基于CFD模擬的某柔直換流站戶內(nèi)啟動(dòng)回路場自然通風(fēng)方案研究

池代波，肖國鋒

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市電網(wǎng)工程建設(shè)數(shù)量增多。由于土地資源限制及環(huán)境的要求，電網(wǎng)工程采用全戶內(nèi)緊湊型布置形式已成必然趨勢［1］。將諸如變壓器、平波電抗器、濾波電容器等發(fā)熱量大的設(shè)備設(shè)置在戶內(nèi)運(yùn)行，如何在維持室內(nèi)溫濕度環(huán)境相對穩(wěn)定的情況下，減少環(huán)境污染和噪聲對周圍居民的干擾是設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。如采用有組織的空調(diào)或軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)，不僅增加設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用，還將產(chǎn)生較大的噪聲。因此，從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面考慮，對于高大空間的戶內(nèi)配電裝置區(qū)域，均應(yīng)優(yōu)先考慮自然通風(fēng)的可行性［2］。

自然通風(fēng)是利用風(fēng)壓或熱壓使室內(nèi)外的空氣進(jìn)行流動(dòng)交換［3］。對含有發(fā)熱電氣設(shè)備的高熱空間［4］，室內(nèi)散發(fā)出大量熱量，底層冷空氣被加熱成熱空氣往上流動(dòng)，導(dǎo)致廠房內(nèi)形成與室外的壓力差。室外空氣從廠房側(cè)面進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)，被室內(nèi)余熱加熱成熱空氣，然后從上部排風(fēng)口排到室外。自然通風(fēng)方案可以充分利用自然動(dòng)力，幾乎不耗電能，運(yùn)行成本低，投資少，無運(yùn)行噪聲。若滿足配電裝置場內(nèi)設(shè)備的散熱要求，自然通風(fēng)方案可極大節(jié)省暖通系統(tǒng)投資運(yùn)行費(fèi)用。但由于自然通風(fēng)進(jìn)、排風(fēng)的風(fēng)速低，不僅需要的進(jìn)排風(fēng)面積很大，而且氣流場不穩(wěn)定，基本為無組織通風(fēng)［5］，室內(nèi)溫度場與速度場分布不均，容易造成局部地點(diǎn)過熱和氣流死角。目前，暖通空調(diào)領(lǐng)域越來越廣泛地應(yīng)用CFD軟件模擬仿真室內(nèi)空氣流場分布情況［6］，從而預(yù)判設(shè)計(jì)方案的效果優(yōu)劣，對于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具有重要的指導(dǎo)作用。在前期驗(yàn)證自然通風(fēng)方案可行性時(shí)，可利用CFD計(jì)算流體模擬技術(shù)進(jìn)行理論驗(yàn)證。

本文對某柔性直流換流站戶內(nèi)啟動(dòng)回路場室內(nèi)特定區(qū)域溫度環(huán)境控制進(jìn)行針對性研究，結(jié)合CFD數(shù)值模擬軟件驗(yàn)證了自然通風(fēng)方案的可行性，并對不同通風(fēng)氣樓方案下的溫度場和速度場進(jìn)行模擬對比分析，為今后類似電網(wǎng)工程建筑實(shí)行自然通風(fēng)提供借鑒和參考價(jià)值。

1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目研究對象是位于廣州市的某柔性直流換流站工程戶內(nèi)啟動(dòng)回路場。戶內(nèi)啟動(dòng)回路場建筑為立方體型，尺寸為長為146 m，寬為48.5 m，最大高度為24 m，最小高度為21 m。戶內(nèi)啟動(dòng)回路場的門、結(jié)構(gòu)鋼架和絕緣支架等簡化處理。進(jìn)風(fēng)口為啟動(dòng)回路146 m長邊處進(jìn)口，進(jìn)風(fēng)面積為2 628 m2。排風(fēng)口為在屋面設(shè)置的通風(fēng)氣樓，總氣樓開口面積為648 m2，有效通風(fēng)面積為583.2 m2。啟動(dòng)回路外形圖如圖1所示。

圖1 戶內(nèi)啟動(dòng)回路場外形圖Fig.1 Outline drawing of indoor pre-insertion resistor circuit

戶內(nèi)啟動(dòng)回路場內(nèi)安裝的設(shè)備包括橋臂電抗器、斷路器、隔離開關(guān)、避雷器、導(dǎo)體和金具等電力設(shè)施［7］，其中熱源主要包括橋臂電抗器、燈具以及導(dǎo)體。室內(nèi)熱源額定總散熱量為1.720 3 MW，具體設(shè)備發(fā)熱參數(shù)詳見表1。對橋臂電抗器運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)取值如表2所示。

