地下水電站廊道引風通風方案的理論計算與數(shù)值分析

梁 健，王 蒙

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

近年來,我國水力發(fā)電行業(yè)有了很大的發(fā)展,國內(nèi)在水電站廠房通風方式的研究方面做了很多有成效的研究工作[1]。在水電站的能源消耗過程中，通風系統(tǒng)能耗占比較大。空氣流經(jīng)地下隧洞時在夏天被冷卻，在冬天被加熱[6]。利用壩體廊道或進場交通洞取風，對廠房的進風經(jīng)過簡單的天然冷卻處理，然后送入廠內(nèi)。這種空氣處理方式由于不用機械制冷設(shè)備，具有節(jié)約初投資，簡化運行管理的優(yōu)點，對于我國目前能源緊張、運行費用較高的現(xiàn)狀有顯著的節(jié)能意義[2]。

本文對東莊水電站采用廊道引風的通風方案進行系統(tǒng)的理論計算與數(shù)值分析。對該水電站冬、夏兩種工況下不同通風量時壩體廊道內(nèi)空氣的流動換熱情況進行分析計算。

1 概況

涇河東莊水利樞紐位于陜西省禮泉縣與淳化縣交界的涇河下游峽谷段，距峽谷出口約29 km，壩址控制流域面積4.31萬km2，占涇河流域面積的95%，工程的開發(fā)任務(wù)是以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電和改善生態(tài)等，水庫總庫容32.76 億m3。

電站主、副廠房、主變室及尾水閘室為地下式廠房，出線場開關(guān)站布置于地面上。根據(jù)本電站的地理位置及廠房布置情況、地下圍護結(jié)構(gòu)熱工計算的結(jié)果和地下廠房各區(qū)域?qū)κ覂?nèi)溫濕度的要求，提出采用機械排風、自然進風的方案。電站廠房布局情況見圖1。

圖1 電站廠房布局圖

全廠進風道主要是由進風（兼交通）洞進風，分別到達主廠房發(fā)電機層端頭、主變洞室端頭和尾水閘室端頭。這是全廠（含母線洞、副廠房）和主變室通風系統(tǒng)的進風通道。全廠排風則是通過主廠房和主變室上部頂拱空間排風系統(tǒng)的風機和與其連接合三為一的排風通道來實現(xiàn)的。通風系統(tǒng)主要氣流組織流向見圖2、圖3。

圖2 電站廠房氣流組織示意圖一

圖3 電站廠房氣流組織示意圖二

2 氣象參數(shù)

根據(jù)電站的地理位置，該地區(qū)屬于典型的溫帶季風氣候。東莊水利樞紐位于咸陽涇陽縣境內(nèi)，地下式廠房，所需的室外空氣計算參數(shù)見表1[3]。

表1 室外空氣計算參數(shù)表

3 廊道通風的理論計算

水電站壩體廊道通風屬于地下建筑的通風換熱問題。對于地下建筑的通風，冬、夏季引風道末端的溫度是影響整個通風系統(tǒng)能耗的重要參數(shù)。針對東莊水電站壩體廊道通風換熱的實際問題，研究利用交通廊道的溫度變化規(guī)律，找出了一個便于廊道通風工程實際運用的熱計算方程式[4]。

3.1 洞外空氣溫度波幅值計算

1）洞外空氣溫度年波幅值θwy按下式計算：

式中：twr為夏季洞外最熱月日平均溫度，℃；twd為冬季洞外通風計算溫度，℃。

2）洞外空氣溫度年波幅值θwr按下式計算：

式中：twx為夏季洞外通風計算溫度，℃。

3.2 計算參數(shù)

1）洞體的當量半徑r0：

式中：S 為洞體橫斷面周長，m。

2）年波幅系數(shù)Ey：

由年準數(shù)ξy，ηy，巖石導熱系數(shù)λy和通風量G 查文獻[4]圖4-2 可得。

式中：溫度年波動頻率wy=2π/T y=0.000717（1/h）；Ty為溫度年波動周期，Ty=8760 h；αy為巖體導溫系數(shù)，m2/h；λy為巖體導熱系數(shù)，kcal/（m2·h·℃）。

3）溫度日波幅系數(shù)Er：

根據(jù)日準數(shù)ξr，ηr，襯砌導熱系數(shù)λc和通風量G 查文獻[4]圖4-2 可得。

式中：wr為溫度日波幅，wr=2π/Tr=0.262(1/h)；Tr為溫度日波動周期，Tr=24 h；αc為襯砌體導溫系數(shù)；λc為襯砌體導熱系數(shù)，kcal/（m2·h·℃）。

