智能變電站高性能纖維預制艙防凝露設計

左濤，張新太

（樂山一拉得電網(wǎng)自動化有限公司，四川 樂山 614000）

0 引言

預制艙式智能變電站是實現(xiàn)新一代智能變電站“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”的核心載體[1-4]，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是使用預制艙體，而凝露對預制艙體內(nèi)電氣設備的安全穩(wěn)定運行影響很大，因此防凝露是預制艙式智能變電站設計和生產(chǎn)的重點。目前預制艙體圍護結(jié)構(gòu)有金屬與非金屬兩種材質(zhì)形式，金屬圍護結(jié)構(gòu)的預制艙體雖然具有構(gòu)造簡單、質(zhì)量輕、強度高、對電磁的屏蔽性好等特點，但是金屬艙體耐腐蝕性差、低溫易脆斷、高溫傳熱快、保溫隔熱性能較差[5]，防凝露的設計和生產(chǎn)較為復雜，阻礙了預制艙式智能變電站的推廣和應用。以高性能纖維復合材料為圍護結(jié)構(gòu)的非金屬預制艙體，則克服了金屬艙體的缺陷和不足，在艙體防凝露性能方面具有先天優(yōu)勢。目前關(guān)于智能變電站預制艙防凝露性能，普遍研究了金屬圍護結(jié)構(gòu)的預制艙體[6-9]，尚未見以高性能纖維（尤其是玄武巖纖維）復合預制件為艙體圍護結(jié)構(gòu)的非金屬預制艙防凝露性能研究的文獻；因此，開展對高性能纖維非金屬預制艙體防凝露技術(shù)的研究，對推動預制艙式智能變電站的發(fā)展與應用具有重大意義。

本文以四川省樂山市某110 kV變電站高性能纖維預制艙為模型，并以該市的室外氣象參數(shù)為依據(jù)，采用工程熱力學原理，驗算了一種基于玄武巖纖維復合材料的智能變電站高性能纖維預制艙的防凝露性能，研究了計及太陽輻射下的預制艙熱工參數(shù)以及艙內(nèi)冷熱負荷，并據(jù)此計算了控制艙內(nèi)溫控設備換熱制冷需求量和控制艙內(nèi)除濕設備除濕需求量，提出了防凝露發(fā)生的預制艙內(nèi)溫濕度控制設計方案。本文的研究方法可以用于新型預制艙結(jié)構(gòu)研發(fā)的工程熱力學參數(shù)計算，其研究成果可以作為高性能纖維預制艙工程化設計的理論依據(jù)和工廠化生產(chǎn)的工藝要求。

1 預制艙內(nèi)凝露的成因及危害

凝露產(chǎn)生的機理是預制艙內(nèi)溫度低于露點溫度或者艙內(nèi)絕對濕度大，空氣里未飽和的水蒸氣變成飽和汽，空氣無法容納過多的水蒸氣，此時水蒸氣就會液化凝結(jié)析出，從而形成凝露現(xiàn)象，凝露會產(chǎn)生液態(tài)水，如圖1所示。

圖1 預制艙內(nèi)因凝露產(chǎn)生的水珠

液態(tài)水會與電氣設備內(nèi)部元器件表面的塵埃相結(jié)合形成導電通道，破壞電氣器件的絕緣性能，造成電氣設備爬電、閃絡、短路和跳閘等事故；同時，艙內(nèi)電氣設備若在這種環(huán)境中長期運行，設備內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)件會逐漸銹蝕而降低其機械結(jié)構(gòu)強度，艙內(nèi)的排線也會發(fā)生腐蝕、老化、霉變等，會對智能變電站安全穩(wěn)定運行造成重大影響。

根據(jù)凝露形成機理，需要對造成預制艙內(nèi)溫度低于露點溫度或者艙內(nèi)絕對濕度大的原因進行分析，從而找到破壞凝露產(chǎn)生條件的辦法，防止預制艙內(nèi)產(chǎn)生凝露。艙內(nèi)溫度低于露點溫度的主要原因為艙體結(jié)構(gòu)上有冷橋缺陷，艙體保溫性能不好或者艙內(nèi)溫度控制系統(tǒng)溫控能力不夠。艙內(nèi)濕度大的主要原因是艙體密封性能不好，有濕氣進入或者艙內(nèi)濕度控制系統(tǒng)除濕能力不夠[10]。