表1 室內(nèi)熱源發(fā)熱量匯總表Tab.1 Calorific value of indoor heat source

表2 橋臂電抗器運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of bridge arm reactor

根據(jù)上述要求，本文主要研究在自然通風(fēng)條件下，橋臂電抗器周圍空氣溫度長時(shí)間運(yùn)行時(shí)應(yīng)低于45℃，極端情況下應(yīng)低于50℃。需要指出的是，本建筑屬于整體式超大空間建筑，由于啟動(dòng)回路場凈空較高，存在較大的溫度梯度，上述溫度控制要求為電抗器運(yùn)行區(qū)域。橋臂電抗器安裝高度為距地面6～11 m，故本次研究重點(diǎn)控制區(qū)域?yàn)殡x地面11.00 m高度范圍內(nèi)，排風(fēng)口位置溫度可以高于上述溫度要求。

屋面通風(fēng)器安裝于建筑屋面，無需電力消耗，工作時(shí)又不產(chǎn)生噪聲［8］，可以十分顯著地加強(qiáng)自然通風(fēng)的效果。其作為一種主流的通風(fēng)設(shè)備廣泛應(yīng)用于各類建筑中，尤其是大型鋼結(jié)構(gòu)廠房，維護(hù)方便［9］。在大型空間建筑中一般采用條形屋面通風(fēng)器，可按照外形分為流線型通風(fēng)器與薄型通風(fēng)器，如圖2、圖3所示。

圖2 流線型屋面通風(fēng)器圖Fig.2 Streamlined roof ventilator

圖3 薄型屋面通風(fēng)器圖Fig.3 Thin roof ventilator

通風(fēng)器選型主要基于通風(fēng)量要求、結(jié)構(gòu)形式要求以及采光等建筑功能要求進(jìn)行確定。本工程建筑體量大、發(fā)熱量高，自然通風(fēng)量巨大。通過對通風(fēng)效果、室內(nèi)溫度場控制等因素的對比［10］，選擇合適的通風(fēng)器類型及通風(fēng)器位置。通風(fēng)效果對比分析由CFD模擬計(jì)算完成。

為對比研究氣樓類型、位置及尺寸對自然通風(fēng)效果的影響，本研究對兩種氣樓設(shè)置形式進(jìn)行了如下對比研究。其中氣樓A代表薄型通風(fēng)器，氣樓B代表流線型通風(fēng)器。

模擬工作的兩種氣樓設(shè)置形式分別為：氣樓A：長寬高尺寸為120 m×30 m×7.5 m，位于啟動(dòng)回路和閥廳隔墻上方，有效通風(fēng)高度7.5 m；氣樓B：長寬高尺寸為180 m×30 m×26 m，相比氣樓A長度增加了6 m，整體向電抗器正上方橫向移動(dòng)了6.5 m，有效通風(fēng)高度11 m。

氣樓模型圖如圖4所示，氣樓上排風(fēng)洞口對應(yīng)圖中黃色部分。

圖4 氣樓模型示意圖Fig.4 Diagrammatic sketch of models

2 數(shù)值計(jì)算模型

本文所研究的氣流在控制場內(nèi)的流動(dòng)遵循三大物理定律，即質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，同時(shí)遵循湍流脈動(dòng)變化規(guī)律。相應(yīng)的控制方程如下所示：

1）連續(xù)性方程

把流體（即啟動(dòng)回路場內(nèi)的空氣）看作連續(xù)介質(zhì)。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流入和流出控制體的質(zhì)量流量之差，亦即凈流入控制體的質(zhì)量流量，必須等于控制體內(nèi)質(zhì)量隨時(shí)間的變化率。由此可得式（1）流體連續(xù)性方程：

式中：

ρ——密度（kg/m3）；

t——時(shí)間（s）；

u——速度矢量V在x方向上的分量（m/s）；

v——速度矢量V在y方向上的分量（m/s）；

w——速度矢量V在z方向上的分量（m/s）。

低速流動(dòng)中，流體視為不可壓縮，ρ視為一常量，則式（1）可以簡化為：

2）動(dòng)量方程

動(dòng)量守恒是指作用于控制體上所有外力的總和等于控制體中流體動(dòng)量的變化率。式（2）為動(dòng)量守恒方程：

3）能量方程

能量守恒是指在單位時(shí)間內(nèi)，控制體內(nèi)流體的總能量對時(shí)間的變化率等于進(jìn)入微元體的能量加上體積力和表面力對流體微元體所做的功。式（3）為能量守恒方程：

