水電站交通洞通風(fēng)除霧過程的模擬分析

趙　兵，　唐國峰，　崔志剛，　魯恩龍，　高　翔，　劉錦程

(國網(wǎng)新源黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司， 黑龍江 牡丹江 157099)

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水電站交通洞通風(fēng)除霧過程的模擬分析

趙兵，唐國峰，崔志剛，魯恩龍，高翔，劉錦程

(國網(wǎng)新源黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司， 黑龍江 牡丹江 157099)

為解決水電站進(jìn)廠交通洞成霧問題，保證交通安全，以蒲石河水電站進(jìn)廠交通洞為研究對(duì)象，依據(jù)能量守恒原理建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測設(shè)定邊界條件，利用Fluent軟件模擬交通洞起霧狀態(tài)下，風(fēng)流與交通洞熱濕量傳遞交換過程，通過風(fēng)量調(diào)節(jié)，獲取風(fēng)量對(duì)交通洞溫濕度分布的改變情況，研究發(fā)現(xiàn)：交通洞起霧原因?yàn)榭諝馀c交通洞巖體進(jìn)行熱濕交換，使溫度下降至露點(diǎn)溫度，相對(duì)濕度上升至100%，水蒸氣凝結(jié)為液態(tài)析出，從而在交通洞內(nèi)成霧，模擬結(jié)果顯示，增大通風(fēng)量可縮短交通洞壁面與空氣的熱量交換時(shí)間，減小空氣溫度下降梯度，使空氣在交通洞內(nèi)達(dá)不到露點(diǎn)溫度，阻止霧的形成。該研究驗(yàn)證了交通洞通風(fēng)形式的可行性。

濕度； 溫度； 熱量傳遞； 交通洞； 通風(fēng)； 霧

0　引　言

自然界中，空氣中懸浮的大量水滴或冰晶微粒的乳白色集合體，使水平能見度距離降至1 km以下時(shí)稱為霧。進(jìn)廠交通洞是地下水電站重要的運(yùn)輸通道，由于地下水電站進(jìn)廠交通洞內(nèi)與大氣環(huán)境具有較大溫度差異，同時(shí)通過交通洞的自然風(fēng)含濕量較大，所以使進(jìn)廠交通洞內(nèi)出現(xiàn)起霧現(xiàn)象，從而影響交通安全，腐蝕交通洞內(nèi)構(gòu)筑物[1,2]。因此，研究地下水電站進(jìn)廠交通洞內(nèi)的熱濕交換過程，控制交通洞內(nèi)空氣參數(shù)，達(dá)到防霧效果十分重要。

相關(guān)學(xué)者針對(duì)交通洞防霧除霧措施進(jìn)行了大量研究。在工程上，交通洞內(nèi)起霧現(xiàn)象是必須要避免的，通常采取的方式有除濕機(jī)除霧[3-5]、交通洞壁面加保溫層除霧[6,7]、通風(fēng)除霧[8,9]、雙層式交通洞除霧[10]。其中除濕機(jī)除霧能耗大，增加廠內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷；加保溫層除霧則造價(jià)高，施工過程復(fù)雜；雙層式交通洞除霧處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，缺乏現(xiàn)場應(yīng)用可行性論證。通風(fēng)除霧措施具有能耗低，調(diào)節(jié)方法簡單的優(yōu)點(diǎn)。筆者通過對(duì)已建成的蒲石河抽水蓄能電站交通洞起霧時(shí)的現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)測，結(jié)合測試數(shù)據(jù)，分析目前交通洞的起霧原因，并通過建立數(shù)學(xué)物理模型，對(duì)該結(jié)構(gòu)形式的交通洞進(jìn)行模擬起霧過程。通過通風(fēng)調(diào)節(jié)，對(duì)比、分析交通洞內(nèi)空氣熱濕變化狀態(tài)，驗(yàn)證交通洞通風(fēng)形式的可行性。以期為抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞除霧系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)與理論支持，并為具有類似特征的水電站交通洞的除霧工程應(yīng)用提供理論與設(shè)計(jì)借鑒。

