彭?xiàng)澚?，牛海清，林濤，張堯，杜兆斌，韓風(fēng)琴，周繼承

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.南方電網(wǎng)廣東東莞供電局，廣東 東莞 523120)

預(yù)制艙變電站是由預(yù)制艙艙體、二次設(shè)備屏柜、各種功能的電氣柜、艙體輔助設(shè)施等組成，在工廠內(nèi)提前完成制作、組裝、配線等工藝，并作為一個(gè)整體模塊運(yùn)至工程現(xiàn)場(chǎng)的工作單元[1]。預(yù)制艙及內(nèi)部的設(shè)備由廠家集成，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)二次接線、調(diào)試等工作，簡(jiǎn)化了檢修維護(hù)工作，縮短了變電站建設(shè)周期，有效實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的快速建設(shè)[2]。

廣東地處沿海，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，高溫高濕環(huán)境容易引起戶外預(yù)制艙的腐蝕?！盎啬咸臁?華南地區(qū)春季氣溫回暖且濕度增大而導(dǎo)致的返潮現(xiàn)象)或大幅降溫時(shí)，預(yù)制艙內(nèi)通風(fēng)效果差、散熱或者加熱不及時(shí)，導(dǎo)致艙內(nèi)空氣中水蒸氣過(guò)飽和，設(shè)備表面會(huì)發(fā)生凝露[3]。凝露水腐蝕設(shè)備金屬，降低其絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性構(gòu)成威脅。

防凝露技術(shù)研究包括試驗(yàn)法和數(shù)值仿真。試驗(yàn)法研究溫度控制法、濕度控制法等方法的防凝露效果[4]。陸朝陽(yáng)等[5]提出優(yōu)化艙體結(jié)構(gòu)以保證密封性和保溫性，同時(shí)在敏感位置設(shè)置加熱和除濕功能裝置的防凝露方法。張國(guó)清[6]研發(fā)以太陽(yáng)能為熱源、可通風(fēng)除濕的智能環(huán)網(wǎng)柜，延長(zhǎng)了電纜頭和隔離開關(guān)的工作壽命。豐田章男等發(fā)現(xiàn)了一種調(diào)濕聚合物，可用于預(yù)防架空終端封閉裝置中冷凝導(dǎo)致的電信電纜絕緣失效[7]。

數(shù)值仿真的結(jié)果可擬合設(shè)備的熱環(huán)境參數(shù)公式，以分析通風(fēng)口風(fēng)速、形狀等因素對(duì)設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)及濕度的影響。Patania[8]、Degraciaa[9]分別開展了保溫隔熱結(jié)構(gòu)的傳熱特性理論計(jì)算和數(shù)值模擬，基于板塊理論得到隔熱層傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。黃孟丹[10]等建立高壓同軸GIS母線三維磁熱耦合模型，計(jì)算母線歐姆損耗和外殼中的渦流損耗，但未計(jì)算流體場(chǎng)。王振芹[11]等基于GIS母線熱流磁場(chǎng)耦合有限元模型，計(jì)算GIS母線導(dǎo)體、外殼的溫度分布，但對(duì)流公式仍采用解析法。張偉、朱政國(guó)等基于有限元方法對(duì)智能環(huán)網(wǎng)柜防凝露方法展開研究，研究環(huán)網(wǎng)柜尺寸大小、通風(fēng)口尺寸及形狀對(duì)環(huán)網(wǎng)柜通風(fēng)效果的影響[12]，但沒(méi)有充分考慮熱流場(chǎng)的相互耦合。

為了模擬預(yù)制艙變電站的實(shí)際工況，充分考慮艙內(nèi)熱流場(chǎng)的耦合及其對(duì)艙內(nèi)水蒸氣傳輸、凝露形成過(guò)程的影響，本文以GIS艙為研究對(duì)象，建立艙內(nèi)在熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、水蒸氣傳遞和擴(kuò)散作用下的熱-流-濕度場(chǎng)耦合的仿真模型；加載實(shí)測(cè)的廣州氣象數(shù)據(jù)，研究預(yù)制艙內(nèi)溫度和濕度的分布規(guī)律，以及大幅降溫和“回南天”時(shí)艙內(nèi)凝露的形成及其時(shí)間和位置。

1 熱-流-濕多物理耦合場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

1.1 典型的GIS預(yù)制艙結(jié)構(gòu)及其多物理場(chǎng)效應(yīng)