2 預制艙體熱工性能與防凝露驗算

2.1 預制艙用玄武巖纖維復合預制件

預制艙整體結(jié)構(gòu)分為艙體、艙頂和艙底三部分。艙體和艙頂圍護結(jié)構(gòu)均采用玄武巖纖維復合預制件，通過干式工法拼裝而成。該預制件是一種將玄武巖纖維絲（網(wǎng)、布）、高分子保溫材料（巖棉或聚苯乙烯泡沫等）、快硬硫鋁酸鹽水泥、水、砂、化合物等多種材料按特定比例，經(jīng)攪拌高壓噴射澆筑在用槽鋼、鋼筋制作成型的模具內(nèi)，經(jīng)24 h靜置形成的高性能纖維復合材料。該預制件具有抗沖擊能力強、防腐能力強、防輻射性強，隔熱性能好、抗凍性能好、隔音性能好，燃燒性能等級高，耐火性能長、耐候性能好等物理性能[11-12]。其層理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 預制艙用玄武巖纖維復合預制件層理結(jié)構(gòu)

根據(jù)表1所列的復合預制件各層材料傳熱系數(shù)λn和熱阻R數(shù)值，可以計算出預制艙用玄武巖纖維復合預制件的實際熱阻R0和綜合傳熱系數(shù)λ。

表1 預制艙用玄武巖纖維復合預制件各層厚度及導熱系數(shù)、熱阻數(shù)值[11]

2?1?1 復合預制件實際熱阻的計算

艙體的實際熱阻R0可按式（1）計算：

式中：Ri—艙體內(nèi)表面感熱阻，(㎡·k)/W，取0.11(㎡·k)/W；

Re—艙體外表面散熱阻，(㎡·k)/W，取0.04(㎡·k)/W。

代入各層材料熱阻數(shù)值，可計算得艙體的實際熱阻為

2?1?2 復合預制件綜合傳熱系數(shù)的計算

復合預制件綜合傳熱系數(shù)與各層材料厚度h，材料傳熱系數(shù)λn有關(guān)，根據(jù)工程熱力學原理，可按式（3）計算[14]：

式中：h1，…，hn及λ1，…，λn—復合預制件從外至內(nèi)各層厚度及導熱系數(shù)；

h—總壁厚。

計算可得預制艙體、艙頂?shù)木C合傳熱系數(shù)λ艙體和λ艙頂。

綜合傳熱系數(shù)λ艙體=λ艙頂=

2.2 驗算艙內(nèi)表面是否會出現(xiàn)冷凝水

根據(jù)文獻[3]對預制艙溫濕度指標的要求，預制艙適用的外部環(huán)境極端溫度為-50℃～+55℃，艙體內(nèi)部環(huán)境控制目標溫度為+18℃～+25℃，相對濕度不大于75%，任何情況下無凝露，因此，按照艙內(nèi)溫度為+18℃，相對濕度為75%時，驗算艙內(nèi)表面是否會出現(xiàn)冷凝水。

（1）計算艙體內(nèi)表面溫度θi。

式中：ti—艙內(nèi)計算溫度，按照預制艙溫度控制范圍最小值取+18℃；

tе—艙外計算溫度，根據(jù)樂山極端最低溫度，取-2?9℃[14]；

n—溫差修正系數(shù)，取1。經(jīng)計算

（2）確定艙內(nèi)空氣中水蒸氣最大分壓力。

標準大氣壓時不同溫度下的艙內(nèi)空氣中水蒸氣最大分壓力值可查供暖通風空調(diào)設計手冊。當ti=18℃時，查得艙內(nèi)空氣中水蒸氣最大分壓力（水的飽和汽壓）Pi·max=2 064?09（Pa）。

