大萬山島海水抽蓄電站主廠房氣流組織CFD數值模擬分析

向正林 沈玉妹 肖益民

（1.南方電網調峰調頻發電有限公司 廣州 510630;2.重慶大學 重慶 400045）

0 引言

水電站主廠房通風空調的任務主要是排除發電機、廠內各電氣設備以及工作人員的余熱余濕，保持廠房內工作區的溫濕度及氣流速度在規范規定的允許范圍以內。而氣流組織設計是通風空調工程中的一個重要環節，設計合理高效的氣流組織對營造舒適的工作環境、保證員工身心健康、提高生產效率等方面具有重要意義[1,2]。目前，對于水電站地下廠房氣流組織的研究，國內外采取的研究方法主要有3 種，分別是區域模型、相似模型試驗和CFD 數值模擬[3-6]，表1 是這3 種氣流組織研究方法的特點。

表1 3 種氣流組織研究方法的特點Table 1 Characteristics of the three airflow distribution research methods

對于研究水電站地下廠房的氣流組織，采用CFD 數值模擬方法有如下優點：①對建筑物的物理模型沒有限制條件，能夠模擬房間布局復雜、房間結構不規則等建筑。②水電站地下洞室較多，區域分布較為復雜，而且各個區域之間相互關聯，在對其中一個區域模擬時，能夠導入其他相關聯區域的模擬結果，使得模擬結果更接近于實際情況。③CFD 模擬結果既可以獲得準確的數據，又能采用云圖、動畫等方式顯示，使仿真結果更加直觀、易懂。因此，本文以大萬山島海水抽蓄電站地下主廠房為研究對象，采用CFD 數值模擬的研究方法，分析布置不同的氣流組織形式下主廠房內的溫度場和速度場，為海水抽水蓄能電站地下廠房的氣流組織設計提供參考。

1 電站基本情況

1.1 工程概況

大萬山島海水抽水蓄能電站是我國修建的第一座海水抽水蓄能電站，擬建于廣東省珠海市大萬山島。該電站的裝機容量為20MW，廠房深埋于地下約30m。地下廠房分為主廠房、主變室和副廠房。其中，主廠房包括發電機層、水輪機層。副廠房設有兩層，第一層有變頻器室、35KV 高壓開關柜室等有配電設備的房間；第二層大多是辦公室、會議室等員工工作的房間。圖1 為大萬山島海蓄電站地下廠房的平面圖。由于本電站整個空間較大，若將整個電站進行模擬分析，其物理模型較大且計算復雜，此外考慮到論文篇幅的限制，本文僅對主廠房采用不同的氣流組織形式進行模擬分析。

圖1 大萬山島海蓄電站地下廠房的平面圖Fig.1 Layout of underground powerhouse of Dawanshan Island Seawater Pumped Storage Power Station

1.2 通風空調方案

與常規淡水抽蓄電站相比，海水抽水蓄能電站建設在海洋附近，其周圍空氣環境中鹽分含量較高，需對引入地下廠房的室外空氣進行除鹽處理。若引入地下廠房的室外新風量越大，所需的除鹽霧過濾器就越多，其除鹽霧費用及運行維護費用也越高。針對這一工程特點，且結合文獻[7]分析，適用于海水抽水蓄能電站地下廠房的通風空調方案主要有兩種，一種是直流式加集中制冷的方案，另一種是小新風加局部制冷的方案，其通風流程圖如圖2 所示。需要注意的是，在直流式方案中，主廠房采用的是多層串聯的氣流組織形式，即發電機層的排風是水輪機層的送風；在小新風方案中，發電機層、水輪機層的排風各自排至室外。