本文研究的110 kV GIS艙主要由艙體、GIS密封設(shè)備(內(nèi)含SF6絕緣氣體)、匯控柜、開關(guān)柜等結(jié)構(gòu)組成。

預(yù)制艙內(nèi)GIS母線中的電流會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生焦耳熱，在外殼中產(chǎn)生渦流損耗而影響艙內(nèi)的溫度分布；艙外壁和外界環(huán)境存在對(duì)流換熱。以上熱流在平衡過(guò)程中會(huì)引起空氣的對(duì)流和水蒸氣的傳遞，因此預(yù)制艙及其設(shè)備的運(yùn)行涉及到流場(chǎng)、熱場(chǎng)和濕度場(chǎng)的共同作用。

1.2 多物理場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

1.2.1 熱場(chǎng)仿真數(shù)學(xué)模型

預(yù)制艙內(nèi)部存在熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射，其控制方程為[13]：

(1)

(2)

Φ=ε0Aσ(T14-T24).

(3)

式(1)—(3)中：ρ為密度；Cp為恒壓熱容；v為流速；T為溫度；t為時(shí)間；q為熱流密度；Q為熱源；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；Φ為輻射熱量；ε0為物體表面輻射率；A為輻射面表面積；σ為斯忒藩-玻爾茲曼常量；T1、T2為2個(gè)輻射體的溫度。

1.2.2 流場(chǎng)仿真數(shù)學(xué)模型

經(jīng)計(jì)算，艙內(nèi)流場(chǎng)格拉曉夫數(shù)為1.25×1012，因此采用湍流k-ε模型[14]來(lái)求解預(yù)制艙內(nèi)部空氣的速度分布?？紤]流體力學(xué)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，控制方程分別為：

(4)

(5)

(6)

(7)

μT=ρCμk2/ε,

(8)

(9)

1.2.3 濕度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

充分考慮預(yù)制艙內(nèi)空氣中的水蒸氣對(duì)流、擴(kuò)散過(guò)程，其控制方程為：

(10)

(11)

cv=φwcsat.

(12)

式(10)—(12)中：Mv為水蒸氣的摩爾質(zhì)量；cv為水蒸氣濃度；gw為水蒸氣通量；G為濕度場(chǎng)源項(xiàng)，取值為0；D為水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)；φw為相對(duì)濕度；csat為水蒸氣飽和濃度。式(10)從左至右分別為時(shí)變項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)、濕氣源項(xiàng)。

1.3 多物理場(chǎng)的相互耦合關(guān)系

式(1)—(12)將艙內(nèi)空氣的壓強(qiáng)、溫度和相對(duì)濕度耦合在一起，共同決定了預(yù)制艙內(nèi)空氣的屬性參數(shù)。上述3個(gè)物理場(chǎng)之間的兩兩耦合通過(guò)COMSOL-MULYIPHISICS中的多物理場(chǎng)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，非等溫流動(dòng)用于耦合熱流場(chǎng)，熱濕傳遞接口用于耦合熱場(chǎng)和濕度場(chǎng)，水汽輸送用于耦合湍流場(chǎng)和濕度場(chǎng)。全耦合關(guān)系如圖1所示[15]。

圖1 預(yù)制艙內(nèi)多物理場(chǎng)之間的耦合關(guān)系Fig.1 Coupling relationship between multiphysics fields within prefabricated cabin

除了上述耦合關(guān)系外，考慮到熱流場(chǎng)之間的強(qiáng)耦合關(guān)系，模型中還考慮了水蒸氣壓力變化做的功Qp、湍流中的黏性耗散Qvd，這2項(xiàng)作為傳熱方程中的熱源項(xiàng)。其具體表達(dá)式分別為：

(13)

(14)

式(13)、(14)中：pA為絕對(duì)壓強(qiáng)；τ為耗散系數(shù)；Qturb為因湍流傳遞的熱量?？紤]這2項(xiàng)，式(1)變換為

(15)

同時(shí)，式(4)—(9)中的流體密度ρ修正為ρ(T,|p|,cv)，動(dòng)力粘度μ修正為μ(T,|p|,cv)，式(12)中的相對(duì)濕度φw修正為φw(T,|p|,cv)。

通過(guò)熱源項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、氣體屬性對(duì)物理場(chǎng)變量的依賴關(guān)系，完成了多物理場(chǎng)之間的相互耦合。

2 仿真幾何模型及其流程

2.1 幾何模型和材料參數(shù)

