地下水電站廊道引風(fēng)通風(fēng)方案的理論計(jì)算與數(shù)值分析

梁 健，王 蒙

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

近年來(lái),我國(guó)水力發(fā)電行業(yè)有了很大的發(fā)展,國(guó)內(nèi)在水電站廠房通風(fēng)方式的研究方面做了很多有成效的研究工作[1]。在水電站的能源消耗過(guò)程中，通風(fēng)系統(tǒng)能耗占比較大?？諝饬鹘?jīng)地下隧洞時(shí)在夏天被冷卻，在冬天被加熱[6]。利用壩體廊道或進(jìn)場(chǎng)交通洞取風(fēng)，對(duì)廠房的進(jìn)風(fēng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的天然冷卻處理，然后送入廠內(nèi)。這種空氣處理方式由于不用機(jī)械制冷設(shè)備，具有節(jié)約初投資，簡(jiǎn)化運(yùn)行管理的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于我國(guó)目前能源緊張、運(yùn)行費(fèi)用較高的現(xiàn)狀有顯著的節(jié)能意義[2]。

本文對(duì)東莊水電站采用廊道引風(fēng)的通風(fēng)方案進(jìn)行系統(tǒng)的理論計(jì)算與數(shù)值分析。對(duì)該水電站冬、夏兩種工況下不同通風(fēng)量時(shí)壩體廊道內(nèi)空氣的流動(dòng)換熱情況進(jìn)行分析計(jì)算。

1 概況

涇河?xùn)|莊水利樞紐位于陜西省禮泉縣與淳化縣交界的涇河下游峽谷段，距峽谷出口約29 km，壩址控制流域面積4.31萬(wàn)km2，占涇河流域面積的95%，工程的開發(fā)任務(wù)是以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電和改善生態(tài)等，水庫(kù)總庫(kù)容32.76 億m3。

電站主、副廠房、主變室及尾水閘室為地下式廠房，出線場(chǎng)開關(guān)站布置于地面上。根據(jù)本電站的地理位置及廠房布置情況、地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工計(jì)算的結(jié)果和地下廠房各區(qū)域?qū)κ覂?nèi)溫濕度的要求，提出采用機(jī)械排風(fēng)、自然進(jìn)風(fēng)的方案。電站廠房布局情況見圖1。

圖1 電站廠房布局圖

全廠進(jìn)風(fēng)道主要是由進(jìn)風(fēng)（兼交通）洞進(jìn)風(fēng)，分別到達(dá)主廠房發(fā)電機(jī)層端頭、主變洞室端頭和尾水閘室端頭。這是全廠（含母線洞、副廠房）和主變室通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)通道。全廠排風(fēng)則是通過(guò)主廠房和主變室上部頂拱空間排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)和與其連接合三為一的排風(fēng)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通風(fēng)系統(tǒng)主要?dú)饬鹘M織流向見圖2、圖3。

圖2 電站廠房氣流組織示意圖一

圖3 電站廠房氣流組織示意圖二

2 氣象參數(shù)

根據(jù)電站的地理位置，該地區(qū)屬于典型的溫帶季風(fēng)氣候。東莊水利樞紐位于咸陽(yáng)涇陽(yáng)縣境內(nèi)，地下式廠房，所需的室外空氣計(jì)算參數(shù)見表1[3]。

表1 室外空氣計(jì)算參數(shù)表

3 廊道通風(fēng)的理論計(jì)算

水電站壩體廊道通風(fēng)屬于地下建筑的通風(fēng)換熱問(wèn)題。對(duì)于地下建筑的通風(fēng)，冬、夏季引風(fēng)道末端的溫度是影響整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)能耗的重要參數(shù)。針對(duì)東莊水電站壩體廊道通風(fēng)換熱的實(shí)際問(wèn)題，研究利用交通廊道的溫度變化規(guī)律，找出了一個(gè)便于廊道通風(fēng)工程實(shí)際運(yùn)用的熱計(jì)算方程式[4]。

3.1 洞外空氣溫度波幅值計(jì)算

1）洞外空氣溫度年波幅值θwy按下式計(jì)算：

式中：twr為夏季洞外最熱月日平均溫度，℃；twd為冬季洞外通風(fēng)計(jì)算溫度，℃。

2）洞外空氣溫度年波幅值θwr按下式計(jì)算：

式中：twx為夏季洞外通風(fēng)計(jì)算溫度，℃。

3.2 計(jì)算參數(shù)

1）洞體的當(dāng)量半徑r0：

式中：S 為洞體橫斷面周長(zhǎng)，m。

2）年波幅系數(shù)Ey：

由年準(zhǔn)數(shù)ξy，ηy，巖石導(dǎo)熱系數(shù)λy和通風(fēng)量G 查文獻(xiàn)[4]圖4-2 可得。

式中：溫度年波動(dòng)頻率wy=2π/T y=0.000717（1/h）；Ty為溫度年波動(dòng)周期，Ty=8760 h；αy為巖體導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；λy為巖體導(dǎo)熱系數(shù)，kcal/（m2·h·℃）。

3）溫度日波幅系數(shù)Er：

根據(jù)日準(zhǔn)數(shù)ξr，ηr，襯砌導(dǎo)熱系數(shù)λc和通風(fēng)量G 查文獻(xiàn)[4]圖4-2 可得。

式中：wr為溫度日波幅，wr=2π/Tr=0.262(1/h)；Tr為溫度日波動(dòng)周期，Tr=24 h；αc為襯砌體導(dǎo)溫系數(shù)；λc為襯砌體導(dǎo)熱系數(shù)，kcal/（m2·h·℃）。

