青島膠州灣隧道變電所利用滲漏水降溫研究

盛章涵 田峰 王海橋

1湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院

2中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司

3湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院

0 引言

變電所中的設(shè)備發(fā)熱量大， 散濕量極少， 故濕負(fù)荷可忽略不計(jì)。從節(jié)能角度出發(fā)， 變電所設(shè)計(jì)溫度一般設(shè)定在 36～40 ℃之間能夠滿足電器設(shè)備正常工作即可 [1] 。青島膠州灣隧道變電所， 其熱負(fù)荷主要通過常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)消除。而常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)是熱濕聯(lián)合處理，對(duì)于該變電所除濕過程完全是沒必要的， 這既消耗了更多的冷量， 也造成了能量利用品位上的浪費(fèi)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)， 青島膠州灣隧道內(nèi)每天正常的滲水量達(dá)4000多m3， 且其溫度在20～25 ℃范圍內(nèi)。 該滲漏水溫度與變電所空氣溫度有十幾度溫差， 因此以隧道滲漏水作為天然冷源給變電所降溫具有巨大潛力。本文以青島膠州隧道工程為實(shí)例， 對(duì)利用隧道滲漏水給變電所降溫方案進(jìn)行研究， 并通過對(duì)比分析計(jì)算考察其可行性及節(jié)能潛力。

1 利用隧道滲漏水降溫原理

利用隧道滲漏水給變電所降溫系統(tǒng)主要由水泵，風(fēng)機(jī)和表冷器組成， 其工作原理是： 利用水泵將凈化后的隧道滲漏水送入表冷器， 使表冷器具有較低的表面溫度， 再利用風(fēng)機(jī)循環(huán)室內(nèi)空氣， 使室內(nèi)空氣連續(xù)沖刷表冷器表面， 使室內(nèi)的熱空氣與滲漏水進(jìn)行對(duì)流換熱，吸收了熱量的滲漏水隨排水系統(tǒng)排入大海， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所的降溫。其工作示意圖如圖 1所示。

圖1 隧道滲漏水降溫示意圖

2 青島膠州灣隧道變電所通風(fēng)降溫設(shè)計(jì)

以青島膠州灣隧道的臺(tái)西三站變電所為例。臺(tái)西三路變電所面積 120m2， 體積656m3， 設(shè)有送、 排風(fēng)機(jī)各一臺(tái)， 2臺(tái)1600 kVA變壓器。當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髤?shù)和室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1）室外空氣計(jì)算參數(shù)： 夏季室外大氣壓力100.04 kPa。夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度為27.3 ℃， 夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球球溫度為29.4 ℃。

2） 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)： 變電所夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為36 ℃。設(shè)計(jì)新風(fēng)量為3836m3/h。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]可得， 該變電所中變壓器的散熱量Q1則為：

式中：S為變壓器的容量，k VA。

經(jīng)計(jì)算得Q1=0.0152×1600×2=48.64 kW。

變電所中其他設(shè)備的發(fā)熱量沒有較為準(zhǔn)確的計(jì)算式可以直接計(jì)算，通常是以變壓器發(fā)熱量總和的30%來計(jì)算[3]， 故 整個(gè)變電所的發(fā)熱量Q2= (1+0.3)Q1= 1.3×48.64=63.23kW。

設(shè)計(jì)的新風(fēng)可帶走的熱量Q3為[4]：

式中：c為空氣比熱容，取 1.01 kJ/(kg℃)；ρa(bǔ)v為進(jìn)排風(fēng)平均密度，k g/m3； Δt為進(jìn)排風(fēng)溫差，℃ ；L為新風(fēng)量，m3/ h。

經(jīng)計(jì)算得Q3= 0.28×3836×1.01×1.2×8.7=11.33 kW。

其余的熱量由空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)，則 空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)的熱負(fù)荷Q為51.9 kW。

2.1 利用常規(guī)空調(diào)設(shè)備降溫方案

利用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)給青島膠州灣隧道變電所降溫，同其他建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)類似。選用多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組給變電所降溫， 根據(jù)該變電所的熱負(fù)荷， 選用空調(diào)機(jī)組 GMV-Pd600 型室外機(jī) 1 臺(tái)， GMV(R)-R125T/Na(S)型室內(nèi)機(jī) 4 臺(tái)和 GMV(R)-R100T/Na(S)型室內(nèi)機(jī) 1臺(tái)。室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)參數(shù)見表1。

