半地下變電站室內(nèi)通風(fēng)與氣流組織分析

胡文斌，劉麗娜

(1.華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州510640;2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州510640)

隨著生活水平的提高，居民用電大幅增長(zhǎng)，同時(shí)大型公共建筑的規(guī)模、檔次也越來(lái)越高，用電量增加也非?？捎^，實(shí)際需求是要不斷地在用電負(fù)荷中心或附近建設(shè)變電站.但又不可能提供更多相對(duì)獨(dú)立的土地來(lái)用于變電站的建設(shè).因此，通過(guò)設(shè)計(jì)半地下或地下變電站并保持變電站室內(nèi)良好的通風(fēng)與散熱，也就成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵.

1 半地下變電站室內(nèi)通風(fēng)散熱問(wèn)題現(xiàn)狀分析

通過(guò)對(duì)大量變電站室內(nèi)通風(fēng)進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，造成變電站室內(nèi)通風(fēng)散熱效果不好的原因主要有以下3點(diǎn).

1.1 主變室通風(fēng)量不足

主變室通風(fēng)量不足導(dǎo)致主變室內(nèi)溫度偏高，進(jìn)而造成油溫過(guò)高，影響主變運(yùn)行.這種現(xiàn)象在全自然通風(fēng)變電站比較普遍，20世紀(jì)90年代中期建成投產(chǎn)的文德站，未改造前散熱器進(jìn)風(fēng)口設(shè)于室內(nèi)，當(dāng)門窗關(guān)閉時(shí)無(wú)風(fēng)可進(jìn)，散熱室頂部沒(méi)有抽風(fēng)機(jī)，主要靠煙囪效應(yīng)抽風(fēng)散熱，其主變油溫超過(guò)70℃左右，變壓器室溫接近40℃［1］.例如廣州伍仙門變電站主變室由于設(shè)計(jì)中借用走廊及門上網(wǎng)孔作為進(jìn)風(fēng)口，造成進(jìn)風(fēng)量不足，240 MVA的主變?cè)谪?fù)荷僅為70～80 MVA時(shí)油溫升已達(dá)45℃［2］.

1.2 主變室氣流組織

主變通過(guò)冷卻風(fēng)機(jī)引入室外空氣進(jìn)行降溫，所以氣流組織的好壞直接影響著主變冷卻效果.不合理的氣流組織方式很可能造成進(jìn)排風(fēng)短路，進(jìn)而影響主變的冷卻效果.

1.3 主變室布局不良

主變室過(guò)于狹小也會(huì)造成室內(nèi)溫度較高.20世紀(jì)90年代初期廣州投產(chǎn)的越秀、西關(guān)、黃沙變電站，雖然通過(guò)通風(fēng)改造，主變油溫過(guò)高現(xiàn)象已經(jīng)改善，但由于主變室較為狹小，室溫較高，巡視檢修時(shí)人會(huì)覺(jué)得很熱［3］.

半地下變電站由于變壓器置于室內(nèi)，使變壓器損耗所產(chǎn)生的熱量散發(fā)更加困難.因此，主變室的布局、主變室的通風(fēng)量及氣流組織的合理設(shè)計(jì)是保證供電效果、節(jié)約能源的重要環(huán)節(jié)［4］.

2 通風(fēng)與氣流組織設(shè)計(jì)方法

2.1 通風(fēng)量的計(jì)算

變電站通風(fēng)量計(jì)算中，不考慮四周墻壁的蓄熱及與外界傳熱，計(jì)算所得結(jié)果會(huì)有一定的裕度，這樣變壓器室所需通風(fēng)量為:

其中:L為變壓器房的通風(fēng)量，m3/h;Q為變壓器負(fù)載損耗，包括空載損耗、負(fù)載損耗、輔助損耗，kW;ρ為空氣密度取1.2 kg/m3;Cp為空氣比熱取1.012 kJ/kg;Δθ為進(jìn)出風(fēng)口溫差，機(jī)械排風(fēng)一般取10℃.

2.2 氣流組織設(shè)計(jì)

1)氣流組織設(shè)計(jì)的基本原則:一是合理組織進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口的設(shè)計(jì)，保證進(jìn)風(fēng)口的環(huán)境，避免或減少進(jìn)風(fēng)口路線有其他散熱源.二是充分利用進(jìn)風(fēng)的風(fēng)量，防止或減少氣流短路現(xiàn)象.三是盡量減少在進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)的全過(guò)程中各種阻力的損失.

2)氣流組織分析方法:通風(fēng)氣流組織分析方法主要有現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)法，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法3種.由于變電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，牽涉的環(huán)節(jié)較多，所以很難采用實(shí)驗(yàn)方法;風(fēng)洞試驗(yàn)周期長(zhǎng)，價(jià)格昂貴，不適合設(shè)計(jì)階段的方案分析，因而其適用性受到較大的局限;數(shù)值模擬利用相似原理，做出實(shí)際建筑的模型，放入風(fēng)洞，測(cè)定模型周圍的壓力分布，從而計(jì)算流速分布.數(shù)值模擬具有成本低、周期短、易于模擬真實(shí)條件的優(yōu)點(diǎn)，近些年逐步成為氣流組織分析的主要研究手段.

3 案例分析

3.1 概況

該案例為半地下建筑，其中地上兩層，地上兩層(主要部分局部一層).主要功能用房為:220 kV變電室、配電室、電容室、電抗室、控制室等.

3.2 模型介紹

在不丟失分析對(duì)象物理性能的前提下，主變室通風(fēng)分析模型做了一些簡(jiǎn)化，如圖1所示.

