高學(xué)平，李 偉，宋慧芳，張尚華

（1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實驗室，天津 300072；2.河北省 電力勘測設(shè)計研究院，石家莊市 050031）

隨著社會進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，用電需求越來越大，220kV變電站的建設(shè)不斷加快。由于城市規(guī)劃要求和土地資源限制，戶內(nèi)變電站逐漸成為變電站建設(shè)的首選。在220kV戶內(nèi)變電站設(shè)計中，變壓器室等大量散熱廠房的通風(fēng)是難點(diǎn)問題。常規(guī)的設(shè)計方法是利用需要通風(fēng)的建筑物面積乘以其通風(fēng)次數(shù)，得到通風(fēng)量后根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型和布置。

該方法僅考慮通風(fēng)量，風(fēng)機(jī)近似均勻布置，很難準(zhǔn)確預(yù)知室內(nèi)空氣流動，不能確保室內(nèi)沒有通風(fēng)死角，對于變壓器室這種高溫廠房留下較大安全隱患。

目前，對戶內(nèi)變電站變壓器室通風(fēng)設(shè)計的研究可分為兩方面：一方面是依據(jù)相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，通過計算熱源總散熱量和所需通風(fēng)量，進(jìn)行通風(fēng)設(shè)備的選型和布置研究[1－3]；另一方面采用CFD方法，研究戶內(nèi)變電站主變本體與散熱器分室布置時主變本體的通風(fēng)[4－6]，但是對散熱問題更加突出的主變本體與散熱器同室布置通風(fēng)研究很少。

本文利用CFD軟件，結(jié)合實際工程，模擬主變本體與散熱器同室布置的變壓器室通風(fēng)，研究變壓器室內(nèi)溫度場和速度場，總結(jié)出進(jìn)風(fēng)口影響變壓器室通風(fēng)的規(guī)律，為變壓器室通風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)。

1 控制方程及計算方法

本文研究的是三維穩(wěn)態(tài)的不可壓縮的湍流流動問題，湍流計算采用k-ε紊流模型[7－8]，輻射模型采用離散坐標(biāo)模型[9]，考慮溫度對密度的影響，采用近似[10]處理因溫差引起的浮升力項?；究刂品匠贪ㄟB續(xù)性方程、動量方程、能量方程、k方程和ε方程，其通用微分方程[11－12]為：

控制方程的離散采用有限體積法，二階迎風(fēng)格式，壓力－速度耦合采用SIMPLE算法，離散方程求解采用TDMA（三對角矩陣計算程式）法，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2 模型驗證

根據(jù)上述控制方程及計算方法，對文獻(xiàn)[4]某變壓器室通風(fēng)條件下的溫度場和速度場進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬值與文獻(xiàn)實測值進(jìn)行對比，驗證模型的有效性。

文獻(xiàn)[4]對該變壓器室通風(fēng)條件下各測點(diǎn)溫度和速度進(jìn)行了現(xiàn)場實測，測點(diǎn)分布在進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口附近及室中間位置，編號為1至14。該變壓器室電壓等級為110kV，采用油浸式變壓器，變壓器室尺寸為8m×8m×10m（X×Y×Z），如圖1。主變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行時發(fā)熱量總和約為300kW，其中變壓器本體發(fā)熱量約占10%，即發(fā)熱量約30kW。變壓器室通風(fēng)方案是自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)，

進(jìn)風(fēng)由百葉風(fēng)口自然補(bǔ)入，排風(fēng)由設(shè)在變壓器室上空的軸流式風(fēng)機(jī)排出，排風(fēng)風(fēng)量7000m3／h。

圖1 變壓器室布置圖

圖2是模擬值和實測值的對比情況，溫度和速度的模擬值和實測值吻合均較好，說明本文采用的數(shù)學(xué)模型用于變壓器室內(nèi)溫度場和速度場的模擬是可行的。