圖2 各方案的通風流程圖Fig.2 Ventilation flow chart of each scheme

1.3 氣流組織設計

在常規淡水抽蓄電站地下廠房的氣流組織中，通常采用的是廠房拱頂設置風口下送和廠房腰部水平噴射送風這兩種送風方式[8-10]，因此本文將采用這兩種送風方式作為直流式方案的模擬工況，模擬分析這兩種氣流組織對大萬山島海蓄電站主廠房的適用性。其中，在研究送風方式對氣流組織的影響時，應保證送風量不變，風口均設置圓形風口，且均勻布置。而對于小新風方案，其氣流組織布置為：新風從發電機層拱頂送入；室內設備散熱量較大，室內余熱余濕由房間的空調來承擔，局部空調設備布置在各散熱設備的附近。本文對大萬山島海蓄電站主廠房的氣流組織模擬工況如表2 所示。

表2 模擬工況的參數設置Table 2 Parameter Settings of simulated working conditions

2 CFD 數值模擬設置要點

利用CFD 軟件對水電站地下廠房氣流組織進行研究，對于確保通風空調設計方案的優劣和地下廠房氣流分布的合理都具有重要的指導意義。在CFD 軟件使用的過程中，正確、合理地設定參數對保證數值模擬結果的準確性是十分重要的。

2.1 控制方程

CFD 是在控制方程下來模擬流體的流動，其中控制方程主要是指質量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程。

（1）質量守恒方程

質量守恒定律可以描述為：在單位時間內，流體微元體中質量的增加等于相同時間段內流入該微元體的凈質量，對應的質量守恒方程見公式（1）。

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u、v、w是x、y、z方向上的速度分量，m/s。

（2）動量守恒方程

動量守恒定律可以描述為：在微元體中，流體的動量對時間的變化率等于在該微元體上的外力之和，推導出x、y、z這3 個方向上的動量守恒方程見公式（2）。

（3）能量守恒方程

能量守恒定律可以描述為：在微元體中，能量的增加率等于進入微元體的凈熱量加上體力與面力對微元體所做的功，所對應的能量守恒方程見公式（3）。

式中：T為溫度，K；k為流體的傳熱系數，W/(m2·K)；ST為粘性耗散項。

（4）通用控制方程

除了上述的3 個控制方程外，在研究流體時還可以運用一些通用控制方程，其核心思想就是在單位時間、單位體積內物理量的守恒性質，可用公式（4）表達。

式中：φ為通用變量，可以代表速度、溫度等求解變量；Γ 為廣義擴散系數；S為廣義源項。

表3 通用控制方程中各符號表示的具體值Table 3 The value of the signs in the general controlling equations

2.2 物理建模

采用CFD 進行數值模擬時，需要根據水電站地下廠房的實際尺寸進行物理建模?？紤]到水電廠地下廠房空間較大、內部設備繁多且復雜的問題，對其建模需要作一定的簡化處理[11]：①考慮到發電機層的尺寸較大，可以將其拱形屋頂設置為平屋頂；②對于地下廠房內結構尺寸比較復雜的裝置或設備，如發電機組、變壓器等等，按照等外表面積的原理，將這些外形較為復雜的散熱源簡化成為長方體或者圓柱體；③將地下廠房各區域照明設備的散熱負荷轉化為各區域頂板均勻散熱的面熱源；④對廠房內的樓梯處理：將樓梯口設置為自由開口，開口尺寸為設計幾何尺寸，不用去考慮實際的樓梯階數。圖3 為大萬山島海水抽蓄電站主廠房的物理模型。

圖3 主廠房的物理模型Fig.3 Physical model of the main plant

2.3 網格劃分

CFD 數值模擬是根據有限個離散節點近似形成連續區域來進行計算的，也就是說劃分的區域網格越密，就越接近實際情況。但是，由于水電站地下廠房的模型較大，網格數量過多會影響模擬計算的速度，有時甚至會出現無法計算的問題；而如果網格數量太少，就意味著采用的是大網格，這會使得在風口、設備等區域無法真實地反映實際的模型形狀，造成計算誤差。在本次模擬過程中，由于主廠房規模較大、室內設備較多，并考慮到UDF 程序占用內存大小等因素，因此主廠房采用非結構性網格。對于大的空間區域采用大網格；在送風口、排風口、發熱設備、吊物孔等小尺寸的區域采用小網格，大網格與小網格在整個空間上相互耦合。

