抽水蓄能電站地下廠房通風數據模擬研究

中國水電四局第三分局 鄭 凱 潘潤霞

1 抽水蓄能電站地下廠房自然通風的影響因素

抽水蓄能電站地下廠房自然通風的影響因素主要有風壓與熱壓兩大因素：一是風壓。各洞口與豎井頂部排風口受到的風壓作用較大，其壓力大小主要取決于室外風速與風向。根據相關學者的研究，若風速處于1～9m/s，且風向與風口平面相垂直時，此時風壓系數可取值為0.7，則對應的風壓Pw計算表達式如下所示：

式中，ρw、uw分別為室外空氣密度與風速，單位分別為kg/m3與m/s；cosα 為當室外風向與洞口平面間夾角為α 時的余弦值。

二是熱壓。熱壓是指抽水蓄能電站地下廠房因為溫差而引起的室內外空氣壓力差，一般而言，交通洞與出線豎井的兩端高差較大，當室外空氣流入到地下廠房后，會同廠房內的巖壁以及散熱設備間發生換熱現象，從而導致通風狀態下的地下廠房具有一定熱壓[1]。熱壓并非獨立的因素，其既取決于氣流溫度或密度分布的通風結果，又受到通風流動的動力與傳熱效果等影響，表現出較強的動態變化特性[2]。

地下廠房自然通風各參數為風壓與熱壓相互作用的結果，具體相互關系如圖1所示，若想準確預測出地下廠房通風數據，則必須將風壓與熱壓對自然通風的影響關系用數學模型表示出來，即需要構建通風流動與維護結構動態傳熱的計算模型。

圖1 地下廠房自然通風的作用關系

2 抽水蓄能電站地下廠房通風計算模型

2.1 各洞室溫度分布計算方法

在模擬地下廠房通風數據時，需要考慮各洞室的總散熱量，以確定精準的通風熱壓值，散熱量逐時值Qe的計算表達式如下：

式中，Q 為設備固定散熱量，單位為kW ；Qp為隨工況變化下的發電機組滿負荷狀態時的設備散熱量；η 為隨工況變化的設備逐時散熱率。

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按照洞室結構特征，可將不同洞室分為兩類，一類為交通洞、排風豎井等長隧道式洞室，另一類為主機洞等功能層洞室，針對兩類洞室需要采用對應的網格劃分方法進行空氣參數分布求解[3]。長隧道式洞室可按照氣流流動方向進行空氣域劃分，形成多個軸向長度為Δz 的分支，根據空氣溫度沿程變化可準確計算出熱壓。則空氣流過分支的流動阻力ΔP 表達式如下：

式中，K 為流動通道的平均避免粗糙度，單位為m；de為分支傳熱當量直徑，單位為m；l 為分支長度，單位為m；ξ 為局部阻力系數；M 為分支內的通風量，單位為kg/s；F 為分支截面面積，單位為m2。并且，分支熱壓由內部的溫度分布決定，表達式如下：

式中，dz 為微遠段的高程增量，單位為m；Tw為室外空氣的熱力學溫度，單位為K；T 為分支內部微元段上空氣的熱力學溫度。當溫度處于線性分布狀態下，分支熱壓的計算表達式調整如下：

式中，Ts、Te分別為流入、流出分支的氣流質量平均熱力學溫度。

功能層洞室的體積較小，且送、排風口間的高差較小，因此洞室內的熱壓動力較小，可忽略不計，只需要將其整體視為一個網格，計算出洞室內的空氣參數與巖壁傳熱量[4]。在計算熱壓值時均需要根據實際情況合理添加熱源項，表達式如下：

2.2 通風流動計算模型

地下廠房的自然通風形成由動力及其對應阻力的平衡狀態決定，分支節點處的空氣流動在質量流量上處于平衡狀態，存在如下表達式：

式中，aij為符號數，根據節點歸屬與的流入流出情況Mj進行定義，當節點為分支端點時，可將Mj流入時的aij定義為-1，而流出時的aij定義為1，而節點并非分支端點時，aij定義為0；m 為節點數-1；n 為分支數。

