白鶴灘水電站地下主廠房發(fā)電機層氣流組織研究

熊　健　劉　勇　陳林樂（重慶大學　重慶　400045）

?

白鶴灘水電站地下主廠房發(fā)電機層氣流組織研究

熊健劉勇陳林樂
（重慶大學重慶400045）

【摘要】通過對金沙江白鶴灘水電站地下主廠房按照1:20的相似比例建立物理模型，按照相似模型律，計算出實驗模型的送風量和發(fā)熱量，進行熱態(tài)氣流組織實驗。通過布置在發(fā)電層區(qū)的溫度測點和速度測點來分析模型的溫度場和速度場分布，進而推算原型的溫度場和速度場分布，從而驗證設計方案的可行性。實驗安排了四種不同工況進行，根據實驗結果分析知，發(fā)電機層拱頂送風的氣流組織形式采用垂直下送，雙排風口均勻送風的方式能夠使工作區(qū)的溫度場和速度場分布均勻，工作區(qū)水平方向溫度分布規(guī)律為：安裝場段溫度比較均勻，機組段溫度分布略為不均，從安裝場段到3號機組段溫度逐漸升高，但是整體溫度場分布還比較均勻，溫差不是很大。同時工作區(qū)速度范圍在0.2～0.5m/s，滿足《規(guī)范》要求，因此這種氣流組織方案合理可行。

【關鍵詞】水電站；氣流組織；發(fā)電機層；拱頂送風

0　引言

水電站主廠房通風空調的任務主要是排除發(fā)電機及室內各種電氣設備散向廠房的余熱，保持廠房內工作區(qū)的溫、濕度及氣流速度在規(guī)范規(guī)定的允許范圍以內，為廠房內的工作人員創(chuàng)造適宜的微環(huán)境氣候及保證各種生產設備的安全正常運行。地下廠房通風是否良好，氣流組織效果如何，直接關系到工作人員的身體健康、精神狀態(tài)、工作情緒以及工作效率等，還會對一些機器設備的正常運行造成影響，從而影響到整個電站的正常運行。因此合理組織地下廠房內空氣的流動與分布，確保其通風空調效果是十分重要的[1,2]。白鶴灘水電站地下主副廠房深埋于地下，地下洞室縱橫交錯，內部熱濕環(huán)境復雜多變。為了保證發(fā)電機組穩(wěn)定高效地運行，必須使地下廠房的熱濕環(huán)境控制在合理的范圍之內，因此需要合理地設計氣流組織形式和通風空調方案。由設計院提供的相關資料知，其主廠房發(fā)電機層氣流組織采用成熟的拱頂送風方式，送風是通過設置在拱頂的四條主風管提供，主風管垂直向下連接有送風支管，由送風支管向下垂直送風，拱頂上部均勻布置兩排風口。本文旨在通過對金沙江白鶴灘水電站地下主廠房按照1:20的相似比例建立物理模型，按照相似模型律計算出實驗模型的送風量和發(fā)熱量，進行熱態(tài)氣流組織實驗，通過布置在發(fā)電機層工作區(qū)的溫度測點和速度測點來分析模型的溫度場和速度場分布，進而推算原型的溫度場和速度場分布，從而驗證設計方案的可行性。

1　工程概況

白鶴灘水電站位于云南省巧家縣城下游約42km的金沙江峽谷河段上，地處我國西南，為金沙江下游河段梯級開發(fā)的第2級電站，上接烏東德水電站下鄰溪洛渡水電站。白鶴灘水電站的開發(fā)任務以發(fā)電為主，兼顧防洪，并有攔沙、改善下游航運條件和發(fā)展庫區(qū)通航等綜合利用效益，是西電東送骨干電源點之一。設計總裝機容量達16000MW，僅次于三峽電站，分左右岸兩個地下廠房布置，每個廠房裝機8000MW。工程主要由地下廠房洞室群（主要為主廠房洞、主變洞、尾水閘門洞以及與上述三洞相連接的母線洞、電纜洞和交通運輸洞）、相關地下洞室群（進廠交通洞、進風洞、排風洞、尾調交通洞、水墊塘交通洞、灌漿廊道、排水廊道、上壩交通洞、尾閘交通洞、左右岸廠房連通交通洞等）、500kV地面開關站及電纜豎井、引水和尾水建筑物、壩區(qū)建筑物以及其它地面建筑等組成。主廠房深埋于錯綜復雜的地下洞室群中，地下廠房規(guī)模世界第一。廠內電力設備設施系統(tǒng)復雜，對社會經濟運行影響大，運行安全和可靠性要求高。通風空調及防排煙系統(tǒng)對保障地下電站的生產環(huán)境和運行安全十分關鍵。通過通風空調及防排煙系統(tǒng)的作用，將地下廠房不同部位的空氣溫度、濕度、速度控制在一定的范圍，及時送入新鮮空氣和排除污染空氣、火災煙氣，才能保證電廠發(fā)電、變電設備及其關聯系統(tǒng)安全、可靠、高效、長壽命地運行，最大限度降低事故發(fā)生率，為工作人員提供健康舒適和安全的工作環(huán)境，并在事故時為人員撲救和逃生提供安全通道，將損失降至最低。

