陳言桂

(集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,福建廈門361021)

0 引言

目前國內(nèi)大部分水電站地下發(fā)電機(jī)層多采用以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)來研究其廠房內(nèi)部通風(fēng)氣流的流動(dòng)與分布規(guī)律,該方法的應(yīng)用無論理論還是技術(shù)上均是成熟的,對于具有復(fù)雜布局的地下廠房,更能準(zhǔn)確地模擬原型內(nèi)部的流動(dòng)性狀,實(shí)現(xiàn)其氣流組織效果的預(yù)測或驗(yàn)證。為了確定瑯琊山抽水蓄能電站地下發(fā)電機(jī)層最佳的氣流組織方案,本文以相似理論為基礎(chǔ)建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?采用正交試驗(yàn)分析方法對多種試驗(yàn)方案進(jìn)行分析,最終選定最佳的氣流組織方案。

1 工程簡介

瑯琊山抽水蓄能電站是一個(gè)地下水電站。電站主廠房為發(fā)電機(jī)層,布置形式為主機(jī)間、安裝場及主變室呈一字形排列,自右至左依次為1#主變室、主機(jī)間 (1#、2#機(jī)組段)、安裝場、主機(jī)間(3#、4#機(jī)組段)和2#主變室。發(fā)電機(jī)層拱頂距地高14.0m,寬20.3m,安裝間長30.0m,主機(jī)間長101.1m。其4臺(tái)發(fā)電機(jī)散熱量159.5×4kW,下游側(cè)封閉母線散熱量 82.5kW,照明發(fā)熱量23.4kW,控制盤柜散熱量9.6kW。

根據(jù)甲方的要求,在送風(fēng)溫度為16.9℃,送風(fēng)速度為8m/s的頂送風(fēng),同時(shí)保證發(fā)電機(jī)層有2.5×104m3/h排風(fēng)量直接由安裝間排到安裝場下副廠房的條件下,考慮3種送風(fēng)量 (14.5×104m3/h、17.4×104m3/h和20.0×104m3/h),在均勻送風(fēng) (22個(gè)風(fēng)口布置)、不均勻送風(fēng) (16個(gè)風(fēng)口布置)和通過改變上下游排風(fēng)比例 (1∶2、1∶3和 1∶4)狀態(tài)下,研究其對工作區(qū)的氣流組織影響情況,以便最終能找出最佳氣流組織的組合方案。

2 模型試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與測點(diǎn)布置

2.1 模型試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用熱量阿基米德模型律為本試驗(yàn)的相似模型律。根據(jù)參考文獻(xiàn) [1]、[2]和資料 (1),此類水電站地下廠房通風(fēng)模型試驗(yàn)的原型雷諾數(shù)和模型雷諾數(shù)都處于雷諾數(shù)自模區(qū)。因此,只要遵循阿基米德模型律,就實(shí)現(xiàn)了原型和模型間的相似。模型的幾何比例尺按規(guī)定選取為1/18,進(jìn)而一一確定出送風(fēng)溫度比例尺為1,溫差比例尺為1,速度比例尺為1/4.2,風(fēng)量比例尺為1/1375,熱量比例尺為1/1375。

本模型本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮現(xiàn)有的材料以及加工制造方便。模型采用木工板制作,外殼采用20mm聚氯乙烯保溫材料進(jìn)行保溫;主廠房各層地面均采用18mm的木工板,發(fā)電機(jī)、母線、照明和控制盤柜的發(fā)熱量均用白熾燈、霓虹燈、滿天星等來模擬。

主要的測試儀器有:1)建筑環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)1套;2)testo425型智能熱線風(fēng)速儀1只;3)D26-W型功率表4臺(tái) (用于檢測模型熱源的功率和換氣扇的功率);4)KHG-25B型換氣扇8臺(tái)(2臺(tái)換氣扇用作模型送風(fēng)機(jī)和6臺(tái)用作埋管引風(fēng)機(jī));5)KFR-40GW/BM型分體式空調(diào)器 (模型送風(fēng)的冷源);6)KC-32B型窗式房間空調(diào)器 (降低試驗(yàn)環(huán)境的溫度);7)調(diào)壓變壓器10臺(tái) (調(diào)節(jié)換氣扇電壓和熱源電壓);8)軸流通風(fēng)機(jī)2臺(tái) (裝于風(fēng)道內(nèi)用于空調(diào)送風(fēng))。

2.2 測點(diǎn)布置

1#、2#機(jī)組段和3#、4#機(jī)組段的送風(fēng)管段上分別布置423、426號(hào)兩個(gè)測點(diǎn) (此兩測點(diǎn)僅為送風(fēng)溫度測點(diǎn))。發(fā)電機(jī)層工作區(qū)133mm高度 (原型2m高處)布置了101～122號(hào)共22個(gè)溫度、速度測點(diǎn);在上游側(cè)與下游側(cè)埋管附近均勻布置了A1～A12個(gè)測點(diǎn)。測點(diǎn)平面布置圖如圖1。

圖1 測點(diǎn)平面布置圖

3 正交試驗(yàn)安排結(jié)果與分析

根據(jù)甲方的要求,將要進(jìn)行18次試驗(yàn),工作量太大。這里采用正交表L9(34)來進(jìn)行正交試驗(yàn)[4]安排,只需做9次試驗(yàn),使試驗(yàn)次數(shù)減少了一半。按正交試驗(yàn)安排的9種工況下模型的測試與處理結(jié)果,計(jì)算出了九種工況的能量利用系數(shù) η、平均溫度tm、溫度不均勻系數(shù)Kt、速度不均勻系數(shù)Kv,作為評(píng)價(jià)氣流組織效果的四個(gè)綜合指標(biāo)。正交試驗(yàn)安排與指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表1。

