云南干河泵站地下廠(chǎng)房通風(fēng)系統(tǒng)模型試驗(yàn)＊

陳金華，馬 晴，夏 磊，彭運(yùn)林，郭建平

（1.重慶大學(xué) 國(guó)家級(jí)低碳綠色建筑國(guó)際聯(lián)合研究中心，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045；3.重慶博建建筑設(shè)計(jì)有限公司，重慶 400020；4.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021）

正在興建的干河泵站是目前亞洲最大的地下抽水泵站，該泵站主體廠(chǎng)房位于地下，如果通風(fēng)空調(diào)不良，長(zhǎng)期在此環(huán)境下工作的人會(huì)感到疲倦、頭暈等，而且還會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備造成危害.所以合理設(shè)計(jì)地下廠(chǎng)房的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)維護(hù)地下廠(chǎng)房合理的溫、濕度環(huán)境，保障機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)和人員身體健康具有重要意義[1－2].對(duì)大型地下廠(chǎng)房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的研究，目前主要有3種方法：根據(jù)相似理論進(jìn)行模型試驗(yàn)[3]，CFD計(jì)算流體模擬分析[4－8]和網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)值模擬[9].本次模型試驗(yàn)是在數(shù)值模擬計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行的，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)采用了模擬計(jì)算的優(yōu)化方案.模型試驗(yàn)的目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出在夏季和過(guò)渡季節(jié)兩個(gè)季節(jié)，水泵不同運(yùn)行模式及不同送風(fēng)溫度下，泵站各層工作區(qū)的溫度分布狀況，以此來(lái)驗(yàn)證主廠(chǎng)房?jī)?yōu)化送風(fēng)方案的合理性和可靠性.

1 地下廠(chǎng)房通風(fēng)系統(tǒng)方案

泵站地下廠(chǎng)房通風(fēng)系統(tǒng)主要由主廠(chǎng)房通風(fēng)系統(tǒng)、檢修閥室通風(fēng)系統(tǒng)、電纜豎井通風(fēng)系統(tǒng)等組成.

泵站主交通洞設(shè)送風(fēng)機(jī)室，將通過(guò)一層灌漿廊道自然冷卻或加熱的室外空氣沿主交通洞頂拱送風(fēng)管送至主廠(chǎng)房上部，在主廠(chǎng)房吊頂上從端部引2支送風(fēng)管利用噴口頂送風(fēng)方式將空氣送至電機(jī)層的各機(jī)組段.同時(shí)利用主廠(chǎng)房四周的防濕隔墻做通風(fēng)道，通過(guò)設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)將電動(dòng)機(jī)層的新鮮空氣通過(guò)夾墻風(fēng)管側(cè)送至廠(chǎng)房的中間層、水泵層和閥層.

主廠(chǎng)房的排風(fēng)設(shè)2個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)通過(guò)工作廊道、母線(xiàn)廊道排至工作豎井，并通過(guò)設(shè)置在工作豎井頂部的風(fēng)機(jī)排至室外；另一系統(tǒng)由球閥室頂部排至二層灌漿廊道，通過(guò)設(shè)置在端部的風(fēng)機(jī)排至室外.整個(gè)地下廠(chǎng)房的通風(fēng)示意圖見(jiàn)圖1.

2 氣流組織分析

主廠(chǎng)房共4層，每層之間通過(guò)夾墻風(fēng)管和樓梯間等相連，各層之間氣流相互影響、貫通，構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的洞室通風(fēng)群，不同的氣流組織形式對(duì)電站的設(shè)備運(yùn)行、工藝要求都會(huì)產(chǎn)生重要的影響，如何確定正確、合理的氣流組織是整個(gè)電站設(shè)計(jì)中的重點(diǎn).

本試驗(yàn)利用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，確定合適的送風(fēng)方式，為熱態(tài)模型試驗(yàn)奠定基礎(chǔ).