2　模型試驗設計與測試方法簡介

2.1相似比例尺的確定

在進行模型試驗時，首先要確定模型的幾何比例尺CL。一般認為CL越大，越容易真實地模擬原型，但CL越大，模型的造價越高，需要的實驗場地越大，試驗觀察的難度，特別是全面觀察的難度越大[3]。在充分考慮了試驗經費和試驗場地的實際情況后，確定本次模型試驗的幾何比例尺為CL=1:20。本實驗采用熱量阿基米德模型律[4]，Arqm=Arqn，即：

其中，ρ0為送風氣流的密度，kg/m3；V0為平均送風風速，m/s；F為送風口面積，m2。

由氣體狀態(tài)方程P·V ＝m·R·T，得：

風速比例尺：Cv＝( Cl)1/ 2＝1/4.4721

0風量比例尺：

熱量比例尺：

各比例尺匯總如表1所示。

表1　相似比例尺Table 1 Similar scale

2.2測點的布置及測試方法

2.2.1溫度和風速測點的布置

為反映地下廠房溫度場和速度場分布規(guī)律，模型試驗臺設計中需要根據廠房的結構和設備布置情況合理地布置溫度、風速測點。一方面，合理的測點位置能準確、客觀地反映出廠房內部空間的溫度場和速度場；另一方面，也可以避免不必要的重復勞動、材料浪費，提高工作效率，節(jié)約試驗費用。

（1）溫度測點布置方案

發(fā)電機層：共73個溫度測點，安裝場段15個測點，9個位于工作區(qū)，6個縱向兩排布置，每排3個測點；1號和2號機組段工作區(qū)8個測點，3號機組段工作區(qū)11個測點，2號機組段縱向又布置兩層，每層有8個測點，每個機組段對應排風口處3個測點，每個樓梯間2個測點。測點編號的第1位數字表示不同機組段，0表示安裝場，1表示1號機組段，2表示2號機組段，3表示3號機組段；第2位表示溫度測點縱向位置，1表示工作區(qū)，2表示中間測點，3表示上部測點；第3位表示同一水平面的測點編號。測點布置位置如圖1所示。

圖1　發(fā)電機層溫度測點布置圖Fig.1 Dynamo Floor temperature measurement point layout

（2）風速測點布置方案

發(fā)電機層共布置了81個測點，其中：安裝場段測點分為上、中、下三層，每層9個測點，共27個測點；1至3號機組段，每個機組段測點也分為上、中、下三層，每層6個測點，共18個測點。測點編號的第1位數字表示不同機組段，0表示安裝場，1表示1號機組段，2表示2號機組段，3表示3號機組段；第2位表示風速測點縱向位置，1表示工作區(qū)，2表示中間測點，3表示上部測點；第3位表示同一水平面的測點編號。測點布置位置如圖2所示。

圖2　發(fā)電機層速度測點布置圖Fig.2 Dynamo Floor velocity measurement point layout

2.2.2測試方法

測試各測點的溫度及速度所采用的測定方法與儀器類型如下：

（1）溫度

對于模型內部空間的溫度測點，采用T型熱電偶（銅-康銅）作溫度傳感器，測溫范圍，-200℃～+350℃，利用Agilent34980A多功能開關/測量單元自動記錄各溫度測點的溫度值。

（2）風速

采用testo425精密型熱敏風速儀測量各送、排風管道的風速。采用testo480多功能檢測儀測量模型空間的風速。

testo425精密型熱敏風速儀：溫度量程，-20℃～+70℃，精度，±0.5℃（0～+60℃），分辨率，0.1℃；風速量程，0～20m/s，精度± （0.03m/s+5%測量值），分辨率，0.01m/s。

testo480多功能檢測儀：溫度量程，-20℃～+70℃，精度，±0.5℃，分辨率，0.1℃；風速量程，0～20m/s，精度±（0.03m/s+4%測量值），分辨率，0.01m/s。