圖1 分析模型注釋示意圖

主要參數(shù)設(shè)置為:

屋頂排風(fēng)機(jī):單臺(tái)風(fēng)量58 000 m3/h，共4臺(tái);

送風(fēng)機(jī):單臺(tái)風(fēng)量10 000 m3/h，共5臺(tái);

主變散熱器自帶風(fēng)機(jī):單臺(tái)風(fēng)量12 500 m3/h，共5臺(tái)

屋頂排風(fēng)口:12 000 mm×2 000 mm;

地下室地板進(jìn)風(fēng)格柵:9 400 mm×900 mm;側(cè)墻進(jìn)風(fēng)百葉:9 400 mm×900 mm

3.3 方案分析

方案1:設(shè)置屋頂排風(fēng)機(jī)

在屋頂設(shè)置排風(fēng)機(jī)，考慮47次/h換氣次數(shù)，考察室內(nèi)風(fēng)速場(chǎng)和溫度場(chǎng)(見圖2、3).由圖3可知由于采用單側(cè)進(jìn)風(fēng)，使得相對(duì)側(cè)的空氣溫度偏高，由此提示需要增加進(jìn)風(fēng)部位.

方案2:外墻增加進(jìn)風(fēng)夾層

外墻增加進(jìn)風(fēng)夾層后，靠外墻側(cè)區(qū)域的溫度明顯降低，超過(guò)45℃區(qū)域的面積明顯減少，但是仍然可以看出，地下室進(jìn)風(fēng)側(cè)的冷卻空氣存在短路，沒(méi)有起到應(yīng)有的冷卻效果，由此提示，在地下室進(jìn)風(fēng)側(cè)增加導(dǎo)流的構(gòu)造或直接設(shè)置風(fēng)機(jī)，將冷空氣直接導(dǎo)向主變散熱器位置，提高散熱效果(見圖4、5).

圖4 方案2主變室垂直方向風(fēng)速分布(等值線)

圖5 方案2主變室垂直方向溫度分布(等值線)

方案3:地下室地板進(jìn)風(fēng)格柵增加風(fēng)塔

在地下室地板進(jìn)風(fēng)格柵增加風(fēng)塔，風(fēng)塔側(cè)面開網(wǎng)式風(fēng)口，風(fēng)口高1 000 mm，地步距地200 mm.地下室地板進(jìn)風(fēng)格柵上增加風(fēng)塔后，有效阻止了冷空氣直接沿墻上升被排走的區(qū)域，將冷空氣直接導(dǎo)入主變散熱器的下部，提高冷卻效果，避免了冷空氣的損失.由此可以進(jìn)一步提示，利用送風(fēng)機(jī)將冷空氣直接送入熱器下部會(huì)更有效(見圖6、7).

方案4:地下室進(jìn)風(fēng)塔增加送風(fēng)機(jī)

送風(fēng)機(jī)可以更直接地將冷空氣送入散熱器下部，從而減少超過(guò)45℃區(qū)域的面積(見圖8、9).取得了良好的通風(fēng)散熱效果，但增加了一定的投資，需根據(jù)實(shí)際情況采用.

4 結(jié)語(yǔ)

利用數(shù)值模擬方法分析了主變室四種不同的

氣流組織方案的通風(fēng)散熱效果，得出以下結(jié)論.

增加屋頂機(jī)械排風(fēng)機(jī)后，室內(nèi)通風(fēng)和散熱的效果都得到了較為明顯的改善，但是一部分從地下室地板進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的冷空氣形成短路，有一定程度的浪費(fèi)，并且造成與地板進(jìn)風(fēng)口相對(duì)一側(cè)的溫度偏高，通過(guò)增加進(jìn)風(fēng)部位會(huì)改善其通風(fēng)效果.

在外墻增加進(jìn)風(fēng)夾層之后，靠外墻區(qū)域的通風(fēng)散熱得到明顯改善，使得室內(nèi)超過(guò)45℃區(qū)域的溫度場(chǎng)面積明顯減小，但地下室地板進(jìn)入的冷卻空氣的短路效應(yīng)沒(méi)有改善.

為了改進(jìn)地下室地板進(jìn)風(fēng)的短路效應(yīng)，在地下室地板進(jìn)風(fēng)格柵增加了風(fēng)塔，效果顯著，但投資費(fèi)用會(huì)有一定的增加，進(jìn)入的冷卻空氣不能完全進(jìn)入散熱器的底部.

在地下室進(jìn)風(fēng)塔上增加了送風(fēng)機(jī)，可以看出，室內(nèi)的風(fēng)速場(chǎng)和溫度場(chǎng)效果達(dá)到了最好，也使得從地下室進(jìn)入的冷空氣得到充分的利用，但這種方式排風(fēng)機(jī)數(shù)量增加較多，噪聲源也多，消聲降噪的費(fèi)用也增加不少，總投資最大.

綜合比較，方案3、4均能取得較好的通風(fēng)散熱效果，但前者所用的風(fēng)機(jī)數(shù)量不多，噪聲源集中，施工方便，總投資較少;而后者排風(fēng)機(jī)較多，噪聲源也多，總投資最大.

［1］ 莫文雄，曾文斐.室內(nèi)變電站主變通風(fēng)散熱問(wèn)題的分析及對(duì)策［J］.廣東輸電與變電技術(shù)，2004(5):27－31.

［2］ 余曉峰.室內(nèi)變電站設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題［J］.廣東電力，2001，14(2):74－78.

［3］ 吳镠镠，周建華.全自然通風(fēng)室內(nèi)110 kV自冷式大型主變的噪聲及溫升［J］.浙江電力，1999(5):11－14.

［4］ 樊德璽，劉欣彤.地下車庫(kù)自然通風(fēng)設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)報(bào)，2010，26(3):363－367.