4）年周期性波動(dòng)傳熱計(jì)算參數(shù)Αy：

5）比歐準(zhǔn)則Bi和傅立葉準(zhǔn)則F0：

式中：τ 為使用時(shí)間，h。

3.3 計(jì)算各通風(fēng)班制時(shí)引風(fēng)道末端空氣參數(shù)

1）年波幅變化值θyl。空氣流經(jīng)地下通道后的年波幅變化按下式計(jì)算：

式中：△θ 為通風(fēng)班制引起的附加波幅，℃，查文獻(xiàn)[4]表4-3 可得。

2）空氣流經(jīng)地下通道后的日波幅變化按下式計(jì)算：

式中：f1，f2為通風(fēng)班制引起的計(jì)算系數(shù)。

3）年平均溫度變化值tyl?？諝饬鹘?jīng)地下通道后的年平均溫度變化按下式計(jì)算：

式中：tdy為地表面年平均溫度，℃；twy為洞外空氣年平均溫度，℃，twy=1/2（twr+twd）。

4）夏季空氣流經(jīng)地下通道后的日平均溫度變化值txl按下式計(jì)算：

5）冬季空氣流經(jīng)地下通道后的日平均溫度變化值tdl按下式計(jì)算：

6）夏季最高溫度變化值tx1β·max夏季空氣流經(jīng)地下通道后的最高溫度變化按下式計(jì)算：

4 計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)東莊水電站的進(jìn)風(fēng)廊道，按照夏季和冬季兩種工況的不同通風(fēng)量進(jìn)行廊道內(nèi)空氣溫度理論分析計(jì)算。改變廊道送風(fēng)量計(jì)算廊道內(nèi)空氣溫度變化情況。廊道為門洞型7 m×7 m 洞室，空氣從洞外至地下廠房入口處的距離為1400 m，洞外為砂巖(導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.580 kcal/（m2·h·℃）；導(dǎo)溫系數(shù)a=0.0035 m2/h)，內(nèi)加混凝土內(nèi)襯(導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.330 kcal/（m2·h·℃）；導(dǎo)溫系數(shù)a=0.00277 m2/h)，夏季最大通風(fēng)量G=12×104kg/h，分別按照100%G，75%G，50%G 及25%G 進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同送風(fēng)量廊道內(nèi)空氣溫度變化情況 單位：℃

圖4 不同送風(fēng)量廊道內(nèi)空氣溫度變化折線圖

將上述4 種風(fēng)量工況整理見圖4，可分析得出：夏季工況下廊道入口空氣溫度較高，而巖體溫度較低，此時(shí)空氣被巖體冷卻，冷卻效果隨著隧洞的長(zhǎng)度增加而增加，冷卻效果隨著風(fēng)量的減小而增加。在夏季的設(shè)計(jì)工況風(fēng)量（100%G）情況下，空氣進(jìn)出口溫差為8.8℃；冬季工況下，隧洞對(duì)廊道內(nèi)空氣進(jìn)行加熱，加熱效果隨著隧洞的長(zhǎng)度增加而增加，隨著風(fēng)量的減小而增加。冬季在低風(fēng)量運(yùn)行情況下（50%G），空氣進(jìn)出口溫差為12.19 ℃，加熱效果明顯。

從圖4 可以看出，通風(fēng)廊道內(nèi)沿長(zhǎng)度方向的空氣溫度是遞減的趨勢(shì)。廊道初始段對(duì)空氣的溫度調(diào)節(jié)的作用較明顯，之后調(diào)節(jié)的能力逐漸減弱，在1000 m 處的空氣溫度與出口1400 m 處溫度已很接近。由此看出，從溫度調(diào)節(jié)作用來(lái)看，廊道的長(zhǎng)度不是越長(zhǎng)越好[5]。利用交通廊道進(jìn)風(fēng)時(shí)，需同時(shí)用于運(yùn)輸和進(jìn)風(fēng)，可在滿足運(yùn)輸要求的前提下，合理確定交通廊道長(zhǎng)度，以此降低開挖投資，實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)溫度調(diào)節(jié)作用最大化。

5 結(jié)論

1）根據(jù)涇河?xùn)|莊水電站通風(fēng)形式及其氣流組織，分析廊道壁面與流經(jīng)空氣的不穩(wěn)定換熱過(guò)程，針對(duì)電站的廊道送風(fēng)進(jìn)行進(jìn)風(fēng)溫度的理論分析計(jì)算。這種計(jì)算方法，在地下水電站廊道進(jìn)風(fēng)溫度的確定中經(jīng)常被采用，對(duì)地下水電站這種中、大型的水利工程具有現(xiàn)實(shí)意義。

2）東莊水電站廊道進(jìn)風(fēng)溫度的分析結(jié)果表明，地下水電站的進(jìn)風(fēng)廊道壁溫具有穩(wěn)定性，通過(guò)充分利用土壤的蓄冷蓄熱能力，可使地下電站廠房的送風(fēng)系統(tǒng)為電站廠房提供舒適的工作環(huán)境。利用廊道進(jìn)風(fēng)的系統(tǒng)簡(jiǎn)單，節(jié)能、降低了投資，有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3）采用理論分析方法對(duì)水電站廊道的通風(fēng)換熱情況進(jìn)行研究，結(jié)果可為下一步建立模型，進(jìn)行相應(yīng)的模擬計(jì)算提供依據(jù)。

4）本文對(duì)東莊水電站進(jìn)風(fēng)溫度的計(jì)算是在空氣不結(jié)露和沒(méi)有水分蒸發(fā)的情況下進(jìn)行的，未包含傳質(zhì)問(wèn)題。可以對(duì)包含傳質(zhì)的此類問(wèn)題做進(jìn)一步研究。