基于溫濕分布及流場(chǎng)仿真的高壓配電室通風(fēng)優(yōu)化

陳 洋 孔 萌 王冰全

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

0 引 言

配電室作為系統(tǒng)中分配電能以及連接電網(wǎng)和用戶的重要環(huán)節(jié),安全穩(wěn)定的運(yùn)行是用電安全的保障。然而配電室內(nèi)各種電氣設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)對(duì)周圍環(huán)境要求較高,根據(jù) GBT 11022-1999高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的公用技術(shù)要求,高壓配電室開關(guān)設(shè)備周圍空氣溫度不超過(guò)40 ℃,其次為防止在溫度和氣壓驟變出現(xiàn)凝露從而產(chǎn)生絕緣擊穿或金屬性腐蝕等效應(yīng),在此規(guī)定高壓開關(guān)設(shè)備周圍的濕度條件規(guī)定其平均相對(duì)濕度不超過(guò)80%。然而,目前所存在的配電室溫濕環(huán)境控制系統(tǒng)仍然存在自然和機(jī)械通風(fēng)之間的協(xié)調(diào)難、耗能較大、除濕降溫效果不顯著等問題[1-2]。所以進(jìn)一步研究現(xiàn)有環(huán)境控制系統(tǒng)的配電室內(nèi)溫度和濕度分布,以及考慮自然對(duì)流在內(nèi)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬,對(duì)室內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和通風(fēng)設(shè)備的布置以及參數(shù)配置具有一定的工程指導(dǎo)意義。

在此前的一些研究中,文獻(xiàn)[3]從實(shí)際工程出發(fā), 分析并總結(jié)了變電所通風(fēng)設(shè)計(jì)的原則和方法。文獻(xiàn)[4]對(duì)幾種空調(diào)通風(fēng)方案進(jìn)行比較分析, 從而優(yōu)化了室內(nèi)變電所通風(fēng)設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[5]模擬了不同送風(fēng)參數(shù)條件下地板送風(fēng)系統(tǒng)的室內(nèi)送風(fēng)口以及工作區(qū)的溫度梯度, 得出送風(fēng)參數(shù)對(duì)室內(nèi)溫度的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[6]利用Fluent 流體力學(xué)軟件模擬了變壓器室的溫度和氣流分布,給出了優(yōu)化的通風(fēng)設(shè)計(jì)方案,文獻(xiàn)[7]在具體的通風(fēng)布置下,對(duì)高壓配電室進(jìn)行了溫濕度模擬,得出不同室內(nèi)高度溫濕度的分布規(guī)律。

綜上所述,在實(shí)際投入運(yùn)行的環(huán)境控制系統(tǒng)中也存在不合理導(dǎo)致效果不佳等現(xiàn)象,同時(shí)對(duì)高壓配電室的溫濕分布和流場(chǎng)模擬的研究仍需深入。本文以河南省鄭州市柳林變電站的典型配電室結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)測(cè)量尺寸和四種通風(fēng)布置方案,在建立簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合流體力學(xué)原理和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù),綜合考慮自然對(duì)流和輻射的影響,采用ZERO湍流模型和 Boussinesq假設(shè)對(duì)室內(nèi)四種通風(fēng)布置下室內(nèi)溫濕度分布以及氣流走勢(shì)進(jìn)行仿真分析和比較,進(jìn)行通風(fēng)布置的優(yōu)化設(shè)計(jì),得出最優(yōu)的通風(fēng)組合設(shè)計(jì)。提高了控制系統(tǒng)的合理性和經(jīng)濟(jì)性以達(dá)到降低能耗的目的。

1 數(shù)學(xué)模型和簡(jiǎn)化分析

1.1 溫度控制方程

配電室內(nèi)溫度分布主要受室內(nèi)配電柜設(shè)備儀器發(fā)熱和散熱與周圍環(huán)境條件的兩個(gè)因素綜合影響。室內(nèi)所有熱源幾乎來(lái)自配電柜內(nèi)的設(shè)備,熱量通過(guò)接觸電阻和導(dǎo)體傳輸電流時(shí)的焦耳損耗產(chǎn)生,經(jīng)過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、熱輻射的能量傳遞和交換后,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間與周圍空氣之間達(dá)到傳出的熱量與產(chǎn)生的熱量之間的平衡。這些熱量傳遞過(guò)程遵循熱力學(xué)定律[8],流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程遵循不可壓縮流體N-S控制方程[9]。具體方程如式(1)所示。