（3）計算室內(nèi)空氣中平均相對濕度?i=75%的分壓力Pi。

（4）計算露點溫度θa。當Pi=1 548?1（Pa）時，查得θa≈13?5（℃）。由于內(nèi)表面溫度17?08℃大于露點溫度13?5℃，說明艙體內(nèi)表面在溫度最低且相對濕度最大的情況下，不會出現(xiàn)凝露和冷凝水。

（5）考慮冷橋情況下，外艙體轉(zhuǎn)角處內(nèi)表面是否會出現(xiàn)冷凝水。由于冬季冷橋現(xiàn)象易出現(xiàn)在外艙體轉(zhuǎn)角處，因此需要對外艙體轉(zhuǎn)角處的內(nèi)表面溫度θ′i進行校驗，判斷是否會出現(xiàn)“冷橋”現(xiàn)象。

式中：ξ—熱阻比例系數(shù)。

由于外艙體轉(zhuǎn)角處的內(nèi)表面溫度16?4℃大于露點溫度13?5℃，所以外艙體轉(zhuǎn)角處內(nèi)表面也不會出現(xiàn)冷凝水。

從以上的驗算可以看出，只要確保艙內(nèi)溫度不低于+18℃，即便在艙外溫度最極端（-2?9℃），以及相對濕度最大（75%）時，艙體內(nèi)都不會產(chǎn)生凝露；因此，防止預制艙內(nèi)產(chǎn)生凝露的核心就是做好溫度和濕度控制，即嚴格按照文獻[3]的要求，確保艙內(nèi)溫度不低于+18℃；同時減少艙內(nèi)濕度，確保相對濕度≤75%。

3 計及太陽輻射熱的熱環(huán)境及溫控

要有效控制艙內(nèi)溫度，需要了解在樂山當?shù)氐臍庀髼l件下，基于玄武巖纖維復合材料的高性能纖維預制艙內(nèi)冷熱負荷情況，并基于此配置合理的溫控設備。

3.1 預制艙底綜合傳熱系數(shù)

預制艙底采用0?002 m厚度的鋼板，中間為0?2 m高度的鋼支架和空氣夾層，其上鋪設30 mm厚度的陶瓷防靜電地板，具體參數(shù)如表2所示。

表2 預制艙底各層壁厚及傳熱系數(shù)

按式(3)，計算可得預制艙底綜合傳熱系數(shù)λ艙底。

3.2 計及太陽輻射熱的預制艙熱工研究

預制艙體在進行實際的傳熱過程中，不僅存在兩側(cè)空氣溫差引起的熱損失Qte-ti，還存在由太陽輻射的熱損失Qsol和天空輻射的熱損失-Qs。預制艙結(jié)構(gòu)的凈熱損失Qnet為這三部分的代數(shù)和，即Qnet=Qte-ti+Qsol+(-Qs)。此時，用有效傳熱系數(shù)來表征其傳熱過程強烈程度，記為Keft=Qnet/(te-ti)。由于Qsol和Qs不易直接獲得，可通過計算太陽輻射和天空輻射修正系數(shù)εR，然后用εR乘以常規(guī)方法計算出的傳熱系數(shù)λ后獲得，即Keft=εR·λR[15-16]。

根據(jù)傳熱學原理，有效傳熱系數(shù)定義為

式中：λ—傳熱系數(shù)W/(㎡·k)；

ti—室內(nèi)干球溫度，℃；

t?—室外干球溫度，℃；

ts?eq—天空輻射當量溫度，℃；

tsol?eq—太陽輻射當量溫度，℃。

由Keft=εR·λ，得：

式中：ρ—外表面的太陽輻射吸收系數(shù)；

IH—水平面上的太陽輻射照度，W/㎡；

ɑe—外表面對流換熱系數(shù)，W/(㎡·k)。

天空輻射當量溫度ts?eq的計算方法如下：

式中：ɑer—輻射換熱系數(shù)，W/(㎡·k)；

ts—當量天空溫度，℃；

CH—低云量修正系數(shù)；

H—低云量晝夜平均值；

CM—中云量修正系數(shù)；

M—中云量晝夜平均值。

提問貫穿整個教學過程，能夠引導學生的思維由較低層次向較高層次發(fā)展，促成學生邏輯性、批判性和創(chuàng)造性等高級思維能力的形成。根據(jù)提問內(nèi)容以及認知層次,布魯姆(1956)將問題分為知識類、理解類、運用類、分析類、綜合類及評價類。該文主要根據(jù)布魯姆的問題分類對教師的提問進行分析。這六類問題涉及六個層次的認知能力，思維能力層層深入。