當數個分支構成閉合回路時，同樣需要保持壓力平衡狀態，此時氣流沿回路方向形成的流動動力與阻力的代數和為0，表達式如下：

式中，cij為符號數，根據分支在回路中流向進行定義，當與回路同向時為1，異向時為-1，分支不屬于i 回路時為0。

抽水蓄能電站的風壓可根據式（8）計算，室外風速可取地區各季節室外風速的平均值，根據風壓方向與通風方向的關系，當二者相同時“±”取“+”，不相同時取“-”。

2.3 圍護結構傳熱計算模型

地下廠房在通風熱交換中的空氣溫度tn（τ）會與圍護結構產生相互作用，因此有必要計算此部分的傳熱情況。為本次計算中使用Z 傳遞系法對空氣溫度進行測算，室外空氣溫度的變化規律等同于年周期頻率溫度波與日周期頻率溫度波之和，在不同溫度波作用下，仍然需要考慮到圍護結構厚度的差異。因此需要進行分別計算，其中分支內空氣溫度的逐時值tkl為：

考慮到線性系統的疊加原理特征，圍護結構的逐時傳熱量qij的組成如下：

3 模型數值求解

3.1 地下廠房通風分類

考慮到對自然通風量的控制情況，可將抽水蓄能電站的通風方案分為兩種不同的情況：一種為已知地下廠房各個洞室結構、設備散熱量與實際變化規律和巖體熱物性等條件，計算分析僅依靠自然通風動力下的實際通風情況。該情況下不會采用啟停風機、調節風閥開度等，僅依靠自然通風動力，而考慮到自然通風中風量會實時發生變化，因此可確定該情況為通風量不受控制的自然通風。

另一種為已知地下廠房各個洞室結構、設備散熱量與實際變化規律和巖體熱物性等條件，借助通風控制方式，將通風量控制在某一目標值附近。該情況需要計算自然通風量情況，以保證通風量在確定值條件下，進行合理有效的通風控制，按照地下廠房室內通風需求進行定量通風，因此可確定該情況為按需通風。

3.2 不受控條件下的通風數值計算

抽水蓄能電站地下廠房的通風量在不受控條件下，由自然通風動力決定，在通風數值計算中采用巖體能量嵌套模型方程的耦合方式進行計算求解。該條件下虛假巖體傳熱量q，并利用自然通風計算模型、通風流動模型與通風傳熱傳質模型完成對通風量G 的迭代計算。由此可獲得通風量G 每次迭代的修正值：

在通風量不受控制時，采用Z 傳遞函數法計算巖壁傳熱是，認為傳熱量為兩個不同頻率溫度波作用下傳熱量的疊加值，因此在對通風傳熱傳質應用中需要分為兩個不同的時間層次子模型，在計算抽水蓄能電站地下廠房自然通風逐時，變化規律時應先計算以天為時間的自然通風日均變化參數實際變化情況。

3.3 按需通風條件下的通風數值計算

按需通風條件下，各個通風洞室內的風量與風速數值已知，對于結構尺寸已經確定的抽水蓄能電站地下廠房，可計算確定其通風流動路徑的總抗阻值S。在確定通風量G 與熱壓Pr后，可獲得抽水蓄能電站地下廠房的通風總動力需求值：

式中，P 為通風總動力需求值；Pw為風壓；Pj為超靜壓差；Pf為熱壓。

在通風設計中，當自然通風動力小于時，應通過引入風機壓力滿足通風總動力需求，其中所需的風機壓力值為：

當自然通風動力大于P 時，表明自然通風動力已經能夠滿足通風總動力需求，因此需要增加通風路徑的抗阻，提高通風阻力。在抽水蓄能電站地下廠房中增加通風路徑抗阻須對其數值進行計算，計算方法如下：

式中，ΔS 為通風路徑阻抗增加值。

設計中，通風路徑質量阻抗增加值是指開啟空氣幕或減小風閥開度的定量值，在地下廠房中增加通風路徑阻抗后，通風總動力的需求值與自然通風動力之間的平衡關系為：

式中，ΔP 通風路徑阻抗增加值所導致的通風阻力增量。

通過上式可計算出不同時刻條件下按需通風控制措施情況，從而保證地下廠房的通風量在各個時段能夠與需求量保持一致。

本文主要研究了抽水蓄能電站地下廠房通風計算方法，分析了電站的基本工況與相關設備的啟停變化規律，結合實際情況進行了通風方案分類處理。其中，發現抽水蓄能電站的自然通風的主要影響因素為熱壓與風壓，在考慮室外風壓與實際運行工況條件下，對通風網絡模型進行了優化處理，并給出了相應數值計算求解方法，研究發現全年逐日變化會對通風控制產生比較明顯的影響，因此在通風控制中要對此進行重點分析，以此為抽水蓄能電站地下廠房通風模擬計算提供有效參考。