圖1 整個(gè)廠(chǎng)房的通風(fēng)示意圖Fig.1 The entire plant ventilation schemes

2.1 氣流組織參數(shù)確定

1）送風(fēng)量.確定送風(fēng)量的基本原則為：送至廠(chǎng)房?jī)?nèi)總空氣量，能夠排出廠(chǎng)內(nèi)的余熱和余濕，使廠(chǎng)內(nèi)的熱濕環(huán)境達(dá)到機(jī)組運(yùn)行、工藝生產(chǎn)的要求.根據(jù)電站提供的采暖與空氣調(diào)節(jié)計(jì)算書(shū)可知，主廠(chǎng)房?jī)?nèi)排除余熱所需總送風(fēng)量為53 809m3／h，排除余濕所需總送風(fēng)量為19 425m3／h，故確定主廠(chǎng)房送風(fēng)機(jī)送風(fēng)量54 000m3／h.

2）風(fēng)口形式.地下廠(chǎng)房為高大空間，需采用大風(fēng)量、長(zhǎng)射流型的風(fēng)口形式，參考同類(lèi)廠(chǎng)房采用圓形噴口進(jìn)行頂送風(fēng).

3）風(fēng)口數(shù)量、風(fēng)口尺寸及風(fēng)口風(fēng)速.本次計(jì)算中，采用假定參數(shù)法確定風(fēng)口的相關(guān)參數(shù)，即根據(jù)泵站的初設(shè)情況考慮風(fēng)口數(shù)量，假定送風(fēng)口風(fēng)速確定送風(fēng)口尺寸，并對(duì)假定的風(fēng)口布置形式進(jìn)行氣流組織模擬計(jì)算，對(duì)其通風(fēng)效果進(jìn)行檢驗(yàn).

根據(jù)泵站初設(shè)，風(fēng)口布置形式分為2種模式.模式1：采用8個(gè)風(fēng)口（只在電機(jī)層，不包括旁邊的安裝間），8個(gè)風(fēng)口均勻布置，每個(gè)電機(jī)上平均布置2個(gè).模式2：采用18個(gè)風(fēng)口（其中安裝間上布置4個(gè)），每個(gè)電機(jī)上布置2個(gè)，相鄰電機(jī)上空布置2個(gè).

當(dāng)采用模式1時(shí)，假定風(fēng)口流速分別取為8，10和12m／s 3種，對(duì)應(yīng)的噴口直徑分別為550，500和450mm.當(dāng)采用模式2時(shí)，假定風(fēng)口流速取為9和10m／s，對(duì)應(yīng)的噴口直徑為350mm，詳細(xì)的工況設(shè)置見(jiàn)表1，其中括號(hào)內(nèi)為安裝間噴口速度.

表1 噴口參數(shù)設(shè)置Tab.1 Nozzle parameter settings

2.2 計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

計(jì)算過(guò)程中，采用三維模型，將動(dòng)量方程與能量方程進(jìn)行分離迭代求解，送風(fēng)噴口設(shè)置為速度入口，排風(fēng)口設(shè)置為壓力出口，各層的夾墻風(fēng)機(jī)設(shè)置為壓力提升邊界.計(jì)算根據(jù)表1進(jìn)行，分為多種工況，每種工況均對(duì)整個(gè)廠(chǎng)房?jī)?nèi)的速度場(chǎng)進(jìn)行分析，并按《水力發(fā)電廠(chǎng)廠(chǎng)房采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)程》的規(guī)定對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，選出最優(yōu)氣流組織模式.

在工況1～工況3中，豎直切面速度云圖見(jiàn)圖2～圖4.在工況4～工況6中，工作區(qū)內(nèi)的速度云圖見(jiàn)圖5～圖7.