2.1.1 預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備的簡(jiǎn)化與等效

GIS內(nèi)部采用SF6絕緣，其中各種設(shè)備大小形狀參差不齊，本研究不關(guān)注GIS設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)行情況，不考慮設(shè)備的電磁效應(yīng)，重點(diǎn)探索艙內(nèi)及設(shè)備表面溫度和濕度的變化，因而采用與外殼同軸的導(dǎo)體來(lái)等效GIS內(nèi)部設(shè)備，仿真時(shí)在同軸導(dǎo)體上施加與母線歐姆損耗等值的熱源。由于匯控柜和開關(guān)柜內(nèi)安裝的都是弱電控制設(shè)備，其電磁熱效應(yīng)忽略不計(jì)[16]。通風(fēng)口、匯控柜和開關(guān)柜影響空氣流動(dòng)，均被等效為等尺寸長(zhǎng)方體。

2.1.2 仿真幾何模型及材料參數(shù)

仿真的幾何模型如圖2所示，包括預(yù)制艙艙體、通風(fēng)口、GIS外殼、同軸導(dǎo)體、開關(guān)柜和匯控柜等典型結(jié)構(gòu)。為了方便后文描述，艙內(nèi)特征位置(點(diǎn)A—H)在圖2中給出，其中括號(hào)內(nèi)、外2個(gè)點(diǎn)位置重合。

圖2 預(yù)制艙仿真幾何模型及其特征位置Fig.2 Geometry model of prefabricated cabin for simulation and its characteristic positions

仿真時(shí)采用的材料尺寸及物理參數(shù)見表1、表2[17]。

表1 預(yù)制艙模型尺寸參數(shù)Tab.1 Dimension parameters of prefabricated cabin

表2 預(yù)制艙材料及其參數(shù)Tab.2 Simulation model materials and parameters of prefabricated cabin

預(yù)制艙內(nèi)的空氣屬性由軟件中的“濕空氣”模塊定義，由熱場(chǎng)、湍流場(chǎng)和濕度場(chǎng)的輸入共同決定。

2.2 加載項(xiàng)和邊界條件的設(shè)置

2.2.1 加載項(xiàng)的設(shè)置

GIS正常工作時(shí)母線導(dǎo)體歐姆損耗為1 100 W，取該值作為同軸導(dǎo)體發(fā)出的熱功率，同時(shí)GIS外殼中的渦流損耗設(shè)置為8.81 W/m[18]。

為了模擬外界環(huán)境與預(yù)制艙外壁的對(duì)流換熱，在外壁上添加對(duì)流熱通量邊界條件。對(duì)流換熱系數(shù)

(16)

式中：L為換熱面的等效長(zhǎng)度，取預(yù)制艙長(zhǎng)、寬、高的平均值6.57 m；Ra為外界空氣的瑞利數(shù)。

2.2.2 通風(fēng)口處邊界條件的設(shè)置

傳熱場(chǎng)、湍流場(chǎng)中預(yù)制艙的通風(fēng)口定義為開放邊界，其溫度和壓力分別設(shè)置為外部環(huán)境溫度和環(huán)境壓力值。水蒸氣傳輸場(chǎng)中通風(fēng)口設(shè)置為開放邊界條件。與外部空氣流入預(yù)制艙內(nèi)的速度相比，艙內(nèi)空氣向外流出的速度可以忽略不計(jì)，因此當(dāng)預(yù)制艙內(nèi)空氣向外流動(dòng)時(shí)水蒸氣通量定義為0；當(dāng)環(huán)境空氣流入預(yù)制艙內(nèi)部時(shí)，使用Danckwerts邊界條件定義由外到內(nèi)的水蒸氣通量。具體表達(dá)式為：

(17)

式中：n為垂直于通風(fēng)口指向外側(cè)的單位向量；Tustr為環(huán)境溫度；φw,ustr為環(huán)境相對(duì)濕度；custr為通風(fēng)口邊界處的水蒸氣濃度。

2.3 仿真計(jì)算流程

計(jì)算預(yù)制艙內(nèi)濕空氣的熱濕傳遞需要求解3組方程：Navier-Stokes方程用于計(jì)算氣流速度場(chǎng)v和壓強(qiáng)p，熱能量方程計(jì)算溫度T，濕度場(chǎng)的水分傳輸方程用于計(jì)算相對(duì)濕度φw。具體的計(jì)算步驟如圖3所示，考慮熱場(chǎng)、流場(chǎng)、濕度場(chǎng)之間的雙向強(qiáng)耦合關(guān)系，溫度、速度和壓強(qiáng)、相對(duì)濕度分別作為熱場(chǎng)、流場(chǎng)、濕度場(chǎng)的因變量，在全耦合模型中采用瞬態(tài)求解器同步求解。