圖4 主廠房網格劃分Fig.4 Grid division of main workshop

2.4 數學模型選擇

在CFD 軟件中共有5 種輻射模型可供選擇，分別是：DTRM 輻射模型、P-1 輻射模型、Rossland輻射模型、S2S 輻射模型以及DO 輻射模型。對于水電站而言，地下廠房中的流體介質是空氣，它的主要成分是對稱型的雙原子氣體，例如氮氣和氧氣，它們既不吸收輻射能，也不發射輻射能，因此可認為空氣的光學厚度為零。而對于光學薄介質，在上述的5 種輻射模型中，采用DO 模型和DTRM模型取得的效果更好[12]。但是因為DTRM 模型不能用于混合網格，所以本次數值模擬中采用的輻射模型是DO 模型。

對于湍流模型，目前應用最為廣泛的是標準k-ε模型。標準k-ε模型不僅計算量比直接模擬方法要小，而且它在工程實踐中也得到了良好的應用。文獻[12]根據重正化群理論，推導了一種改進的標準k-ε模型，即RNGk-ε模型，該模型考慮了平均流動中的旋轉和旋流流動情況，可以在高應變率的情況下自動限制湍流粘性，提高了快應變流動的計算精度。改進后的RNGk-ε模型，相比于標準k-ε模型，RNGk-ε模型更適合于高大空間和通風路徑較復雜的水電站，故在本次水電站地下廠房CFD數值模擬中的湍流模型選用RNGk-ε模型。

2.5 邊界條件設置

文獻[12]、文獻[13]、文獻[14]分別對白鶴灘水電站、西龍池水電站、仙游抽水蓄能電站地下廠房進行了CFD 數值模擬，并將其結果與相似模型的數據或實測數據進行了比較，都驗證了CFD 數值模擬結果的準確性。分析這些地下廠房氣流組織數值模擬的設置，可以發現邊界條件的設置大致相同，因此地下廠房氣流組織數值模擬中的邊界條件的設置為：送風口設置為velocity-inlet；各區域的循環風口設置為velocity-inlet，從發電機層排入至其他區域的風口也設置為velocity-inlet，不過此時需要將速度設置為負值；樓梯通道、吊物孔的邊界條件設置為interior；發電機、變壓器、開關柜等散熱設備的邊界條件設置為無滑移的wall 邊界；墻面、地面、屋頂的邊界條件也設置為無滑移的wall 邊界。其中，由于變壓器、開關柜等散熱設備散熱量較為恒定，則設定為第二類邊界條件，即定熱流密度，按照單位面積散熱量確定，而對于墻面、地面、屋頂，本電站屬于深埋式建筑，巖體對室內環境的吸熱作用是有利因素，并在負荷計算中作為富裕量不計入，故考慮為絕熱壁面。

對于模型材料邊界條件的設置按照設計院給的參數進行設計。其中，需要注意的是：在CFD軟件設置中，可以將空氣設置為實際氣體。但是，如果將空氣設置為實際氣體，那么控制方程中的密度就成了未知量，這增加了計算時間和收斂的難度。根據以前實際工程的經驗，高大空間中的空氣溫度變化較小，即密度變化較小。因此，可以認為高大空間內的空氣流動符合Boussinesq 假設。設置為Boussinesq 假設，不僅降低了收斂的難度、縮短了計算的時間，而且保持了空氣的流動特性。所以，在本次模擬過程中，將空氣都設置為符合Boussinesq 假設。

灰體的輻射能力與固體材料的屬性密切相關，不同固體材料具有不同吸收率和表面粗糙度；表面粗糙度決定了物體在輻射過程中漫反射和鏡面反射所占的比例。因此，設置地下廠房圍護結構內壁面為拉毛水泥墻面，吸收率為0.65；發熱設備表面為鍍鋅薄鋼板，吸收率為0.89；而且，所有參加輻射換熱的物體表面都足夠粗糙（都為漫射表面），所有入射的輻射射線沒有固定的反射角，而是均勻地發射到各個方向。

