云南干河泵站地下廠房通風系統(tǒng)模型試驗

2014-09-27 14:23:58陳金華馬晴夏磊彭運林郭建平

湖南大學學報·自然科學版 2014年4期

關(guān)鍵詞：模型試驗節(jié)能泵站

陳金華+馬晴+夏磊+彭運林+郭建平

文章編號：16742974(2014)04010706

云南干河泵站地下廠房通風系統(tǒng)模型試驗

收稿日期：20130624

基金項目：國家“十二五"科技計劃資助項目（2013BAJ11B05）；高等學校學科創(chuàng)新引智計劃資助項目（B13014）；國家自然科學基金重點資助項目（50838009）

作者簡介：陳金華（1973-），男，四川宜賓人，重慶大學副教授

通訊聯(lián)系人，E-mail:c66578899@126.com

摘要：為研究云南干河泵站地下廠房通風系統(tǒng)方案的可行性，以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)、相似理論為依據(jù),確定各種比例尺,建立了泵站地下廠房通風系統(tǒng)1/10的縮尺模型.進行了不同季節(jié)、不同送風溫度、不同機組運行臺數(shù)共9種工況的模型試驗.測試了地下廠房各區(qū)域室內(nèi)參數(shù),對試驗數(shù)據(jù)進行了處理與分析.試驗結(jié)果表明,在最高送風溫度24.5 ℃時,廠房內(nèi)夏季最高溫度為29.46 ℃,平均溫度為27.72 ℃,滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求,泵站通風系統(tǒng)方案可行.在部分機組運行及過渡季節(jié)時,室內(nèi)溫度更低,通風系統(tǒng)可采用變風量運行,進一步實現(xiàn)節(jié)能.

關(guān)鍵詞：相似理論；泵站;通風；模型試驗；節(jié)能

中圖分類號：TU83 文獻標識碼：A

Experiment on the Ventilation System Model of the Underground 

Powerhouse of Yunans Ganhe Pumping Station



CHEN Jinhua1,MA Qing2,XIA Lei2,PENG Yunlin3,GUO Jianping4

(1. National Centre for International Research of Lowcarbon and Green Buildings,Key Laboratory of the Three Gorges 

Reservoir Regions EcoEnvironment ,Ministry of Education , Chongqing Univ , Chongqing 400045, China;

2. School of Urban Construction & EnvironmentalEngineering of Chongqing Univ ,Chongqing 400045, China;

3.Chongqing IN ARCHIT Architecture Design Co, LTD,Chongqing 400020 ,China;

4.Yunnan Institute of Water & Hydropower Engineering Investigation, Kunming, Yunnan 650021,China)

Abstract:A 1/10 scale model for the ventilation system of the underground powerhouse of Ganhe Pumping Station was established on the basis of numerical simulation and similarity theory to study the feasibility of the pumping station's ventilation system . The model tests contained 9 different working conditions, such as different seasons, different supply air temperatures and different numbers of operating units. The interior parameters of all regions in the underground powerhouse were tested, and the test data were analyzed. Experiment results have shown that the highest and the average interior temperature is 29.46 ℃ and 27.72 ℃ respectively in summer when the supply air temperature reaches 24.5 ℃. The scheme for the ventilation system meets the requirements of relevant standards. The indoor temperature is lower in transition seasons and in partial loading condition. Therefore, VAV system can be used in the ventilation system in order to achieve further energy saving.



Key words: similarity theory; pumping plants; ventilation; model tests; energy saving



正在興建的干河泵站是目前亞洲最大的地下抽水泵站,該泵站主體廠房位于地下,如果通風空調(diào)不良,長期在此環(huán)境下工作的人會感到疲倦、頭暈等,而且還會對機電設(shè)備造成危害.所以合理設(shè)計地下廠房的通風空調(diào)系統(tǒng),對維護地下廠房合理的溫、濕度環(huán)境,保障機電設(shè)備正常運轉(zhuǎn)和人員身體健康具有重要意義[1-2].