圖2 工況1豎直切面速度云圖Fig.2 The velocity nephogram of vertical section under condition one

圖3 工況2豎直切面速度云圖Fig.3 The velocity nephogram of vertical section under condition two

圖4 工況3豎直切面速度云圖Fig.4 The velocity nephogram of vertical section under condition three

圖5 工況4工作區(qū)速度云圖Fig.5 The velocity nephogram of work area under condition four

圖6 工況5工作區(qū)速度云圖Fig.6 The velocity nephogram of work area under condition five

圖7 工況6工作區(qū)速度云圖Fig.7 The velocity nephogram of work area under condition six

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，不同風(fēng)口數(shù)量和風(fēng)口速度對(duì)電機(jī)層氣流組織影響較大，其余各層，由于采用側(cè)送風(fēng)，受?chē)娍趨?shù)影響較??；所有計(jì)算工況中，當(dāng)噴口速度為12m／s時(shí)，電機(jī)層工作區(qū)平均流速為1.53m／s，不滿(mǎn)足規(guī)范要求，工況4～工況6的工作區(qū)平均流速雖然小于規(guī)范要求的0.8m／s，但從圖5～圖7可以明顯看出，這3種工況在局部區(qū)域有流速超標(biāo)現(xiàn)象.

通過(guò)在6種風(fēng)口數(shù)量和尺寸組合工況下的模擬計(jì)算，最終確定最佳的風(fēng)口布置方案為：電機(jī)層機(jī)組段布置直徑為500mm的頂送風(fēng)口8個(gè)，送風(fēng)速度應(yīng)控制在8～10m／s.

3 模型建立

3.1 各種相似比例尺的確定[10]

本項(xiàng)目以相似理論為依據(jù)，指導(dǎo)模型設(shè)計(jì)以及整個(gè)模型試驗(yàn)研究工作.模型需要確定的比例尺主要有幾何比例尺、溫度比例尺、速度比例尺、熱量比例尺和風(fēng)量比例尺.

由于廠(chǎng)房?jī)?nèi)有熱源散發(fā)熱量，廠(chǎng)房壁面吸熱量小于熱源散發(fā)的熱量，因而存在需通風(fēng)帶走的余熱.送風(fēng)溫度低于廠(chǎng)房?jī)?nèi)的氣溫，送風(fēng)氣流屬于非等溫射流.射流所受的重力大于浮力，重力和浮力之差稱(chēng)為有效重力，射流向下彎曲的程度取決于有效重力的大小，所以應(yīng)采用阿基米德模型律.

模型的幾何比例尺Cl是模型設(shè)計(jì)必須首先確定的參數(shù).為方便模型制作和保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，同時(shí)考慮試驗(yàn)場(chǎng)地的實(shí)際情況，本實(shí)驗(yàn)選定的幾何比例尺為1∶10.確定了模型試驗(yàn)的幾何比例尺Cl，進(jìn)而就要確定模型送風(fēng)溫度、送風(fēng)量、送風(fēng)速度，進(jìn)行熱量模擬.根據(jù)阿基米德模型律，有Arm＝Arp.由此可得：

其中重力加速度可以認(rèn)為是常數(shù)，即Cg＝1.模型與原型氣流的送風(fēng)絕對(duì)溫度之比CT0≈1.為了對(duì)比和方便計(jì)算，一般取溫差比例尺CΔT0＝1.模型地重慶和原型地云南大氣壓比例不等于1.當(dāng)模型雷諾數(shù)處于自模區(qū)時(shí)，可計(jì)算出模型的各種比例尺，結(jié)果見(jiàn)表2.

3.2 模型整體設(shè)計(jì)思路

在確定了各種相似比例尺后，按照實(shí)際工程圖紙，確定模型所需的幾大部分，具體分以下4部分.

模型主體結(jié)構(gòu)：模型骨架采用角鋼搭建，外圍壁面采用新型復(fù)合保溫板，層與層之間鋪設(shè)木工板，設(shè)備采用鍍鋅鋼板制作.發(fā)熱系統(tǒng)：電纜采用額定發(fā)熱量為15W／m的燈帶，其他設(shè)備、照明散熱都使用額定功率為15W／m的白熾燈.送排風(fēng)系統(tǒng)：利用空調(diào)實(shí)現(xiàn)不同溫度的送風(fēng).檢測(cè)系統(tǒng)：按照測(cè)試目標(biāo)要求，共布置了125個(gè)溫度測(cè)點(diǎn).

