500 kV地下變電站通風(fēng)量問題分析及解決措施

李 迅，孫蒙蒙，周 寧

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200043)

靜安(世博)地下變電站(以下簡稱“靜安站”是國內(nèi)首座500 kV全地下變電站，站內(nèi)設(shè)備種類繁多、發(fā)熱量大，設(shè)備安全運行要求高。此類大型全地下變電站沒有專門的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，也缺乏相應(yīng)的實踐經(jīng)驗和專業(yè)運行維護(hù)。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集表明：上海市夏季室外最高溫度35℃時，靜安站66 kV 1號主變4號電抗器室和35 kV 1號站用變室(以下簡稱“1號設(shè)備間和2號設(shè)備間”)溫度在36 ℃左右。設(shè)備間內(nèi)掛有溫濕度計，一般掛在高1.5 m處，而設(shè)備間的高度是10 m，由于浮力的作用，高度方向的溫度變化不可忽略。為了分析整個設(shè)備間不同維度的溫度，采用計算流體力學(xué)(Computer Fluid Dynamics，簡稱CFD)的方法模擬實際的溫度場。

1 設(shè)計溫度值和實際溫度值

靜安站電抗器室、站用變室和接地變室是混合通風(fēng)(自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng))的方式，處理過的新風(fēng)由送風(fēng)管道送至公共區(qū)域走廊。在負(fù)壓的作用下，走廊新風(fēng)由自然進(jìn)風(fēng)口引入以消除設(shè)備間余熱，并維持壓力穩(wěn)定。

不同設(shè)備間設(shè)備的功能、發(fā)熱量、運行方式、房間面積等都不相同，因此各房間溫度的設(shè)定值也不相同。1號設(shè)備間夏季溫度設(shè)計≤45 ℃、2號設(shè)備間夏季溫度設(shè)計≤40 ℃[1]。

使用風(fēng)速計對1號和2號設(shè)備間的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速、溫度、濕度進(jìn)行了測量。66 kV 1號主變4號電抗器室的自然進(jìn)風(fēng)風(fēng)速0.5 m/s，房間溫度35.9℃；35 kV 1號站用變室的自然進(jìn)風(fēng)風(fēng)速2.5 m/s，房間溫度36.1℃。測量時為了減少誤差，在同一個點測量3次，然后取3次測量結(jié)果平均值作為此設(shè)備間的進(jìn)風(fēng)速度。

選擇這2個設(shè)備間進(jìn)行分析，是因為：①它們代表靜安站自然進(jìn)風(fēng)房間發(fā)熱量最大、較典型的兩種重要設(shè)備；②冷卻方式不同，66 kV 1號主變4號電抗器的冷卻方式是油—水—空氣+空氣，35 kV 1號站用變的冷卻方式是油—空氣；③房間溫度高而風(fēng)速差別很大，35 kV 1號站用變房間自然進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速為2.5 m/s，66 kV 1號主變4號電抗器房間自然進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速為0.5 m/s。

2 模型建立

2.1模擬軟件介紹

CFD方法是模擬現(xiàn)實中流動現(xiàn)象的一種有效工具，是進(jìn)行“三傳”(傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞)燃燒多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心和重要技術(shù)。CFD已經(jīng)成為暖通空調(diào)領(lǐng)域不可或缺的工具。Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國市場的占有率為60%，只要涉及流體、熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等工程問題，都可以用它來解算[2]。本文采用ANSYS Fluent15軟件對靜安站66 kV 1號主變4號電抗器室和35 kV 1號站用變室的溫度場進(jìn)行模擬。

2.2 數(shù)學(xué)模型

電抗器室和站用變室的室內(nèi)均為三維紊流穩(wěn)定流場，使用有限體積法建立離散方程，計算過程中采用計算精度高的二階迎風(fēng)格式，求解器采用SIMPLE算法，湍流模擬采用Realizable 模型，在近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。采用Boussinesq假設(shè)來處理溫差引起的浮生力項，空氣密度為1.159 kg/m3。重力加速度方向與Z坐標(biāo)軸相反，所以重力加速度g=-9.81 m/s2，Boussinesq的溫度為31.5℃(實際測出)。