對大型地下廠房通風空調(diào)系統(tǒng)的研究,目前主要有3種方法：根據(jù)相似理論進行模型試驗[3]，CFD計算流體模擬分析[4-8]和網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)值模擬[9].本次模型試驗是在數(shù)值模擬計算基礎(chǔ)上進行的,試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計采用了模擬計算的優(yōu)化方案.模型試驗的目的是通過實驗得出在夏季和過渡季節(jié)兩個季節(jié),水泵不同運行模式及不同送風溫度下,泵站各層工作區(qū)的溫度分布狀況,以此來驗證主廠房優(yōu)化送風方案的合理性和可靠性.

湖南大學學報(自然科學版)2014年

第4期陳金華等：云南干河泵站地下廠房通風系統(tǒng)模型試驗

1 地下廠房通風系統(tǒng)方案

泵站地下廠房通風系統(tǒng)主要由主廠房通風系統(tǒng)、檢修閥室通風系統(tǒng)、電纜豎井通風系統(tǒng)等組成.

泵站主交通洞設(shè)送風機室,將通過一層灌漿廊道自然冷卻或加熱的室外空氣沿主交通洞頂拱送風管送至主廠房上部,在主廠房吊頂上從端部引2支送風管利用噴口頂送風方式將空氣送至電機層的各機組段.同時利用主廠房四周的防濕隔墻做通風道,通過設(shè)置軸流風機將電動機層的新鮮空氣通過夾墻風管側(cè)送至廠房的中間層、水泵層和閥層.

主廠房的排風設(shè)2個系統(tǒng),一個系統(tǒng)通過工作廊道、母線廊道排至工作豎井,并通過設(shè)置在工作豎井頂部的風機排至室外;另一系統(tǒng)由球閥室頂部排至二層灌漿廊道,通過設(shè)置在端部的風機排至室外.整個地下廠房的通風示意圖見圖1．

2 氣流組織分析

主廠房共4層,每層之間通過夾墻風管和樓梯間等相連,各層之間氣流相互影響、貫通,構(gòu)成一個復(fù)雜的洞室通風群,不同的氣流組織形式對電站的設(shè)備運行、工藝要求都會產(chǎn)生重要的影響,如何確定正確、合理的氣流組織是整個電站設(shè)計中的重點.

本試驗利用CFD軟件進行數(shù)值計算,確定合適的送風方式,為熱態(tài)模型試驗奠定基礎(chǔ).



圖1 整個廠房的通風示意圖

Fig.1 The entire plant ventilation schemes

2.1 氣流組織參數(shù)確定

1）送風量.確定送風量的基本原則為:送至廠房內(nèi)總空氣量,能夠排出廠內(nèi)的余熱和余濕,使廠內(nèi)的熱濕環(huán)境達到機組運行、工藝生產(chǎn)的要求.根據(jù)電站提供的采暖與空氣調(diào)節(jié)計算書可知,主廠房內(nèi)排除余熱所需總送風量為53 809 m3/h,排除余濕所需總送風量為19 425m3/h,故確定主廠房送風機送風量54 000 m3/h.

2）風口形式．地下廠房為高大空間,需采用大風量、長射流型的風口形式,參考同類廠房采用圓形噴口進行頂送風.

3）風口數(shù)量、風口尺寸及風口風速．本次計算中,采用假定參數(shù)法確定風口的相關(guān)參數(shù),即根據(jù)泵站的初設(shè)情況考慮風口數(shù)量,假定送風口風速確定送風口尺寸,并對假定的風口布置形式進行氣流組織模擬計算,對其通風效果進行檢驗.

根據(jù)泵站初設(shè),風口布置形式分為2種模式．模式1：采用8個風口（只在電機層,不包括旁邊的安裝間）,8個風口均勻布置,每個電機上平均布置2個．模式2：采用18個風口（其中安裝間上布置4個）,每個電機上布置2個,相鄰電機上空布置2個.

當采用模式1時,假定風口流速分別取為8，10和12 m/s 3種,對應(yīng)的噴口直徑分別為550，500和450 mm．當采用模式2時,假定風口流速取為9 和10 m/s,對應(yīng)的噴口直徑為350 mm,詳細的工況設(shè)置見表1，其中括號內(nèi)為安裝間噴口速度.