4）年周期性波動傳熱計算參數(shù)Αy：

5）比歐準則Bi和傅立葉準則F0：

式中：τ 為使用時間，h。

3.3 計算各通風班制時引風道末端空氣參數(shù)

1）年波幅變化值θyl。空氣流經(jīng)地下通道后的年波幅變化按下式計算：

式中：△θ 為通風班制引起的附加波幅，℃，查文獻[4]表4-3 可得。

2）空氣流經(jīng)地下通道后的日波幅變化按下式計算：

式中：f1，f2為通風班制引起的計算系數(shù)。

3）年平均溫度變化值tyl。空氣流經(jīng)地下通道后的年平均溫度變化按下式計算：

式中：tdy為地表面年平均溫度，℃；twy為洞外空氣年平均溫度，℃，twy=1/2（twr+twd）。

4）夏季空氣流經(jīng)地下通道后的日平均溫度變化值txl按下式計算：

5）冬季空氣流經(jīng)地下通道后的日平均溫度變化值tdl按下式計算：

6）夏季最高溫度變化值tx1β·max夏季空氣流經(jīng)地下通道后的最高溫度變化按下式計算：

4 計算結(jié)果分析

針對東莊水電站的進風廊道，按照夏季和冬季兩種工況的不同通風量進行廊道內(nèi)空氣溫度理論分析計算。改變廊道送風量計算廊道內(nèi)空氣溫度變化情況。廊道為門洞型7 m×7 m 洞室，空氣從洞外至地下廠房入口處的距離為1400 m，洞外為砂巖(導熱系數(shù)λ=1.580 kcal/（m2·h·℃）；導溫系數(shù)a=0.0035 m2/h)，內(nèi)加混凝土內(nèi)襯(導熱系數(shù)λ=1.330 kcal/（m2·h·℃）；導溫系數(shù)a=0.00277 m2/h)，夏季最大通風量G=12×104kg/h，分別按照100%G，75%G，50%G 及25%G 進行風量計算，計算結(jié)果見表1。

表1 不同送風量廊道內(nèi)空氣溫度變化情況 單位：℃

圖4 不同送風量廊道內(nèi)空氣溫度變化折線圖

將上述4 種風量工況整理見圖4，可分析得出：夏季工況下廊道入口空氣溫度較高，而巖體溫度較低，此時空氣被巖體冷卻，冷卻效果隨著隧洞的長度增加而增加，冷卻效果隨著風量的減小而增加。在夏季的設(shè)計工況風量（100%G）情況下，空氣進出口溫差為8.8℃；冬季工況下，隧洞對廊道內(nèi)空氣進行加熱，加熱效果隨著隧洞的長度增加而增加，隨著風量的減小而增加。冬季在低風量運行情況下（50%G），空氣進出口溫差為12.19 ℃，加熱效果明顯。

從圖4 可以看出，通風廊道內(nèi)沿長度方向的空氣溫度是遞減的趨勢。廊道初始段對空氣的溫度調(diào)節(jié)的作用較明顯，之后調(diào)節(jié)的能力逐漸減弱，在1000 m 處的空氣溫度與出口1400 m 處溫度已很接近。由此看出，從溫度調(diào)節(jié)作用來看，廊道的長度不是越長越好[5]。利用交通廊道進風時，需同時用于運輸和進風，可在滿足運輸要求的前提下，合理確定交通廊道長度，以此降低開挖投資，實現(xiàn)進風溫度調(diào)節(jié)作用最大化。

5 結(jié)論

1）根據(jù)涇河東莊水電站通風形式及其氣流組織，分析廊道壁面與流經(jīng)空氣的不穩(wěn)定換熱過程，針對電站的廊道送風進行進風溫度的理論分析計算。這種計算方法，在地下水電站廊道進風溫度的確定中經(jīng)常被采用，對地下水電站這種中、大型的水利工程具有現(xiàn)實意義。

2）東莊水電站廊道進風溫度的分析結(jié)果表明，地下水電站的進風廊道壁溫具有穩(wěn)定性，通過充分利用土壤的蓄冷蓄熱能力，可使地下電站廠房的送風系統(tǒng)為電站廠房提供舒適的工作環(huán)境。利用廊道進風的系統(tǒng)簡單，節(jié)能、降低了投資，有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

3）采用理論分析方法對水電站廊道的通風換熱情況進行研究，結(jié)果可為下一步建立模型，進行相應(yīng)的模擬計算提供依據(jù)。

4）本文對東莊水電站進風溫度的計算是在空氣不結(jié)露和沒有水分蒸發(fā)的情況下進行的，未包含傳質(zhì)問題。可以對包含傳質(zhì)的此類問題做進一步研究。