3 氣流組織評價指標

CFD 模擬結果不僅能直觀地顯示出各截面的溫度、速度云圖，而且還能在不同位置得到較為精確的溫度、速度。在氣流組織設計過程中，溫度和速度是兩個比較重要的參數，想要明確地下廠房內工作區域溫度場、速度場的分布情況，需對廠房內工作區域進行合理的布置測點，以便于評價廠房內的氣流組織。在布置測點時，盡量將同側同層測點布置在同一軸線上，測點位置盡量避開熱源的影響，將工作區的測點布置在離地面1.5m 處。從CFD模擬結果中導出各布置測點的溫度、速度，并采用相關的評價指標對氣流組織性能進行評價。目前，評價空調系統氣流組織的性能指標主要有：不均勻系數、空氣分布特性指標和能量利用系數[11,13]。

3.1 不均勻系數

不均勻系數是用來描述工作區的溫度、速度的均勻程度。不均勻系數越小，表示室內的氣流分布越均勻。其計算方法是在工作區取n個測點，求出溫度均值、速度均值，再根據式（5）、式（6）分別求其均方根偏差σt、σu，然后利用式（7）、式（8）計算得到溫度不均勻系數kt、速度不均勻系數ku。

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3.2 空氣分布特性指標

空氣分布特性指標ADPI是用來評價室內氣流組織性能的，它綜合考慮了溫度、氣流速度對人體舒適度的影響?？諝夥植继匦灾笜薃DPI是基于有效溫度差來定義的，有效溫度差ΔET與室內氣流速度的關系可通過公式（9）表達。ADPI值越大，工作區感到舒適的人員就越多，通常ADPI大于80%，可認為室內的氣流組織是較好的[15]。

式中：ΔET為有效溫度差，℃；ti為室內工作區某測點的溫度，℃；tn為設計的室內溫度，℃；vi為室內工作區某測點的氣流速度，m/s。

當有效溫度差ΔET在-1.7～1.1℃范圍內時，多數人是感覺到舒適的。所以，將ADPI定義為：

3.3 能量利用系數

能量利用系數η是用來評價通風空調系統能量利用效率的一個指標，其計算方法見公式（11）。由公式（11）可知：當能量利用系數η大于1 時，表明房間的排風溫度大于送風溫度，說明送入房間的氣流吸收了室內的余熱，其系統能量被有效利用，經濟性較好；當能量利用系數η小于1 時，表明排風溫度小于送風溫度，說明送入房間的冷量并沒有被充分利用，這可能是因為氣流組織設計不合理，造成室內氣流出現短路，無法充分發揮送入空氣的除熱作用，其系統經濟性較差。

式中：te為排風溫度，℃；tn為工作區空氣平均溫度，℃；t0為送風溫度，℃。

4 模擬結果分析

在對大萬山島海水抽水蓄能電站地下廠房進行建立物理模型、劃分網格、設置邊界條件后，模擬計算了電站主廠房采用不同的氣流組織時室內工作區域的溫度、氣流速度，并采用溫度不均勻系數、速度不均勻系數、能量利用系數等評價指標對主廠房的氣流組織進行評價。

4.1 模擬結果

采用CFD 對上述的3 種模擬工況進行了計算，并采用云圖顯示了發電機層和水輪機層工作區域截面的溫度云圖、氣流速度云圖，如圖5～圖7 所示。

圖5 工況1 主廠房工作區溫度和速度分布Fig.5 Temperature and velocity distribution in working area of main workshop under working condition 1

圖6 工況2 主廠房工作區溫度和速度分布Fig.6 Temperature and velocity distribution in working area of main workshop under working condition 2

圖7 工況3 主廠房工作區溫度和速度分布Fig.7 Temperature and velocity distribution in working area of main workshop under working condition 3

4.2 結果分析

為了更準確地分析大萬山島海水抽水蓄能電站主廠房工作區的溫度場、速度場，對廠房內的氣流組織進行評價，需對各區域工作區進行合理地布置測點。在布置測點的過程中，應注意測點不能布置在散熱設備上，工作區的測點布置在距離地面1.5m 處的斷面。主廠房內各測點的具體布置如圖8所示。

