海洋平臺(tái)發(fā)電機(jī)組通風(fēng)散熱的數(shù)值模擬

馬仲麟 熊至宜 李 濤 張 維

（1.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院； 2.過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.長(zhǎng)慶油田分公司北京辦事處； 4.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司）

由于海洋平臺(tái)所處環(huán)境十分惡劣，長(zhǎng)期處于日曬且溫度較高的環(huán)境中，平臺(tái)面積有限，設(shè)備布置緊湊［1］。如果通風(fēng)散熱方式布置不恰當(dāng)，易出現(xiàn)高溫區(qū)域面積增大、散熱困難的現(xiàn)象，若機(jī)房?jī)?nèi)溫度過高會(huì)使發(fā)電機(jī)組高溫報(bào)警而停機(jī)［2］。 因此，需要設(shè)計(jì)合理的平臺(tái)通風(fēng)形式。

國內(nèi)對(duì)于大型設(shè)備通風(fēng)散熱系統(tǒng)的研究有很多， 杜亮等采用CFD 技術(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)散熱進(jìn)行了分析，獲取了其溫度場(chǎng)和流速分布，并對(duì)原有散熱系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，降低了機(jī)艙溫度［3］。 陳明等對(duì)風(fēng)電塔筒底部空間的散熱進(jìn)行研究，通過加裝軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)換熱， 使溫度達(dá)到了電氣部件正常工作的要求［4］。邊茜茜對(duì)變電站進(jìn)行了研究， 提出了解決室內(nèi)通風(fēng)散熱的常用方案［5］。楊風(fēng)允等對(duì)海上平臺(tái)發(fā)電機(jī)組散熱系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬， 得到其溫度場(chǎng)和高溫區(qū)域分布，針對(duì)問題改進(jìn)通風(fēng)方案，獲得了良好的通風(fēng)散熱效果［6］。顧登峰對(duì)地下車庫的送風(fēng)口和排風(fēng)口進(jìn)行調(diào)整， 發(fā)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)散熱系統(tǒng)也有很大影響［7］。 佟海利等對(duì)室內(nèi)通風(fēng)散熱能力進(jìn)行了研究， 研究了室內(nèi)變壓器散熱能力不良的原因［8］。國外也有針對(duì)房間內(nèi)通風(fēng)散熱系統(tǒng)的研究，Romanova T M 等通過對(duì)某電廠汽輪機(jī)房?jī)?nèi)通風(fēng)情況進(jìn)行測(cè)試，研究了廠房?jī)?nèi)溫度分布的均勻性［9］。Nielsen P V 首次應(yīng)用軟件模擬湍流k-ε 模型研究室內(nèi)空氣流動(dòng)，為研究湍流奠定基礎(chǔ)［10］。Li K 和The S L 采用低雷諾數(shù)湍流模型討論熱壓作用下的通風(fēng)問題， 研究通風(fēng)效果與開窗高度、熱源強(qiáng)度的關(guān)系［11］。

目前，對(duì)于海洋平臺(tái)發(fā)電機(jī)組通風(fēng)散熱系統(tǒng)的研究還比較少，對(duì)于該系統(tǒng)的氣體流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的研究還不足。 因此，筆者針對(duì)海洋平臺(tái)發(fā)電機(jī)組機(jī)房建立模型，借助數(shù)值模擬的方法，對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)氣流和溫度的分布進(jìn)行模擬研究，通過改變送風(fēng)方式分析兩者的變化，以獲得較好的通風(fēng)方案。

1 研究對(duì)象和建模

海洋平臺(tái)發(fā)電機(jī)組機(jī)房?jī)?nèi)共有4 臺(tái)發(fā)電機(jī)組（三用一備），機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備布設(shè)如圖1 所示。 發(fā)電機(jī)組的散熱元件為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)散熱量209kW，電機(jī)散熱量113kW，排風(fēng)口通風(fēng)量118 300kg/h。

圖1 機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備布設(shè)示意圖

原通風(fēng)方案進(jìn)風(fēng)口為45°向下送風(fēng)， 共有4個(gè)進(jìn)風(fēng)口布置在機(jī)組前方屋頂，4 個(gè)排風(fēng)口設(shè)置在機(jī)組后方屋頂。 在原方案的基礎(chǔ)上， 提出了3個(gè)改進(jìn)方案：方案一為上部多風(fēng)口送風(fēng)，在每臺(tái)發(fā)電機(jī)組上方安裝兩個(gè)風(fēng)道， 在每個(gè)風(fēng)道上開5個(gè)風(fēng)口，向下送風(fēng)；方案二為上部送風(fēng)，4 個(gè)風(fēng)口安裝在機(jī)組正上方屋頂，每個(gè)風(fēng)口由兩個(gè)風(fēng)道送風(fēng)，送風(fēng)口向內(nèi)45°，給發(fā)電機(jī)組連接處送風(fēng)；方案三為底部正向送風(fēng)，共設(shè)5 個(gè)風(fēng)道，安裝在機(jī)組前方靠近墻體的屋頂上，將風(fēng)道向下延長(zhǎng)至與機(jī)組高度相同位置，平吹送風(fēng)。3 個(gè)改進(jìn)方案只調(diào)整風(fēng)道，不改變通風(fēng)量。

2 模擬計(jì)算的設(shè)定

通過文獻(xiàn)研究對(duì)比， 筆者選用SST k-ω 湍流模型， 既可以應(yīng)用在低雷諾數(shù)的湍流模型， 又可以應(yīng)用在遠(yuǎn)離壁面的地方即邊界層以外的區(qū)域，這在涉及逆壓梯度的流動(dòng)分離問題中具有明顯優(yōu)勢(shì)，有更高的精度和可信度［12，13］。