表1 噴口參數(shù)設(shè)置

Tab.1 Nozzle parameter settings

噴口假定風

速/(m?s-1)

噴口直徑

/mm

計算送風量

/(m3?h-1)

工況1

550

54 711

工況2

500

56 520

工況3

450

54 937

工況4

10(4)

350

54 005

工況5

10(5)

350

55 390

工況6

9(8)

350

54 697

2.2 計算過程及結(jié)果

計算過程中,采用三維模型,將動量方程與能量方程進行分離迭代求解,送風噴口設(shè)置為速度入口,排風口設(shè)置為壓力出口,各層的夾墻風機設(shè)置為壓力提升邊界.計算根據(jù)表1進行,分為多種工況,每種工況均對整個廠房內(nèi)的速度場進行分析,并按《水力發(fā)電廠廠房采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)程》的規(guī)定對計算結(jié)果進行驗證,選出最優(yōu)氣流組織模式.

在工況1~工況3中,豎直切面速度云圖見圖2~圖4. 在工況4~工況6中,工作區(qū)內(nèi)的速度云圖見圖5~圖7.



圖2 工況1豎直切面速度云圖



Fig.2 The velocity nephogram of vertical section 

under condition one





圖3 工況2豎直切面速度云圖



Fig.3 The velocity nephogram of vertical section 

under condition two



圖4 工況3豎直切面速度云圖



Fig.4 The velocity nephogram of vertical section 

under condition three



圖5 工況4工作區(qū)速度云圖

Fig.5 The velocity nephogram of work area 

under condition four



圖6 工況5工作區(qū)速度云圖



Fig.6 The velocity nephogram of work area 

under condition five



圖7 工況6工作區(qū)速度云圖



Fig.7 The velocity nephogram of work area 

under condition six

根據(jù)計算結(jié)果可知,不同風口數(shù)量和風口速度對電機層氣流組織影響較大,其余各層,由于采用側(cè)送風,受噴口參數(shù)影響較小;所有計算工況中,當噴口速度為12 m/s時,電機層工作區(qū)平均流速為1.53 m/s,不滿足規(guī)范要求,工況4~工況6的工作區(qū)平均流速雖然小于規(guī)范要求的0.8 m/s,但從圖5~圖7可以明顯看出,這3種工況在局部區(qū)域有流速超標現(xiàn)象.

通過在6種風口數(shù)量和尺寸組合工況下的模擬計算,最終確定最佳的風口布置方案為：電機層機組段布置直徑為500 mm的頂送風口8個,送風速度應(yīng)控制在8~10 m/s.

3 模型建立

3.1 各種相似比例尺的確定[10]

本項目以相似理論為依據(jù),指導(dǎo)模型設(shè)計以及整個模型試驗研究工作.模型需要確定的比例尺主要有幾何比例尺、溫度比例尺、速度比例尺、熱量比例尺和風量比例尺.

由于廠房內(nèi)有熱源散發(fā)熱量,廠房壁面吸熱量小于熱源散發(fā)的熱量,因而存在需通風帶走的余熱.送風溫度低于廠房內(nèi)的氣溫,送風氣流屬于非等溫射流.射流所受的重力大于浮力，重力和浮力之差稱為有效重力，射流向下彎曲的程度取決于有效重力的大小，所以應(yīng)采用阿基米德模型律.

模型的幾何比例尺Cl是模型設(shè)計必須首先確定的參數(shù).為方便模型制作和保證試驗結(jié)果的準確,同時考慮試驗場地的實際情況,本實驗選定的幾何比例尺為1∶10.確定了模型試驗的幾何比例尺Cl ,進而就要確定模型送風溫度、送風量、送風速度,進行熱量模擬.根據(jù)阿基米德模型律,有Arm=Arp.由此可得：

CgClCΔT0Cv20CT0=1．（1）

其中重力加速度可以認為是常數(shù),即Cg=1.模型與原型氣流的送風絕對溫度之比CT0≈1.為了對比和方便計算,一般取溫差比例尺CΔT0=1.模型地重慶和原型地云南大氣壓比例不等于1.當模型雷諾數(shù)處于自模區(qū)時,可計算出模型的各種比例尺,結(jié)果見表2.

3.2 模型整體設(shè)計思路

在確定了各種相似比例尺后,按照實際工程圖紙,確定模型所需的幾大部分,具體分以下4部分.