1　現(xiàn)場測試

1.1水電站交通洞概況

蒲石河抽水蓄能電站，位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)。電站主要由主副廠房、主變室、尾閘室、母線洞、高壓電纜洞中控室及附屬洞室等組成，蒲石河抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)透視如圖1所示。交通洞全長約960 m，一端通過主變運(yùn)輸洞與廠房安裝間相通，另一端為廠區(qū)地面出口，出口地面高程82 m，與廠區(qū)公路相連。交通洞斷面形式為城門洞型，洞內(nèi)凈尺寸為9.5 m×8.0 m。

圖1　蒲石河抽水蓄能電站地下廠房結(jié)構(gòu)

1.2電站測點(diǎn)布置及測試方法

水平方向：每隔90 m選定一測點(diǎn)；交通洞沿程共布置10個(gè)測試點(diǎn)，測點(diǎn)距離廠房入口分別是50、140、260、350、440、530、620、710、800、890 m，如圖2a所示。

垂直方向：參數(shù)測試斷面及測點(diǎn)位置如圖2b所示。在空間斷面上均勻布置9個(gè)測點(diǎn)，然后用TSI風(fēng)速測試儀、激光測溫儀等設(shè)備測定各點(diǎn)風(fēng)速、溫度、濕度等參數(shù)。為保證測試參數(shù)的準(zhǔn)確性，每測點(diǎn)測試三次后取均值，參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

圖2　交通洞沿程測點(diǎn)布置示意

Fig. 2Measuring point layout in tunnel of hydropower station

表1蒲石河水電站交通洞斷面參數(shù)計(jì)算

Table 1Section parameter calculation of tunnel of PuShi river hydropower station

測試序號(hào)v/m·s-1S/m2u/m3·s-1T/℃μ/%10.38825.62015.93363.36720.68345.09815.01166.23330.76050.18314.98965.56740.87157.51214.68965.34451.01866.03067.21914.21166.72261.11273.42514.01165.81171.11473.55713.94465.48981.23081.21713.44466.65691.08271.44412.60068.489101.776117.20011.74468.567

2　交通洞數(shù)學(xué)模型建立

2.1交通洞內(nèi)空氣的熱濕交換

2.1.1顯熱交換量Qk,b

空氣與水電站地下交通洞壁面的顯熱交換，由于熱量為定向傳遞，可分為兩種情況。當(dāng)進(jìn)入水電站地下廠房交通洞的氣流溫度高于巖體壁面溫度時(shí)，進(jìn)風(fēng)氣流向交通洞壁傳熱[11,12]。熱量傳遞初期，進(jìn)風(fēng)氣流與壁面之間溫度存在較大差異，熱量傳遞強(qiáng)度較大。隨著熱量傳遞的進(jìn)行，交通洞壁溫度逐漸上升，熱量也逐步向交通洞巖體的更深處傳遞，傳熱影響的厚度增大，但傳熱強(qiáng)度將逐步下降。這一過程中，氣流傳遞給交通洞巖體的熱量被巖體蓄存起來。但水電站地下廠房交通洞入口的氣流溫度不是恒定不變的，而是隨著室外氣象條件而變化。當(dāng)氣流溫度下降，低于巖體壁面溫度時(shí)，巖體就會(huì)向空氣傳熱，將所蓄存的熱量釋放出來。分析認(rèn)為，我國北方不同季節(jié)氣溫存在較大差異，水電站地下廠房交通洞的洞壁溫度受不同氣候的影響較大，空氣與水電站地下交通洞壁面的熱量交換方向主要取決于交通洞壁與空氣的溫度關(guān)系。綜上，空氣與水電站地下交通洞壁面的熱量交換，有

(1)

式中：U——空氣與洞壁接觸的濕周長，m；

H(r)b——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)；

Tk——空氣溫度，℃；

Tb——交通洞壁面溫度，℃。

2.1.2濕交換量θb

空氣與水電站地下交通洞壁面的濕交換過程，與熱量交換規(guī)律相類似。水電站地下廠房交通洞入口的氣流含濕量不是恒定不變的，而是隨著室外氣象條件而變化。當(dāng)氣流中水蒸氣氣壓低于交通洞壁面水蒸氣分壓力時(shí)，巖體就會(huì)向空氣傳遞濕量。分析認(rèn)為，當(dāng)降雨量較大季節(jié)時(shí)，進(jìn)入水電站地下廠房交通洞的氣流含濕量較大，反之，進(jìn)入交通洞的空氣含濕量較小?？諝馀c水電站地下交通洞壁面的濕量傳遞過程主要取決于交通洞壁與空氣的水蒸氣分壓力關(guān)系[13，14]?？諝馀c水電站地下交通洞壁面的濕量交換，有如下關(guān)系