進(jìn)風(fēng)口采用Velocity-inlet，出風(fēng)口采用Pressure-outle邊界條件[3]，電抗器室的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為0.25 m/s，出口處壓力為-0.123 Pa；站用變室的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為2.5 m/s；進(jìn)風(fēng)溫度均為31.5℃，出風(fēng)口的壓力值為-32 Pa。

2.3 物理模型

為了簡化物理模型，將電抗器簡化成半徑為1.6 m，高為4.4 m的圓柱體發(fā)熱源；將站用變簡化成長3 m、寬4.6 m、高4 m的長方體發(fā)熱源。

進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口均為百葉風(fēng)口，百葉風(fēng)口的有限面積系數(shù)通常在0.6以上，結(jié)合實際情況靜安變的百葉風(fēng)口有效系數(shù)取0.75[4]。因此，模型中進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口面積要在實際尺寸的基礎(chǔ)上乘以0.75的系數(shù)。66 kV 1號主變4號電抗器和35 kV1號站用變的幾何模型如圖1和圖2所示。

圖1 電抗器室?guī)缀文Ｐ蛨D

圖2 站用變室?guī)缀文Ｐ蛨D

66 kV電抗器的冷卻方式為油—水—空氣+空氣，總散熱量是120 kW，7/8的散熱由設(shè)備冷卻系統(tǒng)來負(fù)擔(dān)，1/8的散熱由室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)來負(fù)擔(dān)，故此模型中電抗器的散熱量為15 kW，熱流密度為288 W/m2。站用變的冷卻方式是油—空氣，設(shè)備總散熱量為15 kW，全部由通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)；故此模型中站用變的散熱量為15 kW，熱流密度為201 W/m2。

3 數(shù)值模擬

3.1 監(jiān)測點選取

設(shè)備間溫度分布主要從設(shè)備安全運行所需要的溫度及人員活動區(qū)域的承受溫度兩方面考慮。因此，分析對象為(X軸為房間長度；Y軸為房間寬度；Z軸為房間高度)電抗器室和站用變室。

電抗器室：①Z=2 m水平截面的溫度分布；②X=4.25 m和Y=4.25 m豎直剖面的溫度分布。

站用變室：①Z=2 m水平截面的溫度分布；②X=2.7 m和Y=2.85 m豎直剖面的溫度分布。

3.1.1 電氣設(shè)備對溫度的要求

參考《火力發(fā)電廠采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》可知，電氣設(shè)備對溫度的要求是：電抗器室的排風(fēng)溫度不超過40℃，站用變室的排風(fēng)溫度不超過45℃[5]。

如果設(shè)備間排風(fēng)溫度過低，說明風(fēng)量大，會導(dǎo)致?lián)Q熱不充分，造成能源浪費。如果溫度過高，說明風(fēng)量小，可能會產(chǎn)生以下后果。

(1)設(shè)備的熱量不能及時散出去，將會使設(shè)備由于過熱跳閘，甚至燒壞設(shè)備。

(2)影響產(chǎn)品的使用壽命，還會影響保護(hù)器性能的穩(wěn)定性和動作的可靠性及計量的準(zhǔn)確性。

(3)絕緣材料將會變脆老化，絕緣性能下降，甚至擊穿。

(4)電接觸兩導(dǎo)體表面會劇烈氧化，接觸電阻明顯增加，造成導(dǎo)體及其附件溫度升高，電接觸的穩(wěn)定性變差，容易造成電氣故障。

3.1.2 人體對溫度的要求

參考《35～220 kV地下變電站通風(fēng)空調(diào)設(shè)計規(guī)范》可知，人員對溫度的要求是：人員活動區(qū)域需滿足溫度在35～37℃[6]，即Z=2 m水平截面的溫度為35～37℃。

(1) 溫度低于35℃，換熱不充分，造成能源浪費。

(2) 35～37℃時，人體可通過蒸發(fā)汗水散發(fā)熱量進(jìn)行“自我冷卻”。

(3) 溫度高于37℃，人體汗腺排汗已難以確保正常體溫，再加上工作人員都穿全棉長袖工作服，佩戴安全帽，中暑的風(fēng)險加大。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 電抗器室模擬結(jié)果分析

電抗器室Z=2 m水平截面的溫度分布(此截面的溫度需要滿足人體對溫度的要求)如圖3所示。X=4.25 m豎直剖面的溫度分布，Y=4.25 m豎直剖面的溫度分布(這兩個剖面是設(shè)備中心剖面，需要滿足設(shè)備對溫度的要求)如圖4和圖5所示。