表2 干河泵站通風(fēng)模型相似比例尺Tab.2 The ventilation model similar scale of Ganhe pumping station

4 模型試驗(yàn)

本文模型試驗(yàn)采用了模擬計(jì)算優(yōu)化的送風(fēng)方案，在電機(jī)層機(jī)組段頂部設(shè)置8個(gè)風(fēng)口.模型電機(jī)層送風(fēng)口速度3.62m／s，對(duì)應(yīng)的原型送風(fēng)口速度為10.3m／s.

在總風(fēng)量為54 000m3／h時(shí)，主廠(chǎng)房中間層、水泵層、球閥層及檢修閥層的計(jì)算溫度為限值溫度，從安全角度來(lái)考慮，以上各層的送風(fēng)量在前面計(jì)算的基礎(chǔ)上乘以富裕系數(shù)1.2.即總風(fēng)量調(diào)整為54 000 m3／h×1.2＝64 800m3／h，由于主廠(chǎng)房閥層相對(duì)濕度在計(jì)算時(shí)達(dá)到92.3%，因此加大送風(fēng)量，將總風(fēng)量取為66 000m3／h.

根據(jù)泵站提供夏季設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度為23℃來(lái)確定模型夏季送風(fēng)溫度，應(yīng)電站要求，本試驗(yàn)增加一個(gè)比實(shí)際送風(fēng)溫度略高的工況用以對(duì)比.過(guò)渡季節(jié)實(shí)際送風(fēng)溫度為16℃.當(dāng)?shù)囟就L(fēng)室外干球溫度為4℃，直接送入室內(nèi)，完全可以保證冬季室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)最低溫度10℃.所以本項(xiàng)目試驗(yàn)的重點(diǎn)在夏季和過(guò)渡季節(jié).因此，在以上3種溫度情況下，分別開(kāi)啟1臺(tái)，2臺(tái)以及3臺(tái)機(jī)組安排試驗(yàn).

具體的試驗(yàn)工況安排見(jiàn)表3，每種工況進(jìn)行2～3次重復(fù)試驗(yàn).

表3 試驗(yàn)工況方案表Tab.3 Test conditions

5 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)因次化

模型試驗(yàn)要確定溫度場(chǎng)，溫度屬于待定參數(shù).為了由模型試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)原型，必需將待定參數(shù)無(wú)因次化.

各測(cè)點(diǎn)無(wú)因次溫度為：

式中：to為送風(fēng)溫度；te為排風(fēng)溫度；ti為測(cè)點(diǎn)測(cè)量溫度.

5.2 模型試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換為原型值

原型電機(jī)層熱源總發(fā)熱量為24.6kW，外壁面無(wú)法做到絕對(duì)保溫，故冬夏兩季皆有向外傳熱可能性，取10%被“壁面吸收”，則由送風(fēng)帶走的發(fā)電機(jī)層的送風(fēng)余熱量為：

原型送排風(fēng)溫差Δt為：

令為模型射流空間平均無(wú)因次溫差，to為送風(fēng)溫度，則原型射流空間任意高度平均溫度為：

5.3 電機(jī)層溫度場(chǎng)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

電機(jī)層夏季工況溫度場(chǎng)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理見(jiàn)圖8～圖10.

圖8 夏季工況1臺(tái)機(jī)組不同送風(fēng)溫度典型測(cè)點(diǎn)無(wú)因次溫度對(duì)比圖Fig.8 The measuring point dimensionless temperature contrast for a typical units of different air supply temperature

圖9 夏季工況2臺(tái)機(jī)組不同送風(fēng)溫度典型測(cè)點(diǎn)無(wú)因次溫度對(duì)比圖Fig.9 The measuring point dimensionless temperature contrast for two typical units of different air supply temperature

各試驗(yàn)工況下，在廠(chǎng)房中部2臺(tái)機(jī)組（即2＃，3＃機(jī)組）測(cè)點(diǎn)的無(wú)因次溫度低于兩端的2臺(tái)機(jī)組（即1＃，4＃機(jī)組）測(cè)點(diǎn)的無(wú)因次溫度，這主要是由于兩端發(fā)熱量大于中部發(fā)熱量所致.各測(cè)試方案工作區(qū)無(wú)因次溫差分布的特征為：最高溫度出現(xiàn)在1＃和4＃機(jī)組處，且排風(fēng)溫度高于工作區(qū)平均溫度.各測(cè)點(diǎn)無(wú)因次溫差標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過(guò)0.2.電機(jī)層工作區(qū)的溫度分布均勻性較好.