(2)

pb，sa——飽和狀態(tài)下水蒸氣分壓力，Pa。

室外空氣參數(shù)呈現(xiàn)周期性波動(dòng)變化，氣流流經(jīng)水電站地下廠房交通洞時(shí)，必將引起交通洞的熱量、含濕量雙向傳遞的周期性變化。當(dāng)交通洞蓄存熱量時(shí)，是對(duì)氣流的冷卻作用；當(dāng)交通洞釋放熱量時(shí)，是對(duì)氣流的加熱作用，交通洞壁與空氣濕量交換也按同樣規(guī)律變化。由此，氣流參數(shù)的波動(dòng)變化，是引起巖體周期性熱濕蓄放的原因；交通洞周期性的熱濕蓄放又形成了對(duì)氣流的冷卻、加熱、干燥、加濕作用。由于整個(gè)過程是周期性變化的，使得氣流參數(shù)對(duì)周圍巖體溫、濕度的影響局限在一定深度范圍內(nèi)。

2.1.3凈熱量和凈濕量

流入流出微元體空氣的凈熱量Qj

(3)

式中：mk——空氣單位時(shí)間內(nèi)通過水電站交通的質(zhì)量，kg/s；

h(φ)——比焓，kJ/kg。

流入流出微元體空氣的凈濕量θj

(4)

2.1.4相變生成熱量Qc

水電站地下進(jìn)廠交通洞內(nèi)熱量傳遞變化，除空氣與洞壁熱濕交換外，主要為空氣中含水量的相態(tài)變化的吸放熱量過程，表達(dá)為：

(5)

式中：r——水的汽化潛熱，2 501 kJ/kg；

μ——含濕量，kg/kg。

2.1.5能量平衡方程

在流體的壓縮功和黏性耗散功被忽略的情況下，針對(duì)不同相，均有如下關(guān)系式成立：

能量增量E=熱濕交換熱量Qk,b+凈導(dǎo)入/導(dǎo)出熱量∑Qj+相變生成熱量Qc[15，16]。

(6)

式中：S——水電站地下進(jìn)廠交通洞內(nèi)空氣流通面積，m2；

τ——時(shí)間，s；

ρk——空氣密度，kg/m3。

2.2邊界條件和初始條件

洞體巖層的遠(yuǎn)邊界

t=t0，

(7)

式中：t0——巖層初始狀態(tài)溫度，℃。

交通洞入口空氣參數(shù)已知，為

Tk(τ)=fk，T(τ)，

μ(τ)=fk，T(τ)，

(8)

空氣流速

ua(τ)=fk，u(τ) ，

(9)

與空氣接觸的洞壁面

(10)

式中：λg——巖層的導(dǎo)熱系數(shù)；

Cpg——巖層的比熱容。

巖層的初始條件

t|τ=0=t0。

(11)

在集總參數(shù)模型條件下建立蒲石河水電站交通洞通風(fēng)過程熱濕交換的準(zhǔn)三維數(shù)學(xué)模型。

交通洞沿程空氣的比焓及含濕量分布的解析解分別為：

(12)

(13)