模型主體結(jié)構(gòu):模型骨架采用角鋼搭建,外圍壁面采用新型復(fù)合保溫板,層與層之間鋪設(shè)木工板,設(shè)備采用鍍鋅鋼板制作.發(fā)熱系統(tǒng)：電纜采用額定發(fā)熱量為15 W/m的燈帶,其他設(shè)備、照明散熱都使用額定功率為15 W/m的白熾燈.送排風系統(tǒng)：利用空調(diào)實現(xiàn)不同溫度的送風.檢測系統(tǒng)：按照測試目標要求，共布置了125個溫度測點.

表2 干河泵站通風模型相似比例尺

Tab.2 The ventilation model similar scale

of Ganhe pumping station

幾何

比例尺

速度

比例尺

溫度

比例尺

大氣壓

比例尺

風量

比例尺

熱量

比例尺

Cl

Cv0=

Cl1/2CB

Ct=

Bwn/Bwp

CB=

Bm/Bp

CG=

Cl5/2?CB

CQ=

Cl5/2?CB

1/10

1/2.571

1/1

1/0.813

1/257

4 模型試驗

本文模型試驗采用了模擬計算優(yōu)化的送風方案,在電機層機組段頂部設(shè)置8個風口.模型電機層送風口速度3.62 m/s,對應(yīng)的原型送風口速度為10.3 m/s.

在總風量為54 000 m3/h時,主廠房中間層、水泵層、球閥層及檢修閥層的計算溫度為限值溫度,從安全角度來考慮,以上各層的送風量在前面計算的基礎(chǔ)上乘以富裕系數(shù)1.2.即總風量調(diào)整為54 000 m3/h×1.2=64 800 m3/h,由于主廠房閥層相對濕度在計算時達到92.3%,因此加大送風量，將總風量取為66 000 m3/h.

根據(jù)泵站提供夏季設(shè)計送風溫度為23 ℃來確定模型夏季送風溫度,應(yīng)電站要求,本試驗增加一個比實際送風溫度略高的工況用以對比.過渡季節(jié)實際送風溫度為16 ℃.當?shù)囟就L室外干球溫度為4 ℃,直接送入室內(nèi),完全可以保證冬季室內(nèi)空氣設(shè)計最低溫度10 ℃.所以本項目試驗的重點在夏季和過渡季節(jié).因此,在以上3種溫度情況下,分別開啟1臺,2臺以及3臺機組安排試驗.

具體的試驗工況安排見表3,每種工況進行2~3次重復(fù)試驗.

表3 試驗工況方案表

Tab.3 Test conditions

工況

季節(jié)

送風溫度

/℃

機組運行

臺數(shù)

總送風量

/（m3?h-1)

模型風量

/（m3?h-1)

夏季

23~24

66 000

256.81

夏季

23~24

66 000

256.81

夏季

23~24

66 000

256.81

夏季

24~25

66 000

256.81

夏季

24~25

66 000

256.81

夏季

24~25

66 000

256.81

過渡季節(jié)

15.5~16.9

66 000

256.81

過渡季節(jié)

15.5~16.9

66 000

256.81

過渡季節(jié)

15.5~16.9

66 000

256.81

5 模型試驗結(jié)果與分析

5.1 試驗數(shù)據(jù)無因次化

模型試驗要確定溫度場,溫度屬于待定參數(shù).為了由模型試驗結(jié)果預(yù)測原型,必需將待定參數(shù)無因次化.

各測點無因次溫度1為： 

1=ti－tote－to．（2）

式中：to為送風溫度；te為排風溫度；ti為測點測量溫度.

5.2 模型試驗結(jié)果轉(zhuǎn)換為原型值

原型電機層熱源總發(fā)熱量為 24.6 kW,外壁面無法做到絕對保溫,故冬夏兩季皆有向外傳熱可能性,取10%被“壁面吸收”,則由送風帶走的發(fā)電機層的送風余熱量為：

ql=24.6×90%=22.14 kW．（3）

原型送排風溫差 Δt為：

Δt=qlCpρL=22.14×1 0001 010×0.9×66 0003 600=1.33． （4）

令mi為模型射流空間平均無因次溫差,to為送風溫度,則原型射流空間任意高度平均溫度為：

pi=mi×Δt+to.