(1)

式中:T、T1、T2、TS、Tl為各相溫度;kx、ky、kz分別為x方向、y方向和z方向上的熱導(dǎo)率;q為生成的熱能;q*為熱流密度;α為對(duì)流換熱系數(shù);Q為熱流率;ε為吸射率;σ為斯忒藩-波爾茲曼常數(shù);S1為輻射面1的面積;F12為從面1到面2的形狀系數(shù)。

當(dāng)空氣流速較慢時(shí),可視為不可壓縮流體。對(duì)于不可壓縮流體,其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和求解遵循連續(xù)性控制方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程如下:

(2)

式中:Ux、Uy、Uz分別代表x方向、y方向和z方向上的速度矢量;v為動(dòng)力粘性系數(shù);P為壓力;Q為單位體積產(chǎn)生熱量的速率;T為溫度;C為定容熱容;ρ為流體密度;α為熱擴(kuò)散系數(shù)。

1.2 濕度控制方程

假設(shè)配電室內(nèi)的水分蒸發(fā)源主要為藏于地下的電纜溝道,各壁面散濕量忽略不計(jì),濕度主要取決于蒸發(fā)源蒸發(fā)和室外環(huán)境含濕量?？諝夂瑵窳靠梢杂媒^對(duì)濕度和相對(duì)濕度來(lái)表征,然而,絕對(duì)濕度在不同材料交界的地方不是連續(xù)的,而相對(duì)濕度卻是連續(xù)的,所以濕氣的擴(kuò)散和計(jì)算一般采用相對(duì)濕度來(lái)表征含濕量。

另外,溫度場(chǎng)的分布會(huì)影響濕度的擴(kuò)散系數(shù)和材料的飽和含濕量,因此計(jì)及溫度場(chǎng)對(duì)濕度分布影響因子,可將濕度控制方程表達(dá)為如下形式[10]:

(3)

式中:D為濕度擴(kuò)散系數(shù);K為水分的單位溫度變化量;H為配電室內(nèi)部的相對(duì)濕度;e表示空氣中的水汽壓;ew表示該溫度下飽和水汽壓;ρw為絕對(duì)濕度;ρwmax為最大絕對(duì)濕度。

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和濕氣擴(kuò)散規(guī)律得知,在環(huán)境溫度為25 ℃時(shí),由式(3)計(jì)算得出初始環(huán)境參數(shù)的相對(duì)濕度取為0.77。

2 不同通風(fēng)模式下的物理模型

2.1 模型建立

開關(guān)柜的內(nèi)部的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,電氣設(shè)備較多,完全按照實(shí)際模型建立三維仿真模型會(huì)包含很多形狀復(fù)雜的零部件。這樣會(huì)大大影響仿真的速度,所以對(duì)原始模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化再進(jìn)行仿真計(jì)算,既能節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間,同時(shí)也可以得到誤差較小的結(jié)果。對(duì)于溫度傳遞過(guò)程而言,配電柜只考慮熱源和外殼,室壁上的門窗結(jié)構(gòu)通過(guò)壁面來(lái)簡(jiǎn)化處理。這樣做的話,會(huì)大大減少建模步驟,同時(shí)也會(huì)加快仿真速度,同時(shí)對(duì)仿真的精度也不會(huì)有很大的影響。

送風(fēng)口建模采用一種普遍方法, 即將風(fēng)口簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)寬與原風(fēng)口采用相同尺寸矩形開口,矩形開口面積取為風(fēng)口的有效面積, 出風(fēng)口按照實(shí)際簡(jiǎn)化為圓形風(fēng)口,所有尺寸完全與實(shí)際尺寸相同,采用1∶1比例得出模型的風(fēng)口尺寸。