圖3 仿真計(jì)算流程Fig.3 Flow chart of multiphysics field simulation

3 正常天氣狀況下GIS預(yù)制艙多物理場(chǎng)仿真研究

3.1 正常天氣及GIS預(yù)制艙仿真

由于凝露一般發(fā)生在夜間，考慮到計(jì)算力和仿真時(shí)長(zhǎng)，本文研究20：00至次日06：00時(shí)段周圍環(huán)境溫度、濕度變化時(shí)，預(yù)制艙內(nèi)空氣的溫度、速度和相對(duì)濕度。

根據(jù)《中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)》公布的廣東某地2022年4月每日20：00至次日06：00的氣溫和相對(duì)濕度，選取4月5日20:00至6日06：00的氣溫和相對(duì)濕度(如圖4所示)作為模型的典型輸入?yún)?shù)。

將圖4的外部環(huán)境參數(shù)以邊界條件的形式加載到仿真模型。設(shè)置溫度和相對(duì)濕度初始值與外部環(huán)境數(shù)據(jù)保持一致，分別為14.9 ℃和0.9。

圖4 環(huán)境溫度和相對(duì)濕度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Variation curves of ambient temperature and relative humidity with time

3.2 艙內(nèi)熱場(chǎng)分布

通過(guò)熱場(chǎng)的計(jì)算得到整個(gè)預(yù)制艙的瞬態(tài)溫度分布，熱場(chǎng)分析的主要目的是根據(jù)溫度的分布來(lái)判斷出凝露可能發(fā)生的位置?；谀缎纬傻臋C(jī)理，關(guān)注點(diǎn)通常是同一時(shí)刻下整個(gè)預(yù)制艙內(nèi)的溫度最小值及其出現(xiàn)的具體位置[19]。如果該最小值下降至該處的露點(diǎn)溫度，便會(huì)導(dǎo)致凝露的發(fā)生。圖5給出了正常天氣條件下預(yù)制艙內(nèi)的最低溫度(其位置并不固定)隨時(shí)間變化的曲線圖以及最低溫度在預(yù)制艙內(nèi)出現(xiàn)的具體位置(見圖2)。

觀察圖5可知，由于艙內(nèi)溫度的初始值設(shè)置為14.9 ℃且20：00至23：00期間環(huán)境溫度變化很小，因而這個(gè)時(shí)段艙內(nèi)最低溫度和環(huán)境溫度變化基本保持一致，均較為平緩。23：00后，環(huán)境溫度較為迅速地上升直至次日05：00，艙內(nèi)最低溫度以較小的增長(zhǎng)率逐漸上升，艙內(nèi)外溫差在05：00達(dá)到最大值7.9 ℃，此時(shí)艙外環(huán)境溫度為29 ℃，艙內(nèi)最低氣溫為21.1 ℃。

圖5 環(huán)境溫度和艙內(nèi)最低溫度及其位置隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Variation curves of ambient temperature,minimum temperature in the cabin and positions with time

4月5日21：00和22：00，艙內(nèi)的最低溫度均出現(xiàn)左側(cè)通風(fēng)口A點(diǎn)處；23：00時(shí)預(yù)制艙底部角落B的溫度最低；6日00：00時(shí)GIS外殼底部C點(diǎn)處溫度達(dá)到最低值15.0 ℃；01：00至06：00艙內(nèi)溫度最低值均出現(xiàn)在靠近開關(guān)柜外表面中心D點(diǎn)處。

為了觀察外界環(huán)境溫度變化對(duì)預(yù)制艙內(nèi)溫度分布的影響和艙內(nèi)溫度的典型分布，圖6給出了A點(diǎn)(22：00)、B點(diǎn)(23：00)、C點(diǎn)(次日00：00)、D點(diǎn)(次日01：00)斷面處對(duì)應(yīng)時(shí)刻的溫度分布。

23：00之前外部環(huán)境溫度變化不大，圖6(a)顯示通風(fēng)口底部氣溫略高于其頂部的氣溫，最低溫度出現(xiàn)在頂部中間的位置A；外部環(huán)境溫度自23：00開始快速上升，艙外高溫空氣經(jīng)通風(fēng)口流入艙內(nèi)，導(dǎo)致通風(fēng)口附近氣溫上升，艙內(nèi)溫度上高下低，艙底角落B處的溫度最低，如圖6(b)；圖6(c)反映在00：00時(shí)艙內(nèi)的氣溫也是上高下低，最低溫度出現(xiàn)在GIS外殼上的C點(diǎn)；圖6(d)展示了開關(guān)柜表面最低溫度點(diǎn)D的具體位置。