輻射換熱系數(shù)為

根據(jù)以上公式和預制艙內(nèi)最高環(huán)境控制溫度，結(jié)合四川省樂山市夏季極端最高溫度數(shù)據(jù)（+36?8℃），可以計算出天空輻射修正系數(shù)εR和預制艙的有效傳熱系數(shù)。

室內(nèi)干球溫度ti=25（℃），室外干球溫度t?=36?8（℃），通過試驗測得的玄武巖纖維復合預制件的太陽輻射吸收系數(shù)ρ=0?71，水平面上的太陽輻射照度IH=1100（W/㎡），預制艙外表面對流換熱系數(shù)ɑe=19[W/(㎡·k)]，半球發(fā)射率ε=0?81，低云量修正系數(shù)CH=0?68，低云量晝夜平均值H=0?13，中云量修正系數(shù)CM=0?47，中云量晝夜平均值M=0?27[17]。通過計算，天空輻射修正系數(shù)εR=4?322。

由于預制艙頂與預制艙體的材質(zhì)一樣，故艙頂?shù)挠行鳠嵯禂?shù)等于艙體的有效傳熱系數(shù)，即Keft=εR·λ。預制艙底下方為混凝土基礎電纜溝，空氣對流速度較低，不論冬季還是夏季，艙底都無太陽輻照，因此艙底有效傳熱系數(shù)Keft即為綜合傳熱系數(shù)λ，預制艙有效傳熱系數(shù)見表3。

表3 預制艙有效傳熱系數(shù)w（/m2·k）

3.3 預制艙冷熱負荷研究

預制艙要防凝露，控制艙內(nèi)環(huán)境溫度是關(guān)鍵，而要精準控制艙內(nèi)環(huán)境溫度，必須準確掌握艙內(nèi)冷熱負荷情況。

以該110 kV變電站工程為例，預制艙外形尺寸長L=26?4 m，高H=3?4 m，寬D=5?0 m，37面二次設備機柜呈雙列布置。按照預制艙內(nèi)環(huán)境溫度控制要求，結(jié)合樂山市環(huán)境極端溫度，當預制艙外環(huán)境溫度為極端最高溫度+36?8℃時，艙內(nèi)最高環(huán)境溫度應不超過+25℃，溫差△T=11?8（℃）；當預制艙外環(huán)境溫度為極端最低溫度-2?9℃時，艙內(nèi)最低環(huán)境溫度應不低于+18℃，溫差△T=20?9（℃）。

預制艙內(nèi)設備運行發(fā)熱、空調(diào)、加熱器補償熱功率和外部環(huán)境溫度通過預制艙圍護結(jié)構(gòu)的滲入，太陽輻射熱是主要熱源，在計算預制艙滲入熱時，通過艙體、艙頂和艙底的滲入熱和滲出熱應為各部分有效換熱表面積，即應扣除圍護結(jié)構(gòu)壁厚。

預制艙各部分圍護結(jié)構(gòu)的滲入（出）熱按式（19）計算：

Keft—預制艙有效傳熱系數(shù)，W/(㎡·k)

S—圍護結(jié)構(gòu)有效傳熱面積，㎡

△T—溫差，℃。

表4為該預制艙體、艙頂和艙底扣除圍護結(jié)構(gòu)壁厚后的有效傳熱面積和依式（19）計算的極端最高溫度滲入熱QSG和極端最低溫度運行時的滲出熱QSD。

表4 預制艙有效傳熱面積及極端溫度運行滲入(出)熱

極端最高溫度時通過圍護結(jié)構(gòu)滲入的熱量總和QSGZ=1 170?71（W）；極端最低溫度時通過圍護結(jié)構(gòu)滲出的熱量總和QSDZ=2 073?54（W）。