4）標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型

通常通風(fēng)流動(dòng)屬于湍流。湍流具有隨機(jī)脈動(dòng)的特點(diǎn)，上述連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程無法求得有實(shí)際意義的統(tǒng)計(jì)平均參數(shù)，也無法得出湍流的全部細(xì)節(jié)［11］。為了能詳細(xì)地分析這些問題，可將湍流的脈動(dòng)值與時(shí)均值結(jié)合，解得湍流控制方程，即湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是迄今為止在工程應(yīng)用上最為廣泛、積累經(jīng)驗(yàn)最多的模型，也是CFD數(shù)值模擬軟件經(jīng)常應(yīng)用的湍流描述模型。式（5）為標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程：

式中：

μt——湍流粘度（m2/s）；

Cμ——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.09。

需要說明的是，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的原型是針對二維不可壓薄剪切湍流建立起來的，是已知高雷諾數(shù)的湍流計(jì)算模型。湍流在流動(dòng)場壁面區(qū)域發(fā)展不充分，湍流脈動(dòng)可能不如分子粘性對流動(dòng)的影響大［12］。因此，對近壁區(qū)必須采用如壁面函數(shù)法等特殊的處理方式。

本項(xiàng)目中，對于連續(xù)性方程可在整個(gè)場內(nèi)取一個(gè)單位控制體，基于建立模型的坐標(biāo)系，建立連續(xù)性方程，然后采用積分的方法計(jì)算至整個(gè)計(jì)算域［13］。本項(xiàng)目中將流體視為不可壓縮理想氣體進(jìn)行計(jì)算。對于動(dòng)量方程（3）、能量方程（4）也采用同樣的方法建立方程，然后以積分形式計(jì)算整個(gè)計(jì)算域。

3 室內(nèi)空氣流場分布情況

用于FLUENT數(shù)值模擬計(jì)算的戶內(nèi)啟動(dòng)回路場物理模型如圖5所示。

圖5 戶內(nèi)啟動(dòng)回路場流體仿真模型圖Fig.5 Simulation modelof indoor pre-insertion resistor circuit

兩種不同通風(fēng)氣樓情況下，設(shè)定相同的模擬工況如下：

采用夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度34.2℃時(shí)，室內(nèi)電抗器發(fā)熱量為100%（即每臺(tái)電抗器發(fā)熱量為139.3 kW，室內(nèi)總發(fā)熱量為1.720 3 MW），屋頂外表面綜合溫度為43.8℃，閥廳與啟動(dòng)回路場隔墻溫度為30℃，南墻外表面溫度39℃，北墻外表面溫度為34.2℃。

3.1 溫度場分布

特征截面Y=10.9為橋臂電抗器在XZ平面的縱向中心截面，由圖8可以看出場內(nèi)存在較明顯的溫度分層，由地面到屋頂溫度逐漸升高。同時(shí)可見進(jìn)風(fēng)口有冷空氣從底部滲入，隨著進(jìn)深增加，溫度逐漸升高，啟動(dòng)回路工作區(qū)域內(nèi)溫度分布有一定的不均勻性，整體表現(xiàn)為離熱源越遠(yuǎn)溫度越低。

圖8 距地面9 m電抗器周邊溫度分布圖Fig.8 Temperature distribution around reactor while Z=9 m

如圖6兩種氣樓方案的溫度云圖中可看出，氣樓A稍不利于通風(fēng)散熱，氣樓出口處溫度最高可達(dá)46.3℃；調(diào)整氣樓設(shè)置后，氣樓B對通風(fēng)散熱更有利，氣樓出口溫度最高則降低到44.5℃。調(diào)整后整個(gè)啟動(dòng)回路空間內(nèi)，整體溫度降幅約2℃，散熱效果有一定的提升。

圖6 戶內(nèi)啟動(dòng)回路場Y=10.9特征截面溫度云圖Fig.6 Sectionalview of temperature while Y=10.9

觀測電抗器周圍不同高度的溫度分布，得到電抗器周圍不同高度平面上檢測點(diǎn)的平均溫度如圖7～圖9所示。

圖7 距地面6 m電抗器周邊溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution around reactor while Z=6 m

圖9 距地面11 m電抗器周邊溫度分布圖Fig.9 Temperature distribution around reactor while Z=11 m

以上9個(gè)溫度數(shù)據(jù)為不同高度水平面的電抗器周圍的平均溫度，反映了電抗器周圍不同高度處空氣的溫度場分布情況。結(jié)果表明，在豎直方向上，隨著高度的增加，電抗器周圍溫度呈上升趨勢；在水平方向上，電抗器周圍大部分測點(diǎn)空氣溫度隨著與電抗器的距離增大而降低，但溫度變化不大。其原因是電抗器與周圍空氣存在對流換熱，且熱空氣會(huì)向上運(yùn)動(dòng)。電抗器運(yùn)行區(qū)域內(nèi)（地面高度11 m以下區(qū)域）最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在高度為11 m處的距離電抗器1 m的地方，為38.776℃，滿足電抗器的散熱要求。