表1 室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)參數(shù)表

2.2 利用隧道滲漏水給變電所降溫方案

據(jù)統(tǒng)計(jì)，隧道滲漏水溫度常年保持在20～25 ℃，故取隧道滲漏水溫度為23 ℃。 假設(shè)進(jìn)出表冷器的隧道滲漏水溫差為5 ℃， 送回風(fēng)溫差為6 ℃， 則所需循環(huán)風(fēng)量為：

所需的水流量為：

利用隧道滲漏水降溫系統(tǒng)中表冷器不同于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)， 該降溫系統(tǒng)的表冷器是一種高溫干式表冷器。參考文獻(xiàn)[6]規(guī)定： 表冷器空氣迎面風(fēng)速一般取2～3m/s， 管內(nèi)水流速度w一般取 0.6～1.2m/s。故取該表冷器的迎面風(fēng)速Vy為2.5m/s， 表冷器內(nèi)水流速度w為1m/s。該表冷器的總傳熱系數(shù)K依據(jù)文獻(xiàn)[5]中干工況下表冷器總傳熱系數(shù)的一種新經(jīng)驗(yàn)公式：

則所需表冷器的換熱面積F為：

式中： Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差， Δtm=(Δtmax -Δtmin )/ln(Δtmax /Δtmin )， ℃。

表冷器總通水?dāng)嗝娣eA為：

根據(jù)表冷器總傳熱系數(shù)， 總換熱面積和總通水?dāng)嗝娴葏?shù)， 可設(shè)計(jì)出滿足利用隧道滲漏水給變電所降溫的高溫干式表冷器。

其空氣阻力按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)表冷器空氣阻力最大值計(jì)算為[6]：

水阻力按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)表冷器水阻力最大值計(jì)算為：

考慮出口靜壓， 選取壓力為 200 Pa， 風(fēng)量為26000m3/h的風(fēng)機(jī)。考慮水管道中的沿程損失和局部損失， 且其集水池緊鄰該變電所， 故選取揚(yáng)程為 10m水柱， 流量為 9m3/h 的水泵。通過相應(yīng)的管徑將水泵一端接入集水池， 另一端連接表冷器， 表冷器的另一端接入排水系統(tǒng)。再將風(fēng)機(jī)安裝于表冷器的一端， 就構(gòu)成了利用隧道滲漏水給變電所降溫的系統(tǒng)。

3 節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益分析

青島膠州灣隧道臺(tái)西三站變電所采用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)控制室內(nèi)的溫度時(shí)，該空調(diào)系統(tǒng)每小時(shí)將消耗19.36kW · h左右的電能。 利用隧道滲漏水降溫時(shí)， 其中水泵的耗電功率為：

風(fēng)機(jī)耗電功率為：

式中：G為水泵流量，m3/ h；H為水泵揚(yáng)程，m 水柱；η為水泵效率；P為風(fēng)壓，Pa；Q為風(fēng)量，m3/ h；η1為風(fēng)機(jī)效率，取 0.75；η2為機(jī)械傳動(dòng)效率，取 0.95。

故臺(tái)西三站變電所利用隧道滲漏水降溫每小時(shí)將消耗3.0 kW· h 左右的電能。

表2 利用隧道滲漏水降溫系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)比較

因此利用隧道滲漏水降溫系統(tǒng)比多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組給變電所降溫系統(tǒng)每小時(shí)耗電量減少了 16.36 kW ·h。青島市的平均電價(jià)按0.8元/kW · h計(jì)算， 則該變電所在整個(gè)夏季 （90 天） 利用隧道滲漏水降溫將節(jié)約電費(fèi)28270元左右。青島膠州灣隧道有8個(gè)類似的變電所， 若全部利用隧道滲漏水給其變電所降溫則整個(gè)夏季將節(jié)約電費(fèi)22.6萬元左右。臺(tái)西三站變電所用兩種空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較見表2。

4 結(jié)論

1） 針對(duì)變電所溫濕負(fù)荷特點(diǎn)及青島膠州隧道的特點(diǎn)， 可利用隧道滲漏水給變電所降溫， 且具有十分明顯的節(jié)能效果。

2） 利用隧道滲漏水為變電所降溫系統(tǒng)的初投資僅為分體式空調(diào)系統(tǒng)的38.5%， 運(yùn)行費(fèi)用減少了81.7%。

3）利用隧道滲漏水給變電所降溫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 對(duì)水質(zhì)沒有改變， 具有節(jié)約能源、 無污染、 低運(yùn)行成本的特點(diǎn)。

4）對(duì)于有適量滲漏水的地下隧道和海底隧道， 利用隧道滲漏水給其附屬降溫有較大的節(jié)能潛力和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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