根據(jù)配電柜面對(duì)面布置配電室的基本結(jié)構(gòu)和實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)可知,配電室外墻的尺寸為長(zhǎng)20 m、寬10 m、高5 m的長(zhǎng)方體區(qū)域。內(nèi)部并排放置著兩排配電柜設(shè)備,設(shè)備之間接觸,每排間距為2 m,所有柜體簡(jiǎn)化為長(zhǎng)寬高分別為2 m、1 m和1 m的空心長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。進(jìn)風(fēng)口尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)2 m、寬1 m,幾何中心離地面0.5 m。出風(fēng)口半徑設(shè)計(jì)為1 m,圓心距離地面2.5 m。

建立物理模型,基本模型由部分組成如表1所示。

表1 模型組成

在確定送風(fēng)量、送風(fēng)速度恒定的情況下,采用4個(gè)送風(fēng)口,通過(guò)設(shè)置不同送風(fēng)口位置、排風(fēng)開口位置,組合成 4種不同的通風(fēng)組合的模式,表2為模式1-模式4的通風(fēng)布置方式,建立的配電室物理模型如圖1所示。

表2 通風(fēng)布置

2.2 網(wǎng)格劃分

將所建模型在ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格處理,網(wǎng)格的劃分精確與否關(guān)系到計(jì)算結(jié)果精確程度,對(duì)于不同的單元網(wǎng)格劃分需要不同的方法,要綜合考慮網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量?jī)蓚€(gè)影響計(jì)算結(jié)果的重要因數(shù)。網(wǎng)格數(shù)量的增加,在提高計(jì)算精度的同時(shí)也會(huì)增加計(jì)算的規(guī)模,網(wǎng)格質(zhì)量是網(wǎng)格的幾何形狀,基本要求是各邊內(nèi)角差值、網(wǎng)格面扭曲率不大;邊界位置附近的網(wǎng)格質(zhì)量良好。

為解決計(jì)算精度和速度之間的矛盾關(guān)系,綜合考慮自然對(duì)流散熱和風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷兩個(gè)溫度影響因素,需要精確地控制在熱量傳遞方向上的空氣網(wǎng)格尺寸和形狀。而柜體和周圍空氣之間的溫度梯度較大,邊界處的網(wǎng)格密度影響著結(jié)果的收斂性和精度。所以為綜合考慮計(jì)算速度和精度,在溫度梯度大的區(qū)域加密網(wǎng)格保證仿真精度,在其他區(qū)域適當(dāng)稀疏網(wǎng)格提高仿真的計(jì)算速度。最終本文模型網(wǎng)格有110多萬(wàn)個(gè)單元,并且網(wǎng)格質(zhì)量均在0.5以上,滿足仿真要求。

3 仿 真

3.1 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

流體的層流和湍流是兩種不同的基本流態(tài),它們的區(qū)分變化可由雷諾數(shù)來(lái)量化。雷諾數(shù)較小時(shí)(一般小于2 000)為層流,當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí),就會(huì)發(fā)展成為不規(guī)則的湍流。根據(jù)本文所建的配電室模型,系統(tǒng)計(jì)算流體空間的雷諾數(shù)達(dá)到數(shù)萬(wàn),屬于湍流流態(tài),所以選擇湍流模型,在分析時(shí),能量方程選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型,能量控制方程由式(2)得出。

通風(fēng)量的確定需要依據(jù)散熱所需通風(fēng)量和除濕所需通風(fēng)量之和。但是,由于配電室周圍沒有明顯的水分蒸發(fā)源,所以在確定通風(fēng)量時(shí)主要考慮散熱因素[11-12],計(jì)算公式如下:

(4)

式中:Q為熱源總功率;TM為室內(nèi)最高設(shè)計(jì)溫度,取40 ℃;TO為送風(fēng)溫度,取25 ℃;C為空氣比熱容,取1 kJ/(kg·℃)。ρ為空氣密度,取1.2 kg/m3。

