基于正交試驗的地下發電機層氣流組織方案確定

陳言桂

(集美大學機械工程學院,福建廈門361021)

0 引言

目前國內大部分水電站地下發電機層多采用以相似理論為基礎的模型試驗來研究其廠房內部通風氣流的流動與分布規律,該方法的應用無論理論還是技術上均是成熟的,對于具有復雜布局的地下廠房,更能準確地模擬原型內部的流動性狀,實現其氣流組織效果的預測或驗證。為了確定瑯琊山抽水蓄能電站地下發電機層最佳的氣流組織方案,本文以相似理論為基礎建立試驗模型,采用正交試驗分析方法對多種試驗方案進行分析,最終選定最佳的氣流組織方案。

1 工程簡介

瑯琊山抽水蓄能電站是一個地下水電站。電站主廠房為發電機層,布置形式為主機間、安裝場及主變室呈一字形排列,自右至左依次為1#主變室、主機間 (1#、2#機組段)、安裝場、主機間(3#、4#機組段)和2#主變室。發電機層拱頂距地高14.0m,寬20.3m,安裝間長30.0m,主機間長101.1m。其4臺發電機散熱量159.5×4kW,下游側封閉母線散熱量 82.5kW,照明發熱量23.4kW,控制盤柜散熱量9.6kW。

根據甲方的要求,在送風溫度為16.9℃,送風速度為8m/s的頂送風,同時保證發電機層有2.5×104m3/h排風量直接由安裝間排到安裝場下副廠房的條件下,考慮3種送風量 (14.5×104m3/h、17.4×104m3/h和20.0×104m3/h),在均勻送風 (22個風口布置)、不均勻送風 (16個風口布置)和通過改變上下游排風比例 (1∶2、1∶3和 1∶4)狀態下,研究其對工作區的氣流組織影響情況,以便最終能找出最佳氣流組織的組合方案。

2 模型試驗裝置設計與測點布置

2.1 模型試驗裝置設計

本試驗采用熱量阿基米德模型律為本試驗的相似模型律。根據參考文獻 [1]、[2]和資料 (1),此類水電站地下廠房通風模型試驗的原型雷諾數和模型雷諾數都處于雷諾數自模區。因此,只要遵循阿基米德模型律,就實現了原型和模型間的相似。模型的幾何比例尺按規定選取為1/18,進而一一確定出送風溫度比例尺為1,溫差比例尺為1,速度比例尺為1/4.2,風量比例尺為1/1375,熱量比例尺為1/1375。

本模型本體結構設計主要考慮現有的材料以及加工制造方便。模型采用木工板制作,外殼采用20mm聚氯乙烯保溫材料進行保溫;主廠房各層地面均采用18mm的木工板,發電機、母線、照明和控制盤柜的發熱量均用白熾燈、霓虹燈、滿天星等來模擬。

主要的測試儀器有:1)建筑環境參數實時監測系統1套;2)testo425型智能熱線風速儀1只;3)D26-W型功率表4臺 (用于檢測模型熱源的功率和換氣扇的功率);4)KHG-25B型換氣扇8臺(2臺換氣扇用作模型送風機和6臺用作埋管引風機);5)KFR-40GW/BM型分體式空調器 (模型送風的冷源);6)KC-32B型窗式房間空調器 (降低試驗環境的溫度);7)調壓變壓器10臺 (調節換氣扇電壓和熱源電壓);8)軸流通風機2臺 (裝于風道內用于空調送風)。

2.2 測點布置

1#、2#機組段和3#、4#機組段的送風管段上分別布置423、426號兩個測點 (此兩測點僅為送風溫度測點)。發電機層工作區133mm高度 (原型2m高處)布置了101～122號共22個溫度、速度測點;在上游側與下游側埋管附近均勻布置了A1～A12個測點。測點平面布置圖如圖1。

圖1 測點平面布置圖

3 正交試驗安排結果與分析

根據甲方的要求,將要進行18次試驗,工作量太大。這里采用正交表L9(34)來進行正交試驗[4]安排,只需做9次試驗,使試驗次數減少了一半。按正交試驗安排的9種工況下模型的測試與處理結果,計算出了九種工況的能量利用系數 η、平均溫度tm、溫度不均勻系數Kt、速度不均勻系數Kv,作為評價氣流組織效果的四個綜合指標。正交試驗安排與指標計算結果見表1。