圖6 不同斷面的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of different sections

3.3 濕度場(chǎng)仿真結(jié)果

絕對(duì)濕度為每立方米空氣中所含的水蒸氣的量(kg/m3)。飽和濕度指在一定溫度和壓強(qiáng)下空氣能包含的水蒸氣的最大值。相對(duì)濕度是指一定溫度和壓強(qiáng)條件下空氣的絕對(duì)濕度與飽和濕度的比值。相對(duì)濕度為1時(shí)的空氣溫度被稱為露點(diǎn)溫度，當(dāng)溫度進(jìn)一步下降至低于露點(diǎn)溫度時(shí)，便會(huì)發(fā)生凝露[20]。

通過(guò)濕度場(chǎng)求解預(yù)制艙內(nèi)濕空氣的相對(duì)濕度，根據(jù)相對(duì)濕度的大小和分布來(lái)判斷預(yù)制艙內(nèi)是否有凝露及凝露發(fā)生時(shí)的具體位置。正常天氣條件下預(yù)制艙內(nèi)相對(duì)濕度的最大值(其位置并不固定)隨時(shí)間的變化及其出現(xiàn)的具體位置如圖7所示。

圖7 環(huán)境相對(duì)濕度和艙內(nèi)相對(duì)濕度最大值及其位置隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Variation curves of ambient relative humidity and maximum relative humidity inside cabin with time

由圖7可知，在20：00至次日06：00整個(gè)仿真時(shí)段內(nèi)，預(yù)制艙內(nèi)的相對(duì)濕度最大值為0.955，故艙內(nèi)無(wú)凝露發(fā)生，其中：20：00至23：00，艙內(nèi)相對(duì)濕度最大值和環(huán)境相對(duì)濕度變化基本保持一致，均較為平緩；23：00后外界相對(duì)濕度持續(xù)下降；艙內(nèi)的相對(duì)濕度在23：00繼續(xù)增加，在次日00：00時(shí)達(dá)到最大值0.955，然后逐漸下降，但下降速率明顯低于外界環(huán)境相對(duì)濕度的下降速率，且艙內(nèi)濕度變化滯后外部環(huán)境濕度變化約1 h。

21：00和22：00，艙內(nèi)相對(duì)濕度最大值均出現(xiàn)在雙通風(fēng)口附近的F點(diǎn)；23：00時(shí)F下方的G點(diǎn)相對(duì)濕度最高；次日00：00時(shí)艙內(nèi)相對(duì)濕度最大值出現(xiàn)在通風(fēng)口上方的E點(diǎn)；次日01：00時(shí)F點(diǎn)的相對(duì)濕度再次達(dá)到最大值0.910；次日02：00至06：00，艙內(nèi)相對(duì)濕度最大值均出現(xiàn)在開關(guān)柜外表面中間H點(diǎn)。

根據(jù)仿真結(jié)果，圖5中的A、D點(diǎn)分別與圖7中的F、H點(diǎn)完全重合，表明艙內(nèi)溫度的最低點(diǎn)和相對(duì)濕度的最高點(diǎn)往往出現(xiàn)在同一位置。

圖8給出了F點(diǎn)(22：00)、G點(diǎn)(23：00)、E點(diǎn)(次日00：00)、H點(diǎn)(次日02：00)的相對(duì)濕度斷面圖。

圖8 艙內(nèi)不同截面的相對(duì)濕度分布Fig.8 Relative humidity distribution of different sections inside cabin

圖8(a)顯示22：00時(shí)通風(fēng)口上方氣流的相對(duì)濕度較下方高，相對(duì)濕度最大值出現(xiàn)在頂部中間的位置；圖8(b)中艙內(nèi)外空氣的對(duì)流尤為顯著，通風(fēng)口中間G點(diǎn)的相對(duì)濕度達(dá)到了最大值0.953；圖8(c)顯示，受通風(fēng)口處氣流復(fù)雜湍流運(yùn)動(dòng)影響，相對(duì)濕度出現(xiàn)了明顯的區(qū)域差異，此時(shí)最大值出現(xiàn)在艙內(nèi)E點(diǎn)；圖8(d)清晰地反映了開關(guān)柜表面相對(duì)濕度最高點(diǎn)H的位置。

3.4 艙內(nèi)流場(chǎng)分布

多物理場(chǎng)仿真同樣獲得了正常天氣條件下艙內(nèi)各點(diǎn)空氣流速分布隨時(shí)間的變化情況。圖9給出了4月6日00：00時(shí)預(yù)制艙內(nèi)雙通風(fēng)口外側(cè)、相對(duì)濕度最高點(diǎn)E、開關(guān)柜表面點(diǎn)H、溫度最低點(diǎn)C(位于GIS表面)處的速度分布斷面圖。