根據(jù)熱力設(shè)備的表面積和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，通過傳熱學(xué)中關(guān)于對(duì)流散熱量的計(jì)算方法進(jìn)行求解得到溫差。 進(jìn)風(fēng)口空氣溫度為外界環(huán)境溫度，排風(fēng)口設(shè)置為壓力出口，與大氣壓連接；熱源表面和墻壁設(shè)為無滑移壁面定溫邊界條件。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 氣流分布

圖2 為機(jī)房縱切面氣體流場(chǎng)分布云圖。 由圖2 可看出：原方案中電機(jī)周圍氣體流速很小，在機(jī)組前方和后方也有一大片區(qū)域流速很小，這表明機(jī)房?jī)?nèi)氣體流通性很差，氣流分布不均勻，不能很好地將熱量帶出機(jī)房；方案一中靠近墻壁和地面附近的氣體流速分布不均勻，氣流可能會(huì)在這些區(qū)域停滯，氣體流通性較差；方案二中機(jī)組周圍的氣流速度較大，但是在機(jī)組后方氣流速度較小， 導(dǎo)致高溫氣體堆積在機(jī)組后方無法排出；方案三中機(jī)組周圍氣流分布較均勻，表示氣體流通性較好，湍流分布均勻，利于高溫氣體排出。

圖2 機(jī)房縱切面氣體流場(chǎng)分布云圖

對(duì)比以上氣流分布云圖，可以看出，方案三的氣體流場(chǎng)分布均勻、流通性較好，可以形成適宜的工作溫度環(huán)境。

3.2 溫度分布

圖3 為機(jī)房縱切面溫度分布云圖。 由圖3 可看出：原方案中，機(jī)房?jī)?nèi)整體溫度較高，尤其在發(fā)電機(jī)組兩側(cè)和后方的高溫面積較為集中，降溫效果差； 方案一中發(fā)電機(jī)組兩側(cè)的高溫面積減小，且整體降溫效果有所改善，但在靠近墻壁和地面的區(qū)域溫度較高；方案二中雖然發(fā)電機(jī)組兩側(cè)的溫度明顯降低，但在發(fā)電機(jī)組前方有大面積高溫區(qū)域；方案三中發(fā)電機(jī)組前方的溫度基本與外界環(huán)境溫度相同，高溫區(qū)域面積較小且集中在發(fā)電機(jī)組兩側(cè)，機(jī)房?jī)?nèi)整體溫度明顯降低，降溫效果有明顯改善。

圖3 機(jī)房縱切面溫度分布云圖

另外，平均溫度可以直觀地看出機(jī)房?jī)?nèi)通風(fēng)散熱的效果。 4 種送風(fēng)方式下機(jī)房?jī)?nèi)的平均溫度見表1。

表1 不同送風(fēng)方案機(jī)房?jī)?nèi)平均溫度 K

由表1 可知，原方案平均溫度最高，方案一和方案二平均溫度次之， 方案三平均溫度最低，即方案三的降溫效果顯著。

3.3 高溫區(qū)域面積對(duì)比

圖4 4 種方案的機(jī)房高溫區(qū)域面積對(duì)比

圖4 所示的是4 種送風(fēng)方式的高溫區(qū)域面積。 由圖4 可看出：原方案的高溫區(qū)域面積較大，大部分高溫區(qū)域分布在機(jī)房邊緣、頂部和地面周圍，主要原因是該送風(fēng)方式?jīng)]有在機(jī)房?jī)?nèi)形成很好的空氣流動(dòng)， 無法有效地將高溫氣體排出；方案一在發(fā)電機(jī)組周圍降溫效果明顯，但在靠近墻體和地面附近仍然存在小范圍的高溫區(qū)域，主要原因是上部送風(fēng)形成的湍流大多分布在發(fā)電機(jī)組頂部，墻體和地面附近氣體流速很小導(dǎo)致高溫區(qū)域存在；方案二有效降低了發(fā)電機(jī)組兩側(cè)的溫度， 但在發(fā)電機(jī)組后方仍有大面積的高溫區(qū)域，致使機(jī)房?jī)?nèi)平均溫度過高，主要原因是整個(gè)房間的湍流程度不夠，在發(fā)電機(jī)組后方氣流形成“窩風(fēng)”現(xiàn)象，高溫氣流無法排出機(jī)房；方案三在機(jī)房?jī)?nèi)形成了很充分的湍流分布， 氣體流通性較好，使大多高溫氣體排出，致使機(jī)房?jī)?nèi)平均溫度最低且高溫區(qū)域面積最小。

4 結(jié)束語

原方案由于沒有形成良好的氣體流通性，在發(fā)電機(jī)組附近空氣流速較慢，導(dǎo)致熱量無法排出機(jī)房，平均溫度較高，室內(nèi)高溫區(qū)域面積最大，通風(fēng)散熱效果最差。 筆者提出的改進(jìn)方案一、二的氣體流通性不佳，湍流分布不均勻，而方案三在機(jī)房?jī)?nèi)形成了很充分的湍流分布，氣體流通性較好，可促使機(jī)房?jī)?nèi)的高溫氣體排出，平均溫度最低，室內(nèi)高溫區(qū)域面積最小，通風(fēng)散熱效果最好且實(shí)施成本較低，故為最佳通風(fēng)方案。