根據(jù)文獻[18]，該工程項目預制艙內(nèi)二次屏柜共37面，每面散熱功率按200 W/面計算；后臺計算機系統(tǒng)3套，每套散熱功率按900 W/套計算，可得預制艙設備運行散熱量Qe＝200×37+900×3=10 100（W）。

綜上可得，極端最高溫度時預制艙內(nèi)總發(fā)熱負荷QF=QSGZ+Qe=11 270?71（W）；極端最低溫度時預制艙內(nèi)總散熱負荷QS=QSDZ+Qe=12 173?54（W）。

3.4 預制艙溫度控制設計方案

預制艙采用空調(diào)、加熱器進行艙內(nèi)溫度調(diào)節(jié)時，根據(jù)上述計算結(jié)果，空調(diào)制熱量應大于12 173?54 W，制冷量應大于11 270?71 W，考慮設計冗余后，選用3臺（兩主一備）制熱功率為7 550 W、制冷功率為7 510 W，循環(huán)風量為1 400 m3/h，溫度調(diào)節(jié)范圍為+15oC～+30℃的分體落地式工業(yè)空調(diào)即可滿足艙體的溫度調(diào)節(jié)要求；同時，為了保證極端低溫下空調(diào)啟動和溫度保持，可以在艙內(nèi)配置1臺加熱功率為1 200 W強制風冷加熱器。

4 預制艙濕度控制設計方案

4.1 增強艙體密封性能

重點考慮底框縫隙、艙體縫隙、艙頂縫隙、艙體電纜進出線、艙門的密封措施，尤其是對于因艙體過大需分段運輸至變電站建設現(xiàn)場再行拼縫的艙體，應在拼縫處預埋鋼板，雙面焊接，焊縫長度25～30 mm，間距150 mm，拼縫處填充發(fā)泡劑并按1:2比例填充水泥砂漿灰，表面再刮水泥灰粘貼丙綸網(wǎng)格布，對于艙頂拼縫的密封還要整體熱鋪防水卷材，卷材上做噴石保護層。

此外，采取艙體電纜進出線位置加裝硅橡膠，通風孔加裝防水罩，凡能開啟的門板加裝三元乙丙材料制作的密封條等措施，增強預制艙的密封性能，避免潮氣進入艙體出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。

4.2 合理配置艙內(nèi)濕度控制設備

除濕機根據(jù)預制艙空間大小及現(xiàn)場環(huán)境配置，相對濕度為60%～80%時，按50㎡配置1臺除濕機計算。本工程預制艙面積為121?3㎡，除濕機數(shù)量n=121?3/50=2?426（臺），故在艙內(nèi)配置3臺除濕量為20 L/D（30℃80%RH），單臺除濕面積約為50～70 m2的除濕機可滿足濕度控制要求。

5 結(jié)語

以應用于四川省樂山市某110 kV智能變電站的基于玄武巖纖維復合材料的高性能纖維預制艙為研究對象，針對如何控制智能變電站高性能纖維預制艙的艙內(nèi)溫度和濕度，以防止產(chǎn)生凝露問題，提出了科學的艙內(nèi)溫濕度控制設備的配置方案。通過采用工程熱力學原理，計算了預制艙體熱工性能，對艙內(nèi)是否會出現(xiàn)冷凝水進行了創(chuàng)新性的驗算，研究了計及太陽輻射下的預制艙熱工參數(shù)以及艙內(nèi)冷熱負荷，計算了控制艙內(nèi)溫控設備換熱制冷需求量和控制艙內(nèi)除濕設備除濕需求量，據(jù)此做出的溫濕度控制設備配置方案設計，可以有效將艙內(nèi)溫濕度指標控制在規(guī)范要求的參數(shù)范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)預制艙內(nèi)任何情況下無凝露發(fā)生。