由于四個指標各有優缺點,屬于多目標決策問題,這里對正交分析的初步分析采用層次分析法(AHP)。其基本原理見參考文獻 [4]。

3.1 層次分析法 (AHP)分析過程

3.1.1 建立層次結構關系 由表1建立遞階層次結構模型。9個試驗號是需要比較選擇的方案,為操作的最低層即方案層;能量利用系數、平均溫度、Kt、Kv列為準則層;最高層次及目標層是一個能量利用系數高、平均溫度低、Kt低和Kv低的方案。

3.1.2 構造判斷矩陣 對于總目標層來說,準則層的各項準則,優先次序應根據當前工程的具體要求而定。薩迪教授運用模糊數學理論[3],集人類判別事物好壞、優劣、輕重、緩急的經驗方法,提出一種1-9標度法,對不同的情況的比較結果給以數量標度,見表2。這里首先要考慮能量利用系數高 (C1),其次要求平均溫度低 (C2)、再次才考慮Kt低 (C3)和Kv低 (C4),根據表2構造G-C判斷矩陣,如表3所示。

表1 正交試驗安排及結果

表2 1～9標度法

表3 G-C判斷矩陣

同理通過兩兩比較法可分別構造C1-P,C2-P,C3-P,C4-P判斷矩陣,見表4、表5、表6和表7。

表4 C1-P

表5 C2-P

表6 C3-P

表7 C4-P

3.1.3 層次單排序和層次總排序

判斷矩陣是針對上一層次而言進行兩兩比較的評定數據,層次單排序就是把本層所有各元素對相鄰上一層某元素來說排出一個評比的優先次序,即求判斷矩陣的特征向量。層次單排序見表8。

利用層次單排序的計算結果,進一步綜合計算出對更上一層 (或總目標層)的優化次序就是層次總排序。其值為每個P層的特征向量子項與C層的特征向量子項乘積之和,其值越大說明方案越好。層次總排序見表8。

從表8可以看出,方案P5的層次分析結果值最大,故方案P5為最優方案。

表8 層次總排序

3.2 正交試驗的二次分析

由于本次只作了9組試驗,可能存在著其他更優方案并未在這9組試驗中,這就需要對正交表進一步分析可能存在的最優方案。正交試驗的二次分析結果見表9。

表9中:

Ki為任一列上水平號為i(i=1,2,3)時對應的層次分析法結果之和,其指標越大越好;

K′i表示任一列上因素取水平i時的次分析法結果算術平均值;

△K為級差,在任一列上 △K=max(K′1,K′2,K′3)-min(K′1,K′2,K′3), 級差越大, 表示該列因素的數值變化,會導致試驗指標的數值上更大的變化,也就是最主要因素。

由表9可以看出:二次分析得出因素的重要程度A＞B＞C,因素C的影響最小,重要程度最低,可見不均勻風口布置方式對改善工作區的流場的效果不明顯;可能最優方案是A2B2C3(1)(即P5)。

表9 正交試驗計算結果

根據3.1.3節分析得出的最優方案為P5和二次分析最優方案P5,可以確定使發電機層氣流組織最優的為P5,即送風量為126.5m3/h,上下游比例為1∶3,均勻送風口布置。

4 結論

本次試驗采用正交試驗與層次分析進行方案優選,就本次試驗結果分析而言,送風口布置對工作區的平均溫度和速度沒有太大的影響,影響的只是工作區溫度和速度分布的均勻性。

由正交試驗得出的最優方案P5(送風量為126.5m3/h,上下游比例為1∶3,均勻送風口布置),它的能量利用系數、工作區平均溫度、溫速度分布的均勻總體相對于其它方案要好些。

[1] 付祥釗.水電站地下主廠房頂送風研究[J].暖通空調.1996(1):59-62

[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):47-52

[3] 劉振學,黃仁和.實驗設計與數據處理 [M].北京:化學工業出版社,2005,4:62-74

[4] 樊勝軍.層次分析法在建設工程評標中的應用 [D].西安建筑科技大學碩士學位論文.2003,4:32-43