分析圖9(a)可知，00：00時(shí)通風(fēng)口空氣流速上下大、中間小，有明顯的向中間的速度梯度；圖9(b)顯示經(jīng)通風(fēng)口流入艙內(nèi)的氣流先向艙頂運(yùn)動(dòng)，然后經(jīng)兩側(cè)艙壁向下運(yùn)動(dòng)；從圖9(c)可以看出開關(guān)柜處氣流流速接近0，艙頂和GIS外殼兩側(cè)空氣流速相對(duì)較大；圖9(d)中，艙壁附近、GIS外殼兩側(cè)流速明顯高于GIS表面的氣流流速?？偟膩?lái)說(shuō)，靠近艙內(nèi)通風(fēng)口處的空氣運(yùn)動(dòng)較為劇烈，艙壁四周、GIS外殼兩側(cè)空氣流速相對(duì)較大。

圖9 最大濕度時(shí)刻(00：00)不同截面的空氣流速分布Fig.9 Air velocity distribution in different sections at 00:00

綜合分析預(yù)制艙內(nèi)熱場(chǎng)、流場(chǎng)和濕度場(chǎng)的仿真結(jié)果。4月5日20：00至6日06：00，預(yù)制艙內(nèi)最大相對(duì)濕度為0.955，整個(gè)預(yù)制艙內(nèi)無(wú)凝露產(chǎn)生。

4 溫度驟降時(shí)艙內(nèi)凝露的仿真與研究

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，熱空氣遇到冷表面時(shí)就有可能發(fā)生凝露。當(dāng)預(yù)制艙外溫度突然下降時(shí)，艙內(nèi)空氣溫度的下降速率明顯小于艙壁及設(shè)備外殼溫度的下降速率，此時(shí)艙內(nèi)空氣溫度就會(huì)高于艙壁及設(shè)備外殼的溫度，當(dāng)溫差達(dá)到一定值或濕度足夠大，凝露就有可能發(fā)生在艙壁及設(shè)備外殼上，且溫度下降越快，冷凝的概率越大。

為了定量研究上述過(guò)程，假設(shè)艙內(nèi)初始溫度和相對(duì)濕度分別為20 ℃和0.8，外界環(huán)境溫度在1 h內(nèi)不同幅度驟降且相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)增大(溫度分別下降4 ℃、5 ℃、7 ℃，相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)上升0.1、0.1、0.15)，隨后保持。將環(huán)境溫度和濕度的變化以邊界條件的形式輸入仿真模型，研究0～4 h內(nèi)艙內(nèi)的冷凝狀況(保證艙內(nèi)相對(duì)濕度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))，不同條件下艙內(nèi)最大相對(duì)濕度變化仿真結(jié)果如圖10所示。需要說(shuō)明的是，本項(xiàng)目采用單相流研究凝露過(guò)程，由于降溫快或艙內(nèi)外溫差大，計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)相對(duì)濕度大于1的過(guò)飽和狀態(tài)，該過(guò)飽和的蒸汽轉(zhuǎn)化為液態(tài)水。

當(dāng)環(huán)境溫度在1 h內(nèi)降溫4 ℃時(shí)，圖10的仿真結(jié)果表明艙內(nèi)相對(duì)濕度在仿真開始3.5 h后上升至最大值0.98，然后維持穩(wěn)定，整個(gè)過(guò)程艙內(nèi)并無(wú)冷凝發(fā)生；當(dāng)環(huán)境溫度在1 h內(nèi)下降5 ℃時(shí)，艙內(nèi)相對(duì)濕度在仿真開始2 h后上升至1，然后一直穩(wěn)定在該值附近，說(shuō)明冷凝過(guò)程從2 h開始一直持續(xù)到了4 h，仿真結(jié)果顯示冷凝均發(fā)生在艙內(nèi)壁上，設(shè)備表面無(wú)冷凝發(fā)生；當(dāng)外界溫度在1 h內(nèi)驟降7 ℃時(shí)，仿真結(jié)果顯示不僅艙內(nèi)壁出現(xiàn)凝露，開關(guān)柜表面也會(huì)出現(xiàn)凝露(GIS外殼和匯控柜表面仍然無(wú)凝露)。圖11給出了環(huán)境溫度1 h內(nèi)驟降7 ℃情況下，仿真開始3.5 h后開關(guān)柜表面凝露的具體分布，此凝露面積達(dá)到了最大值。