圖3 電抗器室Z=2 m截面溫度分布云圖

圖4 電抗器室X=4.25 m處溫度分布云圖

圖5 電抗器室Y=4.25 m處溫度分布云圖

從圖3可以看出：電抗器表面溫度最高，最高溫度可達(dá)52℃左右，熱量由電抗器向外擴(kuò)散，熱空氣和自然進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的冷空氣對流換熱，使得工作人員的活動區(qū)域內(nèi)的溫度為36～40℃。從圖4、圖5可以看出：隨房間高度的增加溫度增高，排風(fēng)口處溫度為46℃左右，設(shè)計時規(guī)定電抗器室溫度低于40℃，因此不滿足人員和設(shè)備對溫度的要求。

3.2.2 站用變室實際模擬結(jié)果分析

站用變室Z=2 m水平截面的溫度分布(此截面的溫度需要滿足人體對溫度的要求)如圖6所示。X=2.7 m豎直剖面的溫度分布，Y=2.85 m豎直剖面的溫度分布(這兩個剖面是設(shè)備中心剖面，需要滿足設(shè)備對溫度的要求)如圖7和圖8所示。

圖6 站用變室Z=2 m截面溫度分布云圖

圖7 站用變室X=2.7 m處溫度分布云圖

圖8 站用變室Y=2.85 m處溫度分布云圖

從圖6可以看出：站用變表面溫度最高，最高溫度可達(dá)49℃左右，熱量由站用變向外擴(kuò)散，熱空氣和自然進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的冷空氣對流換熱，使得工作人員的活動區(qū)域內(nèi)的溫度為33～39℃。從圖7和圖8可以看出：排風(fēng)口處溫度為45℃左右。模擬時室外最高溫度是35℃，根據(jù)上海市氣象參數(shù)統(tǒng)計知：上海市夏季室外最高溫度35℃以上的天數(shù)一般在20天以上，當(dāng)室外最高溫度超過35℃時，站用變室排風(fēng)溫度將會超過45℃。站用變室排風(fēng)溫度要求是小于等于45℃，因此不滿足設(shè)計要求。

對66 kV 1號主變4號電抗器室和35 kV 1號站用變室的模擬結(jié)果表明：兩設(shè)備間的溫度分布均不滿足人體和設(shè)備對溫度的要求。結(jié)合靜安站10年間通風(fēng)系統(tǒng)實際運行情況，把溫度分布偏高，歸結(jié)為通風(fēng)量不足的問題。下面對靜安站通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量不足的原因進(jìn)行分析并對所研究的兩個設(shè)備間的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行檢查和改進(jìn)。

4 通風(fēng)量不足原因分析及解決措施

4.1 通風(fēng)量不足原因分析

查閱設(shè)計文件并結(jié)合10年間通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)過的問題，把設(shè)備間通風(fēng)量不足的原因歸納為以下幾個方面。

(1)安裝方面，設(shè)計與實際存在偏差。靜安站通風(fēng)系統(tǒng)在建設(shè)安裝階段，實際安裝與設(shè)計有偏差，增加了整個系統(tǒng)的阻力。比如：2號繼電保護(hù)室1號和2號空調(diào)機(jī)組應(yīng)該按照圖9安裝，實際安裝示意圖如圖10所示，無形中增加了一個90°轉(zhuǎn)角，90°轉(zhuǎn)角的局部阻力系數(shù)在整個通風(fēng)系統(tǒng)中的占比不可忽略。

圖9 空調(diào)機(jī)組設(shè)計安裝示意圖

圖10 空調(diào)機(jī)組實際安裝示意圖

(3)風(fēng)管破裂，有漏風(fēng)現(xiàn)象。靜安站初設(shè)采用的都是玻鎂風(fēng)管，玻鎂風(fēng)管兩大主要缺點是：①連接部位容易開縫、脫落；②風(fēng)機(jī)啟動時，轉(zhuǎn)角部位瞬時受力容易破損。長時間使用，漏風(fēng)的可能性很大。運行10年間，出現(xiàn)過多處玻鎂風(fēng)管破裂、大塊掉落，已經(jīng)用鍍鋅鐵皮風(fēng)管替代多條通風(fēng)管道，但是自然進(jìn)風(fēng)設(shè)備間的排風(fēng)管道還是玻鎂風(fēng)管。目前，玻鎂風(fēng)管破裂情況如圖11所示。