3 計算結(jié)果及分析

利用上述驗證的數(shù)值模擬計算方法和數(shù)學(xué)模型，對某220kV戶內(nèi)變電站變壓器室進(jìn)行研究。

該220kV戶內(nèi)變電站，并排布置4間變壓器室，室內(nèi)各裝一臺油浸式變壓器，變壓器負(fù)載功率690kW，空載功率115kW，總功率為805kW，其中1號和4號變壓器室備用。變壓器室采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的通風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)口為百葉風(fēng)口，入流有效面積為7.090m2，屋頂設(shè)4臺軸流式風(fēng)機(jī)，每臺風(fēng)機(jī)排風(fēng)量34340m3／h。

圖2 模擬值和實測值對比

3.1 模型建立

由于4間變壓器室的體型和布置均相同，選取2號變壓器室作為模擬對象，建立模型。2號變壓器室左墻、右墻、后墻分別緊鄰3號變壓器室、1號變壓器室、廠房。鑒于變壓器室的大空間、高發(fā)熱量的特性，變壓器機(jī)體上的高壓套管和油枕等突出部分，因體積相對較小，對氣流的影響不大，故將其忽略[4]。考慮到百葉風(fēng)口、主變本體和散熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建模時網(wǎng)格必須劃分至mm的量級，而為了模擬室內(nèi)空氣流動情況，計算區(qū)域必須達(dá)到m的量級。這樣，對于實際問題而言，必將導(dǎo)致計算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量巨大，超過目前一般計算機(jī)的計算能力，故在建模時，將百葉風(fēng)口按照“基本模型”[12－13]簡化為矩形開口，將主變本體和散熱器用長方體代替。網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對進(jìn)、排風(fēng)口及主變本體、散熱器等進(jìn)行局部加密，其它區(qū)域網(wǎng)格盡量均勻。

變壓器室模型如圖3，坐標(biāo)X為長度方向，Y為寬度方向，Z為高度方向。變壓器室15m×15m×10.9m（X×Y×Z），排風(fēng)口半徑0.575m，斷面面積共4.130m2，進(jìn)風(fēng)口8.625m×0.822m（X×Z）。主變本體和散熱器模型尺寸分別為3.084m×10.524m×3.727m和1.350m×9.130×3.000m（X×Y×Z）。為便于比較各工況通風(fēng)效果，重點(diǎn)分析X＝9.5m截面的溫度場和速度場，該鉛直截面過散熱器和進(jìn)風(fēng)口。

3.2 邊界條件

考慮到夏季運(yùn)行工況時，變壓器室外溫度高，散熱量大且不易排出，本文僅對夏季變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行工況進(jìn)行模擬。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，夏季室外溫度29.9℃，壓強(qiáng)為101.3kPa。

1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)

變壓器室的前側(cè)墻體和頂部，視為具有一定熱傳導(dǎo)作用和厚度的非熱源，變壓器室底部、后側(cè)和左、右側(cè)墻體視為絕熱邊界。

2）進(jìn)風(fēng)口

根據(jù)實際情況，將百葉風(fēng)口按照“基本模型”簡化為矩形開口，給定壓強(qiáng)，數(shù)值為當(dāng)?shù)卮髿鈮?01.3kPa，溫度設(shè)為夏季室外溫度29.9℃。

圖3 變壓器室模型圖

3）排風(fēng)口

四臺軸流式風(fēng)機(jī)排風(fēng)量和排風(fēng)口面積一定，排風(fēng)口設(shè)為速度邊界，數(shù)值為9.26m／s，方向沿排風(fēng)口法線方向。

4）主變本體

主變本體散熱量相對散熱器較小，將其視為具有一定熱傳導(dǎo)作用的非熱源[15]。

5）散熱器

變壓器室內(nèi)僅考慮散熱器發(fā)熱，假設(shè)散

熱器表面散熱均勻，取熱流密度為常數(shù)，由變壓器總功率與散熱器模型散熱面積可得熱流密度大小。

3.3 計算工況

在變壓器室?guī)缀纬叽纭⑴棚L(fēng)口及熱源分布不變的情況下，通過改變進(jìn)風(fēng)口位置和面積，研究變壓器室內(nèi)溫度場、速度場以及各特征溫度值的變化規(guī)律。工況一進(jìn)風(fēng)口位于底部，面積7.090m2；工況二將進(jìn)風(fēng)口向上平移2.579m，面積不變；工況三將進(jìn)風(fēng)口向上平移4.491m，面積不變；工況四將進(jìn)風(fēng)口向左平移4.000m，面積不變；工況五進(jìn)風(fēng)口位于底部，面積沿長度向增加3.290m2；工況六進(jìn)風(fēng)口位于底部，面積沿高度向增加3.290m2，如圖4所示。