3.2 速度場分布

同樣，取典型橫斷面空氣速度場Y=10.9 m（電抗器中心斷面）進(jìn)行對比，氣樓A的氣樓出口處氣體流速較低，出口處空氣流速約為0.55 m/s；氣樓B雖然出口處空氣流速基本持平，但具備了更大的氣體出口面積。整個(gè)啟動(dòng)回路空間內(nèi)，通風(fēng)量增大，散熱效果有較明顯的提升。速度分布圖如圖10所示。

圖10 戶內(nèi)啟動(dòng)回路場Y=10.9特征截面速度分布云圖Fig.10 Sectionalview of velocity while Y=10.9

圖11為戶內(nèi)啟動(dòng)回路場在Y=10.9特征截面處不同通風(fēng)氣樓方案工況下室內(nèi)空氣的速度矢量圖。從圖中可看出室外空氣由進(jìn)風(fēng)口端面進(jìn)入室內(nèi)啟動(dòng)回路后，室外進(jìn)風(fēng)首先沿地面橫掠一定距離，部分氣流遭遇阻擋（隔離開關(guān)）形成滯流區(qū)，電抗器周圍氣流受熱上浮形成負(fù)壓區(qū)，室外進(jìn)風(fēng)持續(xù)補(bǔ)充負(fù)壓區(qū)氣流，在電抗器與啟動(dòng)回路場隔墻之間形成部分循環(huán)對流，電抗器附近熱空氣持續(xù)受熱帶走電抗器熱量，熱氣流沖擊屋頂后向左右擴(kuò)散，部分氣流由氣樓流出，另一部分則向進(jìn)風(fēng)口方向逆流而出。

圖11 戶內(nèi)啟動(dòng)回路場Y=10.9特征截面速度矢量圖Fig.11 Sectionalview of velocity vectors and streamlines while Y=10.9

圖（a）中氣樓改變前空氣的流線軌跡顯示，只有較少部分的空氣直接流出了氣樓A，大部分空氣在啟動(dòng)回路空間內(nèi)循環(huán)流動(dòng)；圖（b）顯示氣樓調(diào)整為B后，流出氣樓的空氣流線更多且流線更加密集，所以通風(fēng)量增大，因此，氣樓方案B（氣樓向電抗器正上方平移）具有更佳的通風(fēng)效果。

綜上，氣樓B通風(fēng)效果更佳。從溫度分布圖可以看出，氣樓B處最高溫度為44.5℃，相比氣樓A處的46.3℃更低；其啟動(dòng)回路整體溫度也降低約2℃，降溫幅度達(dá)4.4%。而從速度分布圖則可看出，氣樓B流出氣樓的空氣流線比氣樓A的更加密集，所以相對應(yīng)的通風(fēng)量也更多，更有利于通風(fēng)散熱。

4 結(jié) 論

本文在夏季運(yùn)行工況（空調(diào)室外計(jì)算溫度34.2℃，室內(nèi)總發(fā)熱量1.720 3 MW）下，對戶內(nèi)啟動(dòng)回路場室內(nèi)溫度控制提出自然通風(fēng)方案，并研究通風(fēng)氣樓的形式對室內(nèi)通風(fēng)氣流場的影響效果。利用CFD軟件對戶內(nèi)啟動(dòng)回路場進(jìn)行溫度場與速度場的模擬，得到了不同氣樓形式下的模擬結(jié)果。得出結(jié)論如下：

1）為減少戶內(nèi)啟動(dòng)回路場對周邊環(huán)境產(chǎn)生噪聲影響，在設(shè)計(jì)通風(fēng)空調(diào)方案時(shí)可優(yōu)先考慮自然通風(fēng)方式，以達(dá)到節(jié)能和環(huán)保要求。

2）自然通風(fēng)具有可行性，能夠排出啟動(dòng)回路場內(nèi)產(chǎn)生的熱量并滿足內(nèi)部控制區(qū)域整體溫度不超過45℃的要求。

3）流線型氣樓相較于薄型氣樓具有更好的通風(fēng)散熱效果。相比于薄型氣樓，流線型氣樓可將戶內(nèi)直流場內(nèi)部環(huán)境溫度多降低約2℃。