5.3 電機層溫度場模型試驗數(shù)據(jù)處理

電機層夏季工況溫度場模型試驗數(shù)據(jù)處理見圖8~圖10.

圖8 夏季工況1臺機組不同送風溫度典型

測點無因次溫度對比圖

Fig.8 The measuring point dimensionless temperature

contrast for a typical units of different 

air supply temperature

圖9夏季工況2臺機組不同送風溫度典型

測點無因次溫度對比圖

Fig.9 The measuring point dimensionless temperature

contrast for two typical units of different

air supply temperature



各試驗工況下,在廠房中部2臺機組（即2#，3#機組）測點的無因次溫度低于兩端的2臺機組（即1#，4#機組）測點的無因次溫度,這主要是由于兩端發(fā)熱量大于中部發(fā)熱量所致.各測試方案工作區(qū)無因次溫差分布的特征為：最高溫度出現(xiàn)在1#和4#機組處,且排風溫度高于工作區(qū)平均溫度.各測點無因次溫差標準偏差不超過0.2.電機層工作區(qū)的溫度分布均勻性較好.

圖10 夏季工況3臺機組不同送風溫度典型

測點無因次溫度對比圖

Fig.10 The measuring point dimensionless temperature

contrast for three typical units of different 

air supply temperature



5.4 模型試驗結(jié)果

根據(jù)前述電機層夏季工況試驗數(shù)據(jù)處理的方法,我們可以得到夏季和過渡季節(jié)共9種試驗工況下各層的實驗結(jié)果,見圖11~圖12． 

圖11 夏季各工況下各層平均溫度分布



Fig.11 The average temperature distribution 

of each layer in summer



圖12過渡季節(jié)各工況下各層平均溫度分布

Fig.12The average temperature distribution of each

layer in transition season

從圖11~圖12可以看出,各工況下,廠房內(nèi)球閥2層溫度最高.夏季當廠房送風溫度為24.5 ℃時,球閥2層溫度達29.46 ℃,廠房平均溫度27.72 ℃，仍小于有關(guān)規(guī)范和設(shè)計要求的溫度（30 ℃）,則方案可行.過渡季節(jié)時,廠房內(nèi)的最高溫度為25.36 ℃,遠低于30 ℃,可以采用變風量調(diào)節(jié),減小總的送風量,降低輸送能耗,實現(xiàn)節(jié)能.

6 結(jié) 論

干河泵站是目前亞洲修建的最大的地下抽水泵站.同地下水電站廠房一樣,也需要依靠一定的通風空調(diào)方式來調(diào)節(jié)廠房內(nèi)的溫濕度,使室內(nèi)空氣參數(shù)達到規(guī)范的要求,保證運行檢修人員的身心健康及保障設(shè)備的正常運轉(zhuǎn).本文通過氣流組織模擬試驗以及通風系統(tǒng)模型試驗對干河泵站地下廠房通風空調(diào)系統(tǒng)進行研究,得出結(jié)論如下：

1）不同頂送風參數(shù)對電機層氣流組織影響較大,但對其余各層影響較小,對于頂送風,在電機層滿足空氣射流原理、總送風量54 000 m3/h不變的情況下,通過在6種風口數(shù)量和尺寸組合工況下的模擬計算,最終確定最佳的風口布置方案為：電機層機組段布置直徑為500 mm的頂送風口8個,送風速度控制在8~10 m/s.

2）在夏季最高送風溫度24.5 ℃時,廠房內(nèi)最高溫度為29.46 ℃,平均溫度為27.72 ℃,滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范對于溫度的要求,泵站通風系統(tǒng)方案可行.電機層各測點無因次溫差的標準偏差最大不超過0.2,這充分反映了電機層工作區(qū)氣流分布的均勻性,驗證了數(shù)值模擬優(yōu)化的氣流組織方案.

3）在部分機組開啟及過渡季節(jié)運行時,室內(nèi)溫度較低,主廠房負荷減少,可減少送風量使主廠房的熱濕環(huán)境達到規(guī)程要求,同時通風系統(tǒng)采用變風量運行可進一步實現(xiàn)節(jié)能.

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