3　實驗測試

3.1實驗內容

本次實驗的主要內容是通過對布置在發(fā)電機層內各溫度及速度測點的測試，得到發(fā)電機層的溫度分布及速度分布，進而分析發(fā)電機層的溫度場及速度場是否均勻，溫度是否滿足設計要求，速度是否滿足《規(guī)范》要求，以驗證拱頂均勻送風氣流組織的合理性。文獻[4,5]中對水電站地下主廠房的氣流組織形式做了一些研究，有一定的指導意義。

3.2實驗的主要參數

白鶴灘水電站原型中，拱頂設計送風量是720000m3/h，根據相似比計算出模型拱頂送風量為159.48m3/h，原型中送風管為矩形風管，模型采用圓形PVC管代替，風量和風口參數如表2所示，拱頂送風空氣流程圖如圖3所示。

表2　拱頂送風風量及風口參數表Table 2 Air volume and air datasheets of dome blowing

圖3　拱頂送風空氣流程圖Fig.3 Dome blowing air flow chart

表3　模型試驗工況安排表Table 3　 Model test conditions schedule

3.3實驗工況安排

為了有效的反映氣流組織特性，本次實驗安排了四組工況來驗證氣流組織的合理性，具體的工況安排如表3。

4　實驗結果及分析

4.1溫度測試結果及分析

在分析發(fā)電機層溫度場分布時，我們比較關心的是工作區(qū)的溫度是否能滿足要求，這里著重對工作區(qū)的溫度測試結果進行整理分析。前面已經介紹了工作區(qū)測點編號的規(guī)律，具體可見下表4。

表4　工作區(qū)溫度測點編號Table 4 Workspace temperature measurement point number

在工況1-工況4條件下，對工作區(qū)溫度測試結果進行整理得圖4-圖7。

圖4　工況1條件下工作區(qū)溫度測試結果Fig.4 Temperature test results of workspace under the first condition

從圖4分析知，發(fā)電機層工作區(qū)溫度分布范圍為24.7-29.0℃。其中，安裝場段工作區(qū)溫度分布范圍為24.7-25.0℃；1號機組段工作區(qū)溫度分布范圍為25.1-27.5℃；2號機組段工作區(qū)溫度分布范圍為27.4-28.7℃；3號機組段工作區(qū)溫度分布范圍為28.0-29.0℃。工作區(qū)水平方向溫度分布規(guī)律為：安裝場段溫度比較均勻，機組段溫度分布不均勻，從安裝場段到3號機組段溫度逐漸升高。

圖5　工況2條件下工作區(qū)溫度測試結果Fig.5 Temperature test results of workspace under the second condition

從圖5分析知，發(fā)電機層工作區(qū)溫度分布范圍為23.9-28.1℃。其中，安裝場段工作區(qū)溫度分布范圍為23.9-24.1℃；1號機組段工作區(qū)溫度分布范圍為24.2-26.7℃；2號機組工作區(qū)溫度分布范圍為26.4-27.9℃；3號機組工作區(qū)溫度分布范圍為26.9-28.1℃。工作區(qū)水平方向溫度分布規(guī)律為：安裝場段溫度比較均勻，機組段溫度分布不均勻，從安裝場段到3號機組段溫度逐漸升高。

從圖6分析知，發(fā)電機層工作區(qū)溫度分布范圍為22.8-27.3℃。其中，安裝場段工作區(qū)溫度分布范圍為22.8-23.1℃；1號機組段工作區(qū)溫度分布范圍為23.0-25.5℃；2號機組段工作區(qū)溫度分布范圍為25.6-27.1℃；3號機組段工作區(qū)溫度分布范圍為25.9-27.3℃。工作區(qū)水平方向溫度分布規(guī)律為：安裝場段溫度比較均勻，機組段溫度分布不均勻，從安裝場段到3號機組段溫度逐漸升高。

圖6　工況3條件下工作區(qū)溫度測試結果Fig.6 Temperature test results of workspace under the third condition

圖7　工況4條件下工作區(qū)溫度測試結果Fig.7 Temperature test results of workspace under the fourth condition

從圖7分析知，發(fā)電機層工作區(qū)溫度分布范圍為21.7-27.0℃。其中，安裝場段工作區(qū)溫度分布范圍為21.7-21.9℃；1號機組段工作區(qū)溫度分布范圍為21.8-24.6℃；2號機組段工作區(qū)溫度分布范圍為24.8-26.5℃；3號機組段工作區(qū)溫度分布范圍為25.3-27.0℃。工作區(qū)水平方向溫度分布規(guī)律為：安裝場段溫度比較均勻，機組段溫度分布不均勻，從安裝場段到3號機組段溫度逐漸升高。