式中：μk(0)——交通洞入口空氣的含濕量,kg/kg。

h(r)k(0)——交通洞入口空氣的比焓，kJ/kg。

在已知入口空氣參數(shù)、交通洞結(jié)構(gòu)條件下，應(yīng)用式(12)(13)可得到交通洞沿程空氣的參數(shù)分布。

3　洞中水、空氣與洞壁熱濕交換模擬

根據(jù)蒲石河水電站現(xiàn)場概況，結(jié)合不同相態(tài)之間熱量與濕量傳遞交換理論，對(duì)蒲石河水電站地下進(jìn)廠交通洞中水、空氣與交通洞壁三者間的熱量與濕量傳遞交換過程進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，在此基礎(chǔ)上建立了蒲石河水電站地下進(jìn)廠交通洞水-空氣-交通洞壁熱濕傳遞交換物理模型，并應(yīng)用集總參數(shù)法建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型主要詮釋了蒲石河水電站地下進(jìn)廠交通洞尺寸、空氣參數(shù)、壁面溫度等關(guān)鍵影響因素與熱量、濕量間的相互作用關(guān)系，通過該模型可獲取交通洞微元空間中任意點(diǎn)空氣比焓與含濕量。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)設(shè)定工況邊界條件，采用Fluent流體模擬軟件模擬蒲石河水電站地下進(jìn)廠交通洞中水、空氣與交通洞壁三者間的熱量與濕量傳遞交換過程。

圖3為交通洞起霧工況條件下，蒲石河水電站交通洞溫度場模擬分布結(jié)果，從圖3中可以看出，隨著交通洞沿程走向變化，空氣溫度逐漸降低，呈梯度變化，溫度變化顯著，最高溫度為入口溫度，最低溫度為出口溫度，且兩者溫差約為8 ℃，平均百米溫度變化梯度為0.8 ℃，交通洞同一截面，近壁面空氣溫度最低。

圖3　交通洞內(nèi)起霧工況下溫度場模擬分布Fig. 3　Simulation temperature distribution of fogging in tunnel of hydropower station

圖4為交通洞起霧工況條件下，蒲石河水電站交通洞濕度場模擬分布結(jié)果，從圖4中可以看出，交通洞入口相對(duì)濕度最小，出口相對(duì)濕度最大，其值已遠(yuǎn)超100%。模擬結(jié)果顯示，距離交通洞入口360 m處，交通洞內(nèi)空氣相對(duì)濕度已經(jīng)達(dá)到100%，此時(shí)已經(jīng)達(dá)到空氣中水蒸氣冷凝析出臨界值，說明在該范圍內(nèi)已經(jīng)有霧氣產(chǎn)生，這與現(xiàn)場實(shí)測交通洞起霧位置相近。

圖4　交通洞內(nèi)起霧工況下濕度場模擬分布

Fig. 4Simulation humidity distribution of fogging in tunnel of hydropower station

分析認(rèn)為空氣進(jìn)入交通洞后，與巖體發(fā)生熱濕交換，從而空氣溫度逐漸下降，相對(duì)濕度上升，當(dāng)溫度下降到露點(diǎn)溫度時(shí)，相對(duì)濕度上升到100%，空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，水蒸氣凝結(jié)為液態(tài)，滿足形成霧的條件，當(dāng)交通洞內(nèi)持續(xù)通入空氣時(shí)，就會(huì)不斷有水蒸氣在此凝結(jié)，形成了霧。增大通風(fēng)量可縮短交通洞壁面與空氣的熱量交換時(shí)間，從而減小空氣溫度下降梯度，進(jìn)而使空氣溫度未達(dá)到露點(diǎn)前，流出交通洞，從根本上消除霧氣的產(chǎn)生。據(jù)此，加大通風(fēng)量，重新設(shè)定邊界條件，進(jìn)行模擬。根據(jù)DL/T5165—2002《水力發(fā)電廠廠房采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)程》第7.1.13條規(guī)定：主交通洞空氣流速不宜大于3 m/s，因此工況入口風(fēng)速選擇為3 m/s，其余邊界條件不變。

圖5為調(diào)節(jié)風(fēng)速下溫度場分布。根據(jù)圖5，隨著交通洞沿程走向變化，空氣溫度逐漸降低，呈梯度變化，溫度變化顯著，最高溫度為入口溫度，最低溫度為出口溫度，且兩者溫差為5 ℃左右，平均百米溫度變化梯度為0.5 ℃，交通洞同一截面上貼近壁面空氣溫度最低；與起霧工況模擬結(jié)果相比，其平均百米溫度變化梯度降低0.3 ℃，進(jìn)一步證明加大風(fēng)速條件下，增大通風(fēng)量會(huì)使交通洞內(nèi)單位空氣的質(zhì)量增加，一定程度上降低了空氣的溫降，使其不易達(dá)到露點(diǎn)溫度。

