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        青島膠州灣隧道變電所利用滲漏水降溫研究

        2018-05-18 03:17:30盛章涵田峰王海橋
        關(guān)鍵詞:利用系統(tǒng)

        盛章涵 田峰 王海橋

        1湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院

        2中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司

        3湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院

        0 引言

        變電所中的設(shè)備發(fā)熱量大, 散濕量極少, 故濕負荷可忽略不計。從節(jié)能角度出發(fā), 變電所設(shè)計溫度一般設(shè)定在 36~40 ℃之間能夠滿足電器設(shè)備正常工作即可 [1] 。青島膠州灣隧道變電所, 其熱負荷主要通過常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)消除。而常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)是熱濕聯(lián)合處理,對于該變電所除濕過程完全是沒必要的, 這既消耗了更多的冷量, 也造成了能量利用品位上的浪費。

        據(jù)統(tǒng)計, 青島膠州灣隧道內(nèi)每天正常的滲水量達4000多m3, 且其溫度在20~25 ℃范圍內(nèi)。 該滲漏水溫度與變電所空氣溫度有十幾度溫差, 因此以隧道滲漏水作為天然冷源給變電所降溫具有巨大潛力。本文以青島膠州隧道工程為實例, 對利用隧道滲漏水給變電所降溫方案進行研究, 并通過對比分析計算考察其可行性及節(jié)能潛力。

        1 利用隧道滲漏水降溫原理

        利用隧道滲漏水給變電所降溫系統(tǒng)主要由水泵,風(fēng)機和表冷器組成, 其工作原理是: 利用水泵將凈化后的隧道滲漏水送入表冷器, 使表冷器具有較低的表面溫度, 再利用風(fēng)機循環(huán)室內(nèi)空氣, 使室內(nèi)空氣連續(xù)沖刷表冷器表面, 使室內(nèi)的熱空氣與滲漏水進行對流換熱,吸收了熱量的滲漏水隨排水系統(tǒng)排入大海, 從而實現(xiàn)對變電所的降溫。其工作示意圖如圖 1所示。

        圖1 隧道滲漏水降溫示意圖

        2 青島膠州灣隧道變電所通風(fēng)降溫設(shè)計

        以青島膠州灣隧道的臺西三站變電所為例。臺西三路變電所面積 120m2, 體積656m3, 設(shè)有送、 排風(fēng)機各一臺, 2臺1600 kVA變壓器。當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髤?shù)和室內(nèi)設(shè)計參數(shù)如下:

        1)室外空氣計算參數(shù): 夏季室外大氣壓力100.04 kPa。夏季通風(fēng)室外計算干球溫度為27.3 ℃, 夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球球溫度為29.4 ℃。

        2) 室內(nèi)設(shè)計參數(shù): 變電所夏季室內(nèi)設(shè)計溫度為36 ℃。設(shè)計新風(fēng)量為3836m3/h。

        根據(jù)文獻[2]可得, 該變電所中變壓器的散熱量Q1則為:

        式中:S為變壓器的容量,k VA。

        經(jīng)計算得Q1=0.0152×1600×2=48.64 kW。

        變電所中其他設(shè)備的發(fā)熱量沒有較為準確的計算式可以直接計算,通常是以變壓器發(fā)熱量總和的30%來計算[3], 故 整個變電所的發(fā)熱量Q2= (1+0.3)Q1= 1.3×48.64=63.23kW。

        設(shè)計的新風(fēng)可帶走的熱量Q3為[4]:

        式中:c為空氣比熱容,取 1.01 kJ/(kg℃);ρav為進排風(fēng)平均密度,k g/m3; Δt為進排風(fēng)溫差,℃ ;L為新風(fēng)量,m3/ h。

        經(jīng)計算得Q3= 0.28×3836×1.01×1.2×8.7=11.33 kW。

        其余的熱量由空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān),則 空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)的熱負荷Q為51.9 kW。

        2.1 利用常規(guī)空調(diào)設(shè)備降溫方案

        利用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)給青島膠州灣隧道變電所降溫,同其他建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計類似。選用多聯(lián)式空調(diào)機組給變電所降溫, 根據(jù)該變電所的熱負荷, 選用空調(diào)機組 GMV-Pd600 型室外機 1 臺, GMV(R)-R125T/Na(S)型室內(nèi)機 4 臺和 GMV(R)-R100T/Na(S)型室內(nèi)機 1臺。室外機和室內(nèi)機參數(shù)見表1。

        表1 室內(nèi)機和室外機參數(shù)表

        2.2 利用隧道滲漏水給變電所降溫方案

        據(jù)統(tǒng)計,隧道滲漏水溫度常年保持在20~25 ℃,故取隧道滲漏水溫度為23 ℃。 假設(shè)進出表冷器的隧道滲漏水溫差為5 ℃, 送回風(fēng)溫差為6 ℃, 則所需循環(huán)風(fēng)量為:

        所需的水流量為:

        利用隧道滲漏水降溫系統(tǒng)中表冷器不同于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng), 該降溫系統(tǒng)的表冷器是一種高溫干式表冷器。參考文獻[6]規(guī)定: 表冷器空氣迎面風(fēng)速一般取2~3m/s, 管內(nèi)水流速度w一般取 0.6~1.2m/s。故取該表冷器的迎面風(fēng)速Vy為2.5m/s, 表冷器內(nèi)水流速度w為1m/s。該表冷器的總傳熱系數(shù)K依據(jù)文獻[5]中干工況下表冷器總傳熱系數(shù)的一種新經(jīng)驗公式:

        則所需表冷器的換熱面積F為:

        式中: Δtm為對數(shù)平均溫差, Δtm=(Δtmax -Δtmin )/ln(Δtmax /Δtmin ), ℃。

        表冷器總通水?dāng)嗝娣eA為:

        根據(jù)表冷器總傳熱系數(shù), 總換熱面積和總通水?dāng)嗝娴葏?shù), 可設(shè)計出滿足利用隧道滲漏水給變電所降溫的高溫干式表冷器。

        其空氣阻力按現(xiàn)有標(biāo)準表冷器空氣阻力最大值計算為[6]:

        水阻力按現(xiàn)有標(biāo)準表冷器水阻力最大值計算為:

        考慮出口靜壓, 選取壓力為 200 Pa, 風(fēng)量為26000m3/h的風(fēng)機??紤]水管道中的沿程損失和局部損失, 且其集水池緊鄰該變電所, 故選取揚程為 10m水柱, 流量為 9m3/h 的水泵。通過相應(yīng)的管徑將水泵一端接入集水池, 另一端連接表冷器, 表冷器的另一端接入排水系統(tǒng)。再將風(fēng)機安裝于表冷器的一端, 就構(gòu)成了利用隧道滲漏水給變電所降溫的系統(tǒng)。

        3 節(jié)能及經(jīng)濟效益分析

        青島膠州灣隧道臺西三站變電所采用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)控制室內(nèi)的溫度時,該空調(diào)系統(tǒng)每小時將消耗19.36kW · h左右的電能。 利用隧道滲漏水降溫時, 其中水泵的耗電功率為:

        風(fēng)機耗電功率為:

        式中:G為水泵流量,m3/ h;H為水泵揚程,m 水柱;η為水泵效率;P為風(fēng)壓,Pa;Q為風(fēng)量,m3/ h;η1為風(fēng)機效率,取 0.75;η2為機械傳動效率,取 0.95。

        故臺西三站變電所利用隧道滲漏水降溫每小時將消耗3.0 kW· h 左右的電能。

        表2 利用隧道滲漏水降溫系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟比較

        因此利用隧道滲漏水降溫系統(tǒng)比多聯(lián)式空調(diào)機組給變電所降溫系統(tǒng)每小時耗電量減少了 16.36 kW ·h。青島市的平均電價按0.8元/kW · h計算, 則該變電所在整個夏季 (90 天) 利用隧道滲漏水降溫將節(jié)約電費28270元左右。青島膠州灣隧道有8個類似的變電所, 若全部利用隧道滲漏水給其變電所降溫則整個夏季將節(jié)約電費22.6萬元左右。臺西三站變電所用兩種空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性比較見表2。

        4 結(jié)論

        1) 針對變電所溫濕負荷特點及青島膠州隧道的特點, 可利用隧道滲漏水給變電所降溫, 且具有十分明顯的節(jié)能效果。

        2) 利用隧道滲漏水為變電所降溫系統(tǒng)的初投資僅為分體式空調(diào)系統(tǒng)的38.5%, 運行費用減少了81.7%。

        3)利用隧道滲漏水給變電所降溫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單, 對水質(zhì)沒有改變, 具有節(jié)約能源、 無污染、 低運行成本的特點。

        4)對于有適量滲漏水的地下隧道和海底隧道, 利用隧道滲漏水給其附屬降溫有較大的節(jié)能潛力和應(yīng)用前景。

        參考文獻

        [1] 黃季宜,孫敏生.變配電機房通風(fēng)空調(diào)節(jié)能方案選擇和控制策略[J].暖通空調(diào),2008,38(9):35-39.

        [2] 建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施:暖通空調(diào)·動力[M].北京: 中國計劃出版社,2003.

        [3] 武洋,王鑫. 淺談配電機房的空調(diào)設(shè)計[J].中國外資月刊,2012,(14):269-269.

        [4] 曲友立.變電所通風(fēng)設(shè)計淺析[J].暖通空調(diào),2005,35(8):83-85.

        [5] 王晉生,閆斌,繆小平,等.干工況下表冷器總傳熱系數(shù)的一個新實驗公式[C]//江蘇省制冷學(xué)會年會.2000.

        [6] 連之偉. 熱質(zhì)交換原理與設(shè)備(第3版)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

        [7] 程達仁,李振海. 市區(qū)高壓變電站房封閉式降溫系統(tǒng)理論探討[J].建筑節(jié)能,2016,(1):22-25.

        [8] 姚富宏,姚景生,鞏云. 地鐵變電所通風(fēng)空調(diào)設(shè)計方案探討[J].暖通空調(diào),2009,39(1):109-110.

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