用在遠離壁面的地方即邊界層以外的區域，這在涉及逆壓梯度的流動分離問題中具有明顯優勢，有更高的精度和可信度［12，13］。

根據熱力設備的表面積和表面傳熱系數，通過傳熱學中關于對流散熱量的計算方法進行求解得到溫差。 進風口空氣溫度為外界環境溫度，排風口設置為壓力出口，與大氣壓連接；熱源表面和墻壁設為無滑移壁面定溫邊界條件。

3 模擬結果分析

3.1 氣流分布

圖2 為機房縱切面氣體流場分布云圖。 由圖2 可看出：原方案中電機周圍氣體流速很小，在機組前方和后方也有一大片區域流速很小，這表明機房內氣體流通性很差，氣流分布不均勻，不能很好地將熱量帶出機房；方案一中靠近墻壁和地面附近的氣體流速分布不均勻，氣流可能會在這些區域停滯，氣體流通性較差；方案二中機組周圍的氣流速度較大，但是在機組后方氣流速度較小， 導致高溫氣體堆積在機組后方無法排出；方案三中機組周圍氣流分布較均勻，表示氣體流通性較好，湍流分布均勻，利于高溫氣體排出。

圖2 機房縱切面氣體流場分布云圖

對比以上氣流分布云圖，可以看出，方案三的氣體流場分布均勻、流通性較好，可以形成適宜的工作溫度環境。

3.2 溫度分布

圖3 為機房縱切面溫度分布云圖。 由圖3 可看出：原方案中，機房內整體溫度較高，尤其在發電機組兩側和后方的高溫面積較為集中，降溫效果差； 方案一中發電機組兩側的高溫面積減小，且整體降溫效果有所改善，但在靠近墻壁和地面的區域溫度較高；方案二中雖然發電機組兩側的溫度明顯降低，但在發電機組前方有大面積高溫區域；方案三中發電機組前方的溫度基本與外界環境溫度相同，高溫區域面積較小且集中在發電機組兩側，機房內整體溫度明顯降低，降溫效果有明顯改善。

圖3 機房縱切面溫度分布云圖

另外，平均溫度可以直觀地看出機房內通風散熱的效果。 4 種送風方式下機房內的平均溫度見表1。

表1 不同送風方案機房內平均溫度 K

由表1 可知，原方案平均溫度最高，方案一和方案二平均溫度次之， 方案三平均溫度最低，即方案三的降溫效果顯著。

3.3 高溫區域面積對比

圖4 4 種方案的機房高溫區域面積對比

圖4 所示的是4 種送風方式的高溫區域面積。 由圖4 可看出：原方案的高溫區域面積較大，大部分高溫區域分布在機房邊緣、頂部和地面周圍，主要原因是該送風方式沒有在機房內形成很好的空氣流動， 無法有效地將高溫氣體排出；方案一在發電機組周圍降溫效果明顯，但在靠近墻體和地面附近仍然存在小范圍的高溫區域，主要原因是上部送風形成的湍流大多分布在發電機組頂部，墻體和地面附近氣體流速很小導致高溫區域存在；方案二有效降低了發電機組兩側的溫度， 但在發電機組后方仍有大面積的高溫區域，致使機房內平均溫度過高，主要原因是整個房間的湍流程度不夠，在發電機組后方氣流形成“窩風”現象，高溫氣流無法排出機房；方案三在機房內形成了很充分的湍流分布， 氣體流通性較好，使大多高溫氣體排出，致使機房內平均溫度最低且高溫區域面積最小。

4 結束語

原方案由于沒有形成良好的氣體流通性，在發電機組附近空氣流速較慢，導致熱量無法排出機房，平均溫度較高，室內高溫區域面積最大，通風散熱效果最差。 筆者提出的改進方案一、二的氣體流通性不佳，湍流分布不均勻，而方案三在機房內形成了很充分的湍流分布，氣體流通性較好，可促使機房內的高溫氣體排出，平均溫度最低，室內高溫區域面積最小，通風散熱效果最好且實施成本較低，故為最佳通風方案。