結論：發(fā)電機層工作區(qū)水平方向溫度分布規(guī)律為：安裝場段溫度比較均勻，而機組段溫度分布略為不均，從安裝場段到3號機組段溫度有升高趨勢，主要因為安裝場段沒有發(fā)熱源，而機組段有集中熱源，并且靠近機組的測點溫度值會偏高，但是整體溫度場分布還比較均勻，溫差不是很大。同時，比較工況1-4可知，當送風溫度降低時，溫度場的均勻性提高。所以，采用拱頂垂直下送的氣流組織形式能使工作區(qū)溫度分布比較均勻。

4.2速度測試結果及分析

由于發(fā)電機組全開時所有工況（工況1-工況4）拱頂送風的送風量和送風速度都一樣，故只測試了工況1的速度場分布情況，工況2-工況4的速度場分布規(guī)律和工況1一樣。將工況1條件下工作區(qū)測點的速度測試結果進行整理得圖8。

由圖8可以看出：模型試驗中，發(fā)電機層工作區(qū)風速測點環(huán)境風速分布范圍為0.05-0.08m/s，速度場分布比較均勻。按照風速相似比例尺1/4.4721，原型發(fā)電機層工作區(qū)（距地面1.50m）環(huán)境風速分布范圍為0.22-0.36m/s；工作區(qū)環(huán)境風速滿足0.2-0.5m/s的設計要求。

圖8　工作區(qū)速度測試結果Fig.8 Velocity test results of workspace

5　結論

發(fā)電機層拱頂送風氣流組織形式采用垂直下送，雙排風口均勻送風，能夠使發(fā)電機層工作區(qū)的速度場比較均勻，工作區(qū)速度范圍在0.2～0.5m/s，滿足《規(guī)范》要求；同時溫度場的分布也比較均勻，發(fā)電機層工作區(qū)水平方向溫度分布規(guī)律為：安裝場段溫度比較均勻，而機組段溫度分布略為不均，從安裝場段到3號機組段溫度有升高趨勢，主要因為安裝場段沒有發(fā)熱源，而機組段有集中熱源，并且靠近機組的測點溫度值會偏高，但是整體溫度場分布還比較均勻，溫差不是很大。因此這種氣流組織形式應用在白鶴灘水電站是合理可行的。

參考文獻：

[1]何喆,何天祺.瑯琊山水電站地下發(fā)電機層氣流組織后續(xù)模型試驗與研究[J].制冷與空調,2005,(3):1-4.

[2]田忠保.水電站地下廠房頂部送風氣流組織試驗[J].西北水電,1996,(1):47-51,39.

[3]周謨仁.流體力學泵與風機[M].北京:中建筑工業(yè)出版社,1994.

[4]付祥釗.水電站地下主廠房頂送風研究[J].暖通空調, 1996,26(2):59-62.

[5]付祥釗.地下水電站的送風方案模型實驗研究[J].重慶建筑工程學院學報,1992,(4):102-109.

Dynamo Floor Airflow Research of BAIHETAN Main Underground Powerhouse

Xiong Jian Liu Yong Cheng Linle
( Chongqing University, Chongqing, 400045 )

【Abstract】Build a physical model of BAIHETAN main underground powerhouse in a similar ratio of 1:20, by the law in a similar model to calculate the amount of air and heat of experimental models, then make hot state airflow test. By arranging temperature measuring points and speed measuring points in the electric power generation layer zone to analyze temperature and velocity distribution of model, and then calculate the temperature field and velocity field of prototypes to verify the feasibility of the design. Experiments were arranged four different conditions, according to experimental results known, the generator layer dome air flow organizational forms in a manner of vertical bottom feed and double outlet uniform airflow that enables a uniform temperature field and velocity distribution of workplace. The horizontal temperature distribution of the work area is: the temperature of installation field is relatively uniform and the temperature distribution of unit segment is slightly uneven. Temperature gradually increasing from installation segment to Unit 3 segment, but the overall temperature distribution is still relatively uniform, the temperature difference is not great. At the same time the work zone speed range 0.2～0.5m/s, to meet the "standard" requirement, and therefore this air program is reasonable and practicable.

【Keywords】powerhouse; airflow; Dynamo Floor; dome air flow

中圖分類號TU84

文獻標識碼B

文章編號：1671-6612（2016）01-072-06

作者簡介：熊健（1991.08-），男，在讀碩士研究生，E-mail：jakyxiong2014@163.com

通訊作者：劉勇（1977.05-），男，博士，講師，E-mail：guoliuyong@163.com

收稿日期：2015-06-10