圖10 不同溫度降幅下艙內(nèi)最大相對(duì)濕度隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Variation curves of maximum relative humidity inside cabin with time under different temperature drop

圖11 溫度1 h驟降7 ℃時(shí)開關(guān)柜表面凝露分布Fig.11 Condensation distribution on cabinet surface when temperature drops by 7 ℃ in one hour

為了阻止外部氣溫驟降時(shí)艙內(nèi)凝露的形成，建議：增強(qiáng)艙體的保溫隔熱能力，使艙內(nèi)壁溫度隨艙外溫度下降的過(guò)程變得緩慢，即延緩甚至阻止“冷表面”的形成；或者在冷凝發(fā)生前開啟空調(diào)，使艙內(nèi)的“熱空氣”降溫(開放通風(fēng)口也能加速這一過(guò)程)。

除濕機(jī)除濕是預(yù)制艙內(nèi)防凝露最簡(jiǎn)易、高效的方式。為了方便選取除濕機(jī)型號(hào)，仿真計(jì)算出了開關(guān)柜外表面D點(diǎn)附近空氣的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1 h內(nèi)驟降7 ℃時(shí))：1.28%(1 h后)、1.00%(2 h后)、0.92%(3 h后)、0.90%(4 h后)。

5 “回南天”時(shí)預(yù)制艙內(nèi)的凝露仿真與研究

“回南天”是凝露發(fā)生的高峰期，此時(shí)凝露的形成一般經(jīng)歷2個(gè)過(guò)程，首先是冷空氣侵襲造成持續(xù)低溫，然后暖濕氣流的涌入導(dǎo)致急劇的空氣溫升和濕度的近飽和，當(dāng)高濕的熱氣流碰到冷表面就會(huì)形成大量的冷凝水[21]。具體到預(yù)制艙來(lái)說(shuō)，外界高溫高濕的氣流經(jīng)過(guò)通風(fēng)口進(jìn)入處于低溫狀態(tài)的預(yù)制艙內(nèi)部，冷凝便會(huì)發(fā)生。為了探究此期間GIS預(yù)制艙內(nèi)的冷凝狀況，以環(huán)境溫度從20：00的23 ℃降低至次日06：00的19 ℃、環(huán)境濕度在0.95左右波動(dòng)來(lái)模擬“回南天”的暖濕氣流。其中艙內(nèi)的初始溫度設(shè)置為當(dāng)日最低氣溫16 ℃以模擬冷空氣導(dǎo)致的低溫，初始濕度設(shè)置為0.95，其他條件不變，進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真，觀察在高溫差、高濕度的環(huán)境下預(yù)制艙內(nèi)的冷凝狀況。

“回南天”天氣下預(yù)制艙內(nèi)最大相對(duì)濕度隨時(shí)間變化曲線如圖12所示。由于艙內(nèi)外初始溫差較大，外界熱濕空氣經(jīng)過(guò)通風(fēng)口進(jìn)入艙內(nèi)，遇到艙內(nèi)的低溫壁面導(dǎo)致冷凝發(fā)生。艙內(nèi)相對(duì)濕度從初始值0.95開始陡增，在20：15達(dá)到了1，21：00后穩(wěn)定在1附近直至次日06：00，這表明20：15至次日06：00艙內(nèi)存在冷凝。

圖12 “回南天”天氣下預(yù)制艙內(nèi)不同時(shí)刻最大相對(duì)濕度Fig.12 Maximum relative humidity inside cabin at different times in moist weather

由仿真結(jié)果可知：GIS表面凝露集中發(fā)生在21：00至次日01：00時(shí)段，主要分布在左側(cè)豎直部分底部；開關(guān)柜表面在21：00至次日05：00均有凝露產(chǎn)生，集中分布在外表面中間點(diǎn)D附近；匯控柜表面凝露持續(xù)時(shí)段較短，從23：00至次日00：00，凝露面積也較小，主要分布在其中間和底部位置。

21：00、23：00、01：00、03：00時(shí)刻艙內(nèi)的冷凝區(qū)域分布如圖13所示(藍(lán)色部分)，01：00和03：00時(shí)刻預(yù)制艙內(nèi)相對(duì)濕度分布如圖14所示。