圖10 夏季工況3臺(tái)機(jī)組不同送風(fēng)溫度典型測(cè)點(diǎn)無(wú)因次溫度對(duì)比圖Fig.10 The measuring point dimensionless temperature contrast for three typical units of different air supply temperature

5.4 模型試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前述電機(jī)層夏季工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法，我們可以得到夏季和過(guò)渡季節(jié)共9種試驗(yàn)工況下各層的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖11～圖12.

圖11 夏季各工況下各層平均溫度分布Fig.11 The average temperature distribution of each layer in summer

圖12 過(guò)渡季節(jié)各工況下各層平均溫度分布Fig.12 The average temperature distribution of each layer in transition season

從圖11～圖12可以看出，各工況下，廠(chǎng)房?jī)?nèi)球閥2層溫度最高.夏季當(dāng)廠(chǎng)房送風(fēng)溫度為24.5℃時(shí)，球閥2層溫度達(dá)29.46℃，廠(chǎng)房平均溫度27.72℃，仍小于有關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的溫度（30℃），則方案可行.過(guò)渡季節(jié)時(shí)，廠(chǎng)房?jī)?nèi)的最高溫度為25.36℃，遠(yuǎn)低于30℃，可以采用變風(fēng)量調(diào)節(jié)，減小總的送風(fēng)量，降低輸送能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能.

6 結(jié) 論

干河泵站是目前亞洲修建的最大的地下抽水泵站.同地下水電站廠(chǎng)房一樣，也需要依靠一定的通風(fēng)空調(diào)方式來(lái)調(diào)節(jié)廠(chǎng)房?jī)?nèi)的溫濕度，使室內(nèi)空氣參數(shù)達(dá)到規(guī)范的要求，保證運(yùn)行檢修人員的身心健康及保障設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn).本文通過(guò)氣流組織模擬試驗(yàn)以及通風(fēng)系統(tǒng)模型試驗(yàn)對(duì)干河泵站地下廠(chǎng)房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究，得出結(jié)論如下：

1）不同頂送風(fēng)參數(shù)對(duì)電機(jī)層氣流組織影響較大，但對(duì)其余各層影響較小，對(duì)于頂送風(fēng)，在電機(jī)層滿(mǎn)足空氣射流原理、總送風(fēng)量54 000m3／h不變的情況下，通過(guò)在6種風(fēng)口數(shù)量和尺寸組合工況下的模擬計(jì)算，最終確定最佳的風(fēng)口布置方案為：電機(jī)層機(jī)組段布置直徑為500mm的頂送風(fēng)口8個(gè)，送風(fēng)速度控制在8～10m／s.

2）在夏季最高送風(fēng)溫度24.5℃時(shí)，廠(chǎng)房?jī)?nèi)最高溫度為29.46℃，平均溫度為27.72℃，滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于溫度的要求，泵站通風(fēng)系統(tǒng)方案可行.電機(jī)層各測(cè)點(diǎn)無(wú)因次溫差的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大不超過(guò)0.2，這充分反映了電機(jī)層工作區(qū)氣流分布的均勻性，驗(yàn)證了數(shù)值模擬優(yōu)化的氣流組織方案.

3）在部分機(jī)組開(kāi)啟及過(guò)渡季節(jié)運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)溫度較低，主廠(chǎng)房負(fù)荷減少，可減少送風(fēng)量使主廠(chǎng)房的熱濕環(huán)境達(dá)到規(guī)程要求，同時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)采用變風(fēng)量運(yùn)行可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能.

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