圖4 各工況示意圖

圖5和圖6分別為各工況X＝9.5截面的溫度分布和速度分布。從圖中看出，由于工況一、工況五、工況六進(jìn)風(fēng)口均位于底部，新進(jìn)空氣沿底部和后側(cè)墻面直接流向排風(fēng)口，該部分空氣速度較大，溫度較低；散熱器周圍空氣溫度明顯高于其他區(qū)域，這是由于散熱器附近的熱傳導(dǎo)作用比較劇烈。另外，由于散熱器背風(fēng)側(cè)空氣流動不順暢，大量懸浮熱空氣無法排出，導(dǎo)致該區(qū)域溫度較高；頂部區(qū)域在進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口共同作用下，形成若干環(huán)流區(qū)，該區(qū)域空氣速度較小，與其他區(qū)域換熱效果不明顯。另外，由于進(jìn)風(fēng)口面積增加，工況五、工況六截面平均速度均小于工況一，截面平均溫度也有所減小。

工況二新進(jìn)空氣與散熱器發(fā)生碰撞后，一部分向下流動，在散熱器前形成一個局部環(huán)流區(qū)，造成一部分新進(jìn)空氣停滯不前；中部區(qū)域受向上流動的冷空氣影響，溫度在40℃左右，散熱器背風(fēng)一側(cè)空氣速度較小，流通性較差，溫度較高；頂部區(qū)域受向上流動空氣和排風(fēng)口的影響，形成兩個環(huán)流區(qū)，該區(qū)域空氣速度較小，溫度較低。相比原設(shè)計方案，進(jìn)風(fēng)口向上平移一段距離，致使一部分新進(jìn)的冷空氣偏向散熱器上方流動，增加了散熱器與冷空氣的有效對流路徑，改善了散熱器周圍的通風(fēng)效果。相比工況一，工況二截面平均溫度明顯減小。

工況三新進(jìn)空氣沿散熱器上方流動一段距離后，一部分向下流動至散熱器前部形成環(huán)流區(qū)，致使熱空氣在此處停滯不前，局部溫度過高，另一部分空氣在排風(fēng)口的卷吸作用下向上流動，形成一個較大環(huán)流區(qū)?？梢?，進(jìn)風(fēng)口移至散熱器以上，一部分新進(jìn)的冷空氣向上直接從排風(fēng)口排出，少部分與散熱器對流換熱后停滯在散熱器周圍無法排出，致使截面平均溫度偏高，通風(fēng)效果較差。

工況四由于截面不過進(jìn)風(fēng)口，導(dǎo)致散熱器周圍空氣速度偏小，空氣流動不暢。另外，除前部和后部較小區(qū)域溫度較低外，其他區(qū)域的溫度普遍偏高，截面溫度分布不均勻。

圖5 各工況X＝9.5截面溫度分布／℃

圖6 各工況X＝9.5截面速度分布／m·s－1

圖7給出了各工況X軸截面平均溫度的變化情況。散熱器X向長度范圍9.122～10.472m。從圖中看出，各截面平均溫度沿X方向變化規(guī)律基本一致：變壓器室左側(cè)溫度較低，且變化比較平緩，溫度分布較均勻，基本分布在40℃以下，散熱器周圍區(qū)域溫度明顯較大，在X＝10.5m處（該截面位于散熱器右側(cè)28mm）達(dá)到峰值，隨后溫度有所降低，但由于逐漸遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口，空氣流動不暢，室內(nèi)右側(cè)溫度有所回升。工況二各截面溫度較低且變化較小，這說明變壓器室溫度分布較為均勻。工況三各截面溫度偏高。由于進(jìn)風(fēng)口左移，工況四室內(nèi)左側(cè)溫度較低，右側(cè)偏高。工況五和工況六溫度變化曲線均位于工況一以下，這說明增大進(jìn)風(fēng)口面積有利于變壓器室通風(fēng)降溫。相比工況五，工況六散熱器周圍溫度較低。