圖11 玻鎂風(fēng)管現(xiàn)場照片

(4)風(fēng)管內(nèi)閥門關(guān)閉。排風(fēng)機(jī)距離設(shè)備間距離較遠(yuǎn)，多處穿墻，穿墻前后都會安裝防火風(fēng)閥，在長時間運行過程中閥門容易出現(xiàn)卡澀。站用電停電維護(hù)時防火風(fēng)閥失電關(guān)閉，恢復(fù)通電后，由于閥門卡澀執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩不夠，無法順利打開閥門，風(fēng)路被阻斷。

(5)玻鎂風(fēng)管還有易起冷凝水的缺點，這又增加了閥門銹蝕的可能，進(jìn)而增大風(fēng)管內(nèi)的阻力。

4.2 原因排查及解決措施

對靜安站66 kV 1號主變4號電抗器室和35 kV 1號站用變室兩設(shè)備間的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行一次排查，得出具體原因和解決措施如下。

(1)風(fēng)管破裂。檢查出66 kV 1號主變4號電抗器室通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)管存在兩處破裂，都是拼接處的鋁箔膠帶老化脫落。檢修人員用鋁箔膠帶把漏風(fēng)處重新粘接后，測量設(shè)備間進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為0.8 m/s；35 kV 1號站用變室通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)管存在一處破裂，也是拼接處的鋁箔膠帶老化脫落。漏風(fēng)處重新粘接后，測量設(shè)備間進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為2.7 m/s。

(2)風(fēng)閥卡澀關(guān)閉。檢查發(fā)現(xiàn)66 kV 1號主變4號電抗器室通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)管確實有一處風(fēng)閥關(guān)閉了，待消防人員手動調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)后開啟閥門，再次測量設(shè)備間進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為2.5 m/s；35 kV 1號站用變室風(fēng)管內(nèi)閥門開啟正常。

5 結(jié)語

對靜安站即將擴(kuò)建的3號主變提出以下參考建議。

(1) 用一臺風(fēng)機(jī)替代同一設(shè)備間并聯(lián)的2臺風(fēng)機(jī)。66 kV 1號主變3號和4號電抗器室排風(fēng)機(jī)是兩臺型號相同、轉(zhuǎn)速為1 450/960 r/min的軸流式風(fēng)機(jī)并聯(lián)運行。兩臺型號相同且轉(zhuǎn)速相等的風(fēng)機(jī)并聯(lián)后，風(fēng)量最高時是2臺風(fēng)機(jī)風(fēng)量的90%左右，風(fēng)壓等于單臺風(fēng)機(jī)的壓力[8]。當(dāng)其中一臺轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，就變成了2臺型號相同轉(zhuǎn)速不等的2臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)使用，此時風(fēng)量等于較大一臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，風(fēng)壓不疊加，風(fēng)量降為設(shè)計時的56%左右。靜安站的通風(fēng)系統(tǒng)365天都在運轉(zhuǎn)，受外力影響風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速很容易發(fā)生變化，此時2個設(shè)備間的風(fēng)量都會大幅降低。

(2) 各專業(yè)設(shè)備布局合理。建安方面多方配合，合理布局，盡量把誤差最小化。一旦投運，后期整改大部分需要先停電，操作復(fù)雜。

(3)鍍鋅鐵皮風(fēng)管替代玻鎂風(fēng)管。將玻鎂風(fēng)管的優(yōu)缺點結(jié)合靜安站10年運行情況，由專業(yè)人士做技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，決定玻鎂風(fēng)管采用與否。

(4)風(fēng)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和防潮方面采取措施。風(fēng)閥不能自動開啟問題時有發(fā)生，而且很難立即發(fā)現(xiàn)。時間長了，不僅設(shè)備間由于空氣不流通使溫度升高，而且風(fēng)管由于負(fù)壓也會破損。

(5)常檢查離心式風(fēng)機(jī)的皮帶。由于設(shè)備持續(xù)發(fā)熱，風(fēng)機(jī)365天都在運行，離心式風(fēng)機(jī)故障大部分是皮帶磨損、松動所引起，皮帶松動會造成風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，進(jìn)而風(fēng)機(jī)壓力指數(shù)級下降。