圖8 主廠房工作區域測點布置圖Fig.8 Layout of measuring points in the working area of the main workshop

根據CFD 數值模擬的結果，采用不均勻系數、能量利用系數以及ADPI對大萬山島海水抽水蓄能電站主廠房不同工況下的氣流組織進行了評價，其結果如表4 所示。

表4 不同氣流組織下主廠房室內的氣流參數Table 4 Air flow parameters in the main workshop with different air distribution

由圖5～圖7、表4 可知，3 種模擬工況下發電機層工作區的平均溫度和平均速度能夠滿足房間設計要求（室內溫度＜30℃、氣流速度在0.2～0.8m/s之間）。但是主廠房發電機層工作區溫度場分布并不嚴格均勻，這是因為房間右邊部分為安裝間區域，散熱設備少，溫度相對偏低，而靠近發電機組的左邊部分溫度相對偏高。此外，在雙側送風的模擬工況中，主廠房發電機層工作區截面各處的溫度基本在27℃，滿足≤30℃的設計要求；但采用頂部送風時，發電機層風口正下方出現局部過冷的現象，這是因為夏季冷空氣沉降，頂部風口速度衰減過慢而風口送風風速過大引起的。相較于雙側送風，采用頂部送風發電機層的溫度不均勻系數和速度不均勻系數更小，而送風方式對水輪機層的溫度場和速度場影響都不大，這是因為水輪機層的送風來自于發電機層的排風，通過樓梯口和吊物孔送入的，其位置和尺寸是固定的。

水輪機層工作區的溫度基本在28℃，滿足室內溫度小于30℃的設計要求；水輪機層工作區截面處的風速均在0.8m/s 以下，滿足《規范》的0.8m/s的風速上限要求。在采用小新風方案下的氣流組織時，發電機層工作區的平均速度也滿足設計要求，但水輪機層工作區的平均速度沒有達到規定的下限值0.2m/s，這是因為水輪機層的負荷較小，局部空調布置發熱設備附近，而發熱設備布置集中，且水輪機層的空間較大，這就造成了除設備附近外的其他區域氣流未受到擾動，使得室內空氣速度較小。

從表4 還可以看出，3 種模擬工況下主廠房氣流組織的能量利用系數均大于1，說明其系統經濟性較好。而小新風方案對應的ADPI值是最大的，說明采用小新風方案對應的氣流組織形式使得室內工作區感到舒適的人員最多。

5 結語

（1）大萬山島海水抽蓄電站主廠房采用直流式加集中制冷的通風空調方案時，發電機層的送風為拱頂送風或雙側送風，其室內工作區域的溫度和氣流速度都能滿足相應的設計要求。相較于雙側送風，采用頂部送風發電機層的溫度、速度不均勻系數更小，水輪機層的不均勻系數相差不大。當采用頂部送風時，發電機層風口正下方出現局部過冷的現象，這是因為其風口是圓形噴口，夏季冷空氣沉降，噴口往下直吹、氣流速度衰減過慢引起的，在今后的設計中可以考慮將其風口設置為可調型旋流風口，根據送風角度進行調節，以得到更均勻的氣流組織。

（2）大萬山島海水抽蓄電站主廠房采用小新風方案下的氣流組織，發電機層和水輪機層工作區的平均溫度均滿足設計要求。但水輪機層工作區的平均速度小于0.2m/s，其原因在于水輪機層的空間較大且發熱設備布置較集中，而局部空調僅設在發熱設備附近，因此除發熱設備附近外的其他區域氣流未受到擾動，因而室內空氣的平均速度較小，此時可考慮在室內增設風機來加強室內氣流的循環。

（3）在3 種模擬工況下，主廠房氣流組織的能量利用系數均大于1，說明其系統具有良好的經濟性。其中，小新風方案對應的空氣分布特性指標值最大，說明該方案對應的氣流組織形式使室內工作區感到舒適的人員最多。