青島膠州灣隧道變電所利用滲漏水降溫研究

盛章涵 田峰 王海橋

1湖南科技大學土木工程學院

2中鐵隧道勘測設計院有限公司

3湖南科技大學資源環(huán)境與安全工程學院

0 引言

變電所中的設備發(fā)熱量大， 散濕量極少， 故濕負荷可忽略不計。從節(jié)能角度出發(fā)， 變電所設計溫度一般設定在 36～40 ℃之間能夠滿足電器設備正常工作即可 [1] 。青島膠州灣隧道變電所， 其熱負荷主要通過常規(guī)空調系統(tǒng)消除。而常規(guī)空調系統(tǒng)是熱濕聯(lián)合處理，對于該變電所除濕過程完全是沒必要的， 這既消耗了更多的冷量， 也造成了能量利用品位上的浪費。

據(jù)統(tǒng)計， 青島膠州灣隧道內每天正常的滲水量達4000多m3， 且其溫度在20～25 ℃范圍內。 該滲漏水溫度與變電所空氣溫度有十幾度溫差， 因此以隧道滲漏水作為天然冷源給變電所降溫具有巨大潛力。本文以青島膠州隧道工程為實例， 對利用隧道滲漏水給變電所降溫方案進行研究， 并通過對比分析計算考察其可行性及節(jié)能潛力。

1 利用隧道滲漏水降溫原理

利用隧道滲漏水給變電所降溫系統(tǒng)主要由水泵，風機和表冷器組成， 其工作原理是： 利用水泵將凈化后的隧道滲漏水送入表冷器， 使表冷器具有較低的表面溫度， 再利用風機循環(huán)室內空氣， 使室內空氣連續(xù)沖刷表冷器表面， 使室內的熱空氣與滲漏水進行對流換熱，吸收了熱量的滲漏水隨排水系統(tǒng)排入大海， 從而實現(xiàn)對變電所的降溫。其工作示意圖如圖 1所示。

圖1 隧道滲漏水降溫示意圖

2 青島膠州灣隧道變電所通風降溫設計

以青島膠州灣隧道的臺西三站變電所為例。臺西三路變電所面積 120m2， 體積656m3， 設有送、 排風機各一臺， 2臺1600 kVA變壓器。當?shù)厥彝鈿庀髤?shù)和室內設計參數(shù)如下：

1）室外空氣計算參數(shù)： 夏季室外大氣壓力100.04 kPa。夏季通風室外計算干球溫度為27.3 ℃， 夏季空氣調節(jié)室外計算干球球溫度為29.4 ℃。

2） 室內設計參數(shù)： 變電所夏季室內設計溫度為36 ℃。設計新風量為3836m3/h。

根據(jù)文獻[2]可得， 該變電所中變壓器的散熱量Q1則為：

式中：S為變壓器的容量，k VA。

經(jīng)計算得Q1=0.0152×1600×2=48.64 kW。

變電所中其他設備的發(fā)熱量沒有較為準確的計算式可以直接計算，通常是以變壓器發(fā)熱量總和的30%來計算[3]， 故 整個變電所的發(fā)熱量Q2= (1+0.3)Q1= 1.3×48.64=63.23kW。

設計的新風可帶走的熱量Q3為[4]：

式中：c為空氣比熱容，取 1.01 kJ/(kg℃)；ρav為進排風平均密度，k g/m3； Δt為進排風溫差，℃ ；L為新風量，m3/ h。

經(jīng)計算得Q3= 0.28×3836×1.01×1.2×8.7=11.33 kW。

其余的熱量由空調系統(tǒng)承擔，則 空調系統(tǒng)承擔的熱負荷Q為51.9 kW。

2.1 利用常規(guī)空調設備降溫方案

利用常規(guī)空調系統(tǒng)給青島膠州灣隧道變電所降溫，同其他建筑空調系統(tǒng)設計類似。選用多聯(lián)式空調機組給變電所降溫， 根據(jù)該變電所的熱負荷， 選用空調機組 GMV-Pd600 型室外機 1 臺， GMV(R)-R125T/Na(S)型室內機 4 臺和 GMV(R)-R100T/Na(S)型室內機 1臺。室外機和室內機參數(shù)見表1。