圖8給出了各工況Y軸截面平均溫度的變化情況。散熱器Y向?qū)挾确秶?.515～12.645m。從圖中看出，工況一、工況六變化規(guī)律基本一致，靠近進(jìn)風(fēng)口處溫度較低，隨后在散熱器作用下溫度有升高的趨勢但升高不明顯，在散熱器后側(cè)溫度降低后又回升。工況二通風(fēng)效果較好，各截面溫度較低。工況三各截面溫度逐漸升高，最高達(dá)54.7℃，通風(fēng)效果較差。工況四、工況五變化規(guī)律基本一致，但由于工況五是在工況四基礎(chǔ)上增大進(jìn)風(fēng)口面積，各截面溫度較工況四小。

圖7 X軸各截面平均溫度變化曲線圖

圖8 Y軸各截面平均溫度變化曲線圖

圖9給出了各工況Z軸截面平均溫度的變化情況。散熱器Z向高度范圍1.491～4.491m。從圖中看出，除工況二和工況三，各截面平均溫度沿Z方向變化規(guī)律基本一致，進(jìn)風(fēng)口附近溫度較低，隨著高度增加，溫度逐漸增大，最后趨于平緩，在45℃左右，這說明溫度在高度方向分布較均勻。工況二通風(fēng)效果較好，各截面溫度較低，進(jìn)風(fēng)口中心高度為2.990m，其附近截面溫度最低為39.3℃，工況三各截面溫度較高且變化幅度較大，溫度分布不均勻，進(jìn)風(fēng)口中心高度為4.902m，其附近截面溫度最低為45.1℃。

圖9 Z軸各截面平均溫度變化曲線圖

為進(jìn)一步對比各工況的通風(fēng)效果，選取室內(nèi)平均溫度、主變本體周圍溫度、散熱器周圍溫度作為分析對象。由表1看出，各工況室內(nèi)平均溫度大小不均，工況三最大，為50℃，工況二最小，為42℃，降低了16%；主變本體周圍溫度除工況三，其他均低于40℃，工況二最小，為38℃，工況三最大，為59℃，降低了36%；散熱器周圍溫度普遍較高，工況三最大，為76℃，工況二最小，為60℃，降低了21%。

表1 特征溫度值／℃

4 結(jié) 論

戶內(nèi)變電站變壓器室由于受到土地資源和建筑結(jié)構(gòu)的限制，一方面常將主變本體與散熱器同室布置，這給變壓器室的通風(fēng)散熱帶來困難，另一方面常將變壓器室與其他廠房緊鄰布置，這對變壓器室通風(fēng)設(shè)計的靈活性有一定影響。本文依據(jù)工程實際，模擬了夏季變壓器室的溫度場和速度場，研究進(jìn)風(fēng)口對變壓器室通風(fēng)效果的影響。

1）通過模擬值和實測值的對比，驗證了利用本文數(shù)學(xué)模型模擬變壓器室溫度場和速度場的有效性。

2）進(jìn)風(fēng)口應(yīng)布置在靠近熱源一側(cè)。進(jìn)風(fēng)口應(yīng)有一定高度且其中心高度宜控制在散熱器中心高度或稍偏下位置，不宜高于散熱器。

3）若選擇增加進(jìn)風(fēng)口面積改善變壓器室通風(fēng)效果，建議選擇沿高度Z向增加進(jìn)風(fēng)口面積。

4）室內(nèi)高溫區(qū)域集中分布在散熱器后側(cè)，建議在此處安裝吹風(fēng)機(jī)或采取其他通風(fēng)散熱設(shè)備。

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