由于四個(gè)指標(biāo)各有優(yōu)缺點(diǎn),屬于多目標(biāo)決策問題,這里對正交分析的初步分析采用層次分析法(AHP)。其基本原理見參考文獻(xiàn) [4]。

3.1 層次分析法 (AHP)分析過程

3.1.1 建立層次結(jié)構(gòu)關(guān)系 由表1建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型。9個(gè)試驗(yàn)號(hào)是需要比較選擇的方案,為操作的最低層即方案層;能量利用系數(shù)、平均溫度、Kt、Kv列為準(zhǔn)則層;最高層次及目標(biāo)層是一個(gè)能量利用系數(shù)高、平均溫度低、Kt低和Kv低的方案。

3.1.2 構(gòu)造判斷矩陣 對于總目標(biāo)層來說,準(zhǔn)則層的各項(xiàng)準(zhǔn)則,優(yōu)先次序應(yīng)根據(jù)當(dāng)前工程的具體要求而定。薩迪教授運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論[3],集人類判別事物好壞、優(yōu)劣、輕重、緩急的經(jīng)驗(yàn)方法,提出一種1-9標(biāo)度法,對不同的情況的比較結(jié)果給以數(shù)量標(biāo)度,見表2。這里首先要考慮能量利用系數(shù)高 (C1),其次要求平均溫度低 (C2)、再次才考慮Kt低 (C3)和Kv低 (C4),根據(jù)表2構(gòu)造G-C判斷矩陣,如表3所示。

表1 正交試驗(yàn)安排及結(jié)果

表2 1～9標(biāo)度法

表3 G-C判斷矩陣

同理通過兩兩比較法可分別構(gòu)造C1-P,C2-P,C3-P,C4-P判斷矩陣,見表4、表5、表6和表7。

表4 C1-P

表5 C2-P

表6 C3-P

表7 C4-P

3.1.3 層次單排序和層次總排序

判斷矩陣是針對上一層次而言進(jìn)行兩兩比較的評(píng)定數(shù)據(jù),層次單排序就是把本層所有各元素對相鄰上一層某元素來說排出一個(gè)評(píng)比的優(yōu)先次序,即求判斷矩陣的特征向量。層次單排序見表8。

利用層次單排序的計(jì)算結(jié)果,進(jìn)一步綜合計(jì)算出對更上一層 (或總目標(biāo)層)的優(yōu)化次序就是層次總排序。其值為每個(gè)P層的特征向量子項(xiàng)與C層的特征向量子項(xiàng)乘積之和,其值越大說明方案越好。層次總排序見表8。

從表8可以看出,方案P5的層次分析結(jié)果值最大,故方案P5為最優(yōu)方案。

表8 層次總排序

3.2 正交試驗(yàn)的二次分析

由于本次只作了9組試驗(yàn),可能存在著其他更優(yōu)方案并未在這9組試驗(yàn)中,這就需要對正交表進(jìn)一步分析可能存在的最優(yōu)方案。正交試驗(yàn)的二次分析結(jié)果見表9。

表9中:

Ki為任一列上水平號(hào)為i(i=1,2,3)時(shí)對應(yīng)的層次分析法結(jié)果之和,其指標(biāo)越大越好;

K′i表示任一列上因素取水平i時(shí)的次分析法結(jié)果算術(shù)平均值;

△K為級(jí)差,在任一列上 △K=max(K′1,K′2,K′3)-min(K′1,K′2,K′3), 級(jí)差越大, 表示該列因素的數(shù)值變化,會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)值上更大的變化,也就是最主要因素。

由表9可以看出:二次分析得出因素的重要程度A＞B＞C,因素C的影響最小,重要程度最低,可見不均勻風(fēng)口布置方式對改善工作區(qū)的流場的效果不明顯;可能最優(yōu)方案是A2B2C3(1)(即P5)。

表9 正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)3.1.3節(jié)分析得出的最優(yōu)方案為P5和二次分析最優(yōu)方案P5,可以確定使發(fā)電機(jī)層氣流組織最優(yōu)的為P5,即送風(fēng)量為126.5m3/h,上下游比例為1∶3,均勻送風(fēng)口布置。

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)與層次分析進(jìn)行方案優(yōu)選,就本次試驗(yàn)結(jié)果分析而言,送風(fēng)口布置對工作區(qū)的平均溫度和速度沒有太大的影響,影響的只是工作區(qū)溫度和速度分布的均勻性。

由正交試驗(yàn)得出的最優(yōu)方案P5(送風(fēng)量為126.5m3/h,上下游比例為1∶3,均勻送風(fēng)口布置),它的能量利用系數(shù)、工作區(qū)平均溫度、溫速度分布的均勻總體相對于其它方案要好些。

[1] 付祥釗.水電站地下主廠房頂送風(fēng)研究[J].暖通空調(diào).1996(1):59-62

[2] 田忠保.水電站地下廠房頂部送風(fēng)氣流組織試驗(yàn)[J].西北水電.1996(1):47-52

[3] 劉振學(xué),黃仁和.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005,4:62-74

[4] 樊勝軍.層次分析法在建設(shè)工程評(píng)標(biāo)中的應(yīng)用 [D].西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.2003,4:32-43