表1 室內機和室外機參數(shù)表

2.2 利用隧道滲漏水給變電所降溫方案

據(jù)統(tǒng)計，隧道滲漏水溫度常年保持在20～25 ℃，故取隧道滲漏水溫度為23 ℃。 假設進出表冷器的隧道滲漏水溫差為5 ℃， 送回風溫差為6 ℃， 則所需循環(huán)風量為：

所需的水流量為：

利用隧道滲漏水降溫系統(tǒng)中表冷器不同于常規(guī)空調系統(tǒng)， 該降溫系統(tǒng)的表冷器是一種高溫干式表冷器。參考文獻[6]規(guī)定： 表冷器空氣迎面風速一般取2～3m/s， 管內水流速度w一般取 0.6～1.2m/s。故取該表冷器的迎面風速Vy為2.5m/s， 表冷器內水流速度w為1m/s。該表冷器的總傳熱系數(shù)K依據(jù)文獻[5]中干工況下表冷器總傳熱系數(shù)的一種新經(jīng)驗公式：

則所需表冷器的換熱面積F為：

式中： Δtm為對數(shù)平均溫差， Δtm=(Δtmax -Δtmin )/ln(Δtmax /Δtmin )， ℃。

表冷器總通水斷面積A為：

根據(jù)表冷器總傳熱系數(shù)， 總換熱面積和總通水斷面等參數(shù)， 可設計出滿足利用隧道滲漏水給變電所降溫的高溫干式表冷器。

其空氣阻力按現(xiàn)有標準表冷器空氣阻力最大值計算為[6]：

水阻力按現(xiàn)有標準表冷器水阻力最大值計算為：

考慮出口靜壓， 選取壓力為 200 Pa， 風量為26000m3/h的風機。考慮水管道中的沿程損失和局部損失， 且其集水池緊鄰該變電所， 故選取揚程為 10m水柱， 流量為 9m3/h 的水泵。通過相應的管徑將水泵一端接入集水池， 另一端連接表冷器， 表冷器的另一端接入排水系統(tǒng)。再將風機安裝于表冷器的一端， 就構成了利用隧道滲漏水給變電所降溫的系統(tǒng)。

3 節(jié)能及經(jīng)濟效益分析

青島膠州灣隧道臺西三站變電所采用常規(guī)空調系統(tǒng)控制室內的溫度時，該空調系統(tǒng)每小時將消耗19.36kW · h左右的電能。 利用隧道滲漏水降溫時， 其中水泵的耗電功率為：

風機耗電功率為：

式中：G為水泵流量，m3/ h；H為水泵揚程，m 水柱；η為水泵效率；P為風壓，Pa；Q為風量，m3/ h；η1為風機效率，取 0.75；η2為機械傳動效率，取 0.95。

故臺西三站變電所利用隧道滲漏水降溫每小時將消耗3.0 kW· h 左右的電能。

表2 利用隧道滲漏水降溫系統(tǒng)和常規(guī)空調系統(tǒng)經(jīng)濟比較

因此利用隧道滲漏水降溫系統(tǒng)比多聯(lián)式空調機組給變電所降溫系統(tǒng)每小時耗電量減少了 16.36 kW ·h。青島市的平均電價按0.8元/kW · h計算， 則該變電所在整個夏季 （90 天） 利用隧道滲漏水降溫將節(jié)約電費28270元左右。青島膠州灣隧道有8個類似的變電所， 若全部利用隧道滲漏水給其變電所降溫則整個夏季將節(jié)約電費22.6萬元左右。臺西三站變電所用兩種空調系統(tǒng)經(jīng)濟性比較見表2。

4 結論

1） 針對變電所溫濕負荷特點及青島膠州隧道的特點， 可利用隧道滲漏水給變電所降溫， 且具有十分明顯的節(jié)能效果。

2） 利用隧道滲漏水為變電所降溫系統(tǒng)的初投資僅為分體式空調系統(tǒng)的38.5%， 運行費用減少了81.7%。

3）利用隧道滲漏水給變電所降溫的系統(tǒng)結構簡單， 對水質沒有改變， 具有節(jié)約能源、 無污染、 低運行成本的特點。

4）對于有適量滲漏水的地下隧道和海底隧道， 利用隧道滲漏水給其附屬降溫有較大的節(jié)能潛力和應用前景。

參考文獻

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[5] 王晉生,閆斌,繆小平,等.干工況下表冷器總傳熱系數(shù)的一個新實驗公式[C]//江蘇省制冷學會年會.2000.

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