由圖13可知：21：00時(shí)預(yù)制艙內(nèi)通風(fēng)口處、艙頂、艙壁處均發(fā)生了冷凝，圖6中的低溫點(diǎn)A和B包含在該冷凝區(qū)內(nèi)；23：00時(shí)艙頂和壁面的凝露面積仍然較大，開關(guān)柜外表面中間出現(xiàn)了局部冷凝；01：00和03：00時(shí)D處繼續(xù)保持冷凝狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移，預(yù)制艙內(nèi)的冷凝面積在逐漸減小，這是艙內(nèi)溫度逐漸回升、艙內(nèi)外溫差逐漸降低的結(jié)果。由圖14可知，外部熱濕空氣經(jīng)過(guò)通風(fēng)口進(jìn)入艙內(nèi)遇冷，使得艙頂部相對(duì)濕度明顯高于其他位置，當(dāng)熱濕空氣運(yùn)動(dòng)到設(shè)備表面便有可能導(dǎo)致凝露的發(fā)生(圖14(b))。

圖13 不同時(shí)刻預(yù)制艙內(nèi)冷凝區(qū)域分布Fig.13 Condensation distribution inside cabin at different times

圖14 不同時(shí)刻預(yù)制艙內(nèi)相對(duì)濕度分布Fig.14 Distribution of relative humidity inside cabin at 01:00 and 03:00

“回南天”時(shí)，高溫高濕的暖氣流經(jīng)過(guò)通風(fēng)口進(jìn)入艙內(nèi)，遇到低溫的艙壁和設(shè)備表面從而導(dǎo)致凝露的發(fā)生。此時(shí)最有效的防凝露手段是封閉所有通風(fēng)口，阻止外部的熱濕空氣進(jìn)入預(yù)制艙內(nèi)部；另外可以通過(guò)加熱法提高艙內(nèi)壁面和設(shè)備表面的溫度，從而破壞凝露形成所需的“冷表面”。

根據(jù)“回南天”天氣下的仿真結(jié)果，開關(guān)柜外表面D點(diǎn)附近空氣的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：1.28%(21：00)、1.00%(23：00)、0.92%(次日01：00)、0.90%(次日03:00)、1.28%(次日05：00)、1.28%(次日07：00)。

6 結(jié)論

本文以110 kV GIS預(yù)制艙為研究對(duì)象，建立了熱-流-濕度多物理場(chǎng)耦合模型，研究正常天氣狀況下預(yù)制艙內(nèi)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、濕度場(chǎng)中各個(gè)物理量的分布規(guī)律，分析艙內(nèi)低溫度、高濕度容易出現(xiàn)的時(shí)刻和具體位置；研究了突然降溫和“回南天”天氣下預(yù)制艙內(nèi)的冷凝情況及凝露發(fā)生時(shí)設(shè)備表面空氣中水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為除濕機(jī)選型提供指導(dǎo)。研究得到以下結(jié)論：

a)整個(gè)預(yù)制艙內(nèi)熱容效應(yīng)明顯，艙內(nèi)溫度變化率小于外界環(huán)境溫度的變化率。通風(fēng)口處、艙內(nèi)底部角落B點(diǎn)、GIS外殼底部C點(diǎn)、開關(guān)柜外表面D點(diǎn)是低溫易出現(xiàn)的位置。

b)艙內(nèi)相對(duì)濕度變化滯后外部環(huán)境相對(duì)濕度濕度變化約1 h。通風(fēng)口及其附近、開關(guān)柜外表面D點(diǎn)是容易出現(xiàn)高濕度的位置。艙內(nèi)溫度最小值和相對(duì)濕度最大值往往出現(xiàn)在同一位置，發(fā)生冷凝的概率相對(duì)較大。

c)溫度驟降及“回南天”天氣下，預(yù)制艙內(nèi)出現(xiàn)了大面積和長(zhǎng)時(shí)間的冷凝。溫度驟降時(shí)艙體內(nèi)壁和靠近艙壁的開關(guān)柜易產(chǎn)生凝露；“回南天”天氣下，外部熱濕氣流進(jìn)入艙內(nèi)導(dǎo)致了凝露的發(fā)生，具體位置包括關(guān)柜表面、GIS外殼底部、匯控柜外表面中間和底部。

d)防凝露的措施有：溫度驟降時(shí)應(yīng)提前打開艙門和通風(fēng)口散除艙內(nèi)的“熱空氣”，或提高艙壁的隔熱保溫能力以延緩艙壁溫的下降速度；“回南天”時(shí)應(yīng)提高預(yù)制艙的封閉措施，阻止外部高溫高濕的氣流進(jìn)入艙內(nèi)，同時(shí)可以采取加熱法提高艙內(nèi)壁面和設(shè)備表面的溫度。

下一步，將開展預(yù)制艙防凝露措施的定量研究。