通過(guò)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)取值和精確計(jì)算后,壁面除風(fēng)口外均采用絕熱條件,其他仿真參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 結(jié)果分析

在軟件環(huán)境下,進(jìn)風(fēng)位置、出風(fēng)位置設(shè)定根據(jù)模式1-模式4所示物理模型確定,按照以上所確定仿真參數(shù)數(shù)據(jù),模擬模式1-模式4的溫濕度分布、氣流分布和走勢(shì)。

溫濕度分布圖可模擬溫濕度在室內(nèi)各區(qū)域的分布,模擬圖中可觀測(cè)最高溫濕度與最低溫濕度,從而可確定工況是否能滿足設(shè)備所需要求。氣流分布和走勢(shì)圖可模擬新風(fēng)在室內(nèi)各區(qū)域的流動(dòng)速度。

圖2-圖21分別選取室內(nèi)高度為1.5 m和2.5 m溫濕度截面分布圖、柜體周圍氣流走勢(shì)圖。室內(nèi)最高和最低溫濕度分布于1.5 m和2.5 m截面處。

圖2 模式1,1.5 m處溫度 圖3 模式2,1.5 m處溫度

圖4 模式3,1.5 m處溫度 圖5 模式4,1.5 m處溫度

圖6 模式1,2.5 m處溫度 圖7 模式2,2.5 m處溫度

圖8 模式3,2.5 m處溫度 圖9 模式4,2.5 m處溫度

圖10 模式1,1.5 m處濕度 圖11 模式2,1.5 m處濕度

圖12 模式3,1.5 m處濕度 圖13 模式4,1.5 m處濕度

圖14 模式1,2.5 m處濕度 圖15 模式2,2.5 m處濕度

圖16 模式3,2.5 m處濕度 圖17 模式4,2.5 m處濕度

圖18 模式1氣流分布 圖19 模式2氣流分布

四種模式下,配電室溫濕度分布及氣流速度分布比較說(shuō)明情況如表4所示。

表4 溫濕度及氣流分布比較

由圖2-圖21和表4中數(shù)據(jù)分析得知,模式1和模式4送風(fēng)覆蓋率能滿足設(shè)備周圍通風(fēng)要求,室內(nèi)相對(duì)濕度也滿足低于80%,模式2和模式3的送風(fēng)覆蓋率稍低;從溫度分布來(lái)看,模式4室內(nèi)最高溫度維持于40 ℃左右,基本滿足室內(nèi)溫度低于40 ℃的要求,其余三種模式稍高,其次模式4下柜體周圍的風(fēng)速分布均勻,流場(chǎng)形成穩(wěn)定層流,能有效地防止一些有害物質(zhì)停留在柜體表面。因此,工況模擬結(jié)果分析可得出模式4的溫濕度分布和氣流分布能夠較好地滿足設(shè)備的溫度要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)建模并仿真計(jì)算了四種不同通風(fēng)布置模式下高壓配電室內(nèi)部溫濕度和氣流分布,根據(jù)所得模式1-模式4溫濕度分布與氣流分布對(duì)比分析得出如下結(jié)論:

(1) 進(jìn)出口不對(duì)稱布置導(dǎo)致氣道截?cái)?、氣流不通?導(dǎo)致模式3的室內(nèi)最高溫度高于其他模式下的室內(nèi)最高溫度,所以進(jìn)、出風(fēng)口采用對(duì)稱布置,有益于氣道通暢、氣流均勻分布、室內(nèi)降溫除濕。

(2) 模式1和模式2比模式3和模式4,室內(nèi)最高溫度高5 ℃～10 ℃,這是由于進(jìn)出口采用不用壁面布置的原因。由此可見進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口組合布置優(yōu)于單獨(dú)布置,更有利于風(fēng)場(chǎng)的整體流動(dòng)。

(3) 模式4具有最優(yōu)的溫濕度分布和氣流走勢(shì),可見進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口組合對(duì)稱布置,有效地使風(fēng)場(chǎng)均勻分布于配電柜周圍,使室內(nèi)氣流形成穩(wěn)定層流,更好地控制室內(nèi)溫濕環(huán)境。