圖5　調(diào)節(jié)風(fēng)速下溫度場模擬分布

Fig. 5Simulation temperature distribution under condition of adjust wind speed

圖6是調(diào)節(jié)風(fēng)速下濕度場分布。根據(jù)圖6可知，交通洞入口相對(duì)濕度最小，其平均值為76%，出口相對(duì)濕度最大，其值未達(dá)到100%。模擬結(jié)果顯示，與起霧工況模擬結(jié)果相比，接近交通洞出口處空氣相對(duì)濕度接近100%，交通洞內(nèi)未形成霧氣，證明加大風(fēng)速條件下，通風(fēng)量增大，沿程相對(duì)濕度隨之減小，減緩交通洞與空氣的換熱速率，一定程度上降低了空氣的溫降，使其更不易達(dá)到露點(diǎn)溫度。因此，適當(dāng)增加入口空氣流速，可將交通洞內(nèi)霧氣去除。

圖6　調(diào)節(jié)風(fēng)速下濕度場模擬分布

Fig. 6Simulation humidity distribution under condition of adjust wind speed

4　結(jié)　論

(1)通過對(duì)蒲石河水電站進(jìn)廠交通洞溫濕度分布情況，現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，交通洞起霧原因?yàn)榭諝庾陨肀焕鋮s，空氣與交通洞巖體發(fā)生熱濕交換，使溫度下降至露點(diǎn)溫度，相對(duì)濕度上升至100%，空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，水蒸氣凝結(jié)為液態(tài)，使交通洞內(nèi)霧氣持續(xù)出現(xiàn)。

(2)利用Fluent模擬交通洞中水、空氣與交通洞壁熱濕交換過程發(fā)現(xiàn)，增大通風(fēng)量可縮短交通洞壁面與空氣的熱量交換時(shí)間，從而減小空氣溫度下降梯度，進(jìn)而使空氣溫度未達(dá)到露點(diǎn)前，流出交通洞，從根本上消除了霧氣的產(chǎn)生。

(3)通過分析交通洞內(nèi)空氣熱濕傳遞過程，驗(yàn)證了交通洞通風(fēng)形式的可行性，為抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞除霧系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)與理論支持，并為具有類似特征的水電站交通洞的除霧工程應(yīng)用提供理論與設(shè)計(jì)借鑒。

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(編輯徐巖)

Simulation analysis of elimination fog process based on ventilation in tunnel of hydropower station

ZHAOBing,TANGGuofeng,CUIZhigang,LUEnlong,GAOXiang,LIUJincheng

(Heilongjiang Mudanjiang Pumped Storage Co. Ltd. of State Grid Xinyuan Company, Mudanjiang 157099, China)

This paper seeks a solution to the fog formation in the tunnels of a hydropower station to ensure the traffic safety. The study building on the case of the tunnel of PuShi River hydropower station consists of developing mathematical model by energy conservation law; setting boundary conditions based on the field test data; simulating wind flow and heat and moisture transfer process in traffic tunnel by Fluent under the condition of fog formation; and obtaining the law behind the effect of the ventilation amount on the distribution of temperature and humidity in tunnel of hydropower station.The research suggests that fog formation in tunnel of hydropower station is due to the heat and humidity exchanges occurring between air and the rock mass, resulting in the temperature decreasing to dew points and relative humidity increasing to 100%, which may explain why water vapor condenses into liquid precipitation, with a resulting fog in the traffic tunnels of hydropower station.Simulation indicates that an increased ventilation could provide a shortened heat transmission time of air and the rock mass of tunnel and reduced temperature falling gradient, thus preventing air from dropping to dew points and rendering impossible fog formation. The study verifies the feasibility of increasing the ventilation amount.

humidity； temperature； transfer heat； tunnel； ventilation； fog

2015-12-10

嚴(yán)寒地區(qū)水電站地下廠房交通洞防霧除霧技術(shù)措施科學(xué)技術(shù)研究課題(MDJ-GC-2014)

趙兵(1972-)，男，浙江省諸暨人，高級(jí)工程師，研究方向：水工建筑物設(shè)計(jì)，E-mail：zq3946630@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.022

X951

2095-7262(2016)01-0100-06

A