基于溫濕分布及流場仿真的高壓配電室通風優化

陳 洋 孔 萌 王冰全

(鄭州大學電氣工程學院 河南 鄭州 450001)

0 引 言

配電室作為系統中分配電能以及連接電網和用戶的重要環節,安全穩定的運行是用電安全的保障。然而配電室內各種電氣設備正常運行時對周圍環境要求較高,根據 GBT 11022-1999高壓開關設備和控制設備標準的公用技術要求,高壓配電室開關設備周圍空氣溫度不超過40 ℃,其次為防止在溫度和氣壓驟變出現凝露從而產生絕緣擊穿或金屬性腐蝕等效應,在此規定高壓開關設備周圍的濕度條件規定其平均相對濕度不超過80%。然而,目前所存在的配電室溫濕環境控制系統仍然存在自然和機械通風之間的協調難、耗能較大、除濕降溫效果不顯著等問題[1-2]。所以進一步研究現有環境控制系統的配電室內溫度和濕度分布,以及考慮自然對流在內的風機系統正常運行情況下對室內流場進行仿真模擬,對室內結構設計和通風設備的布置以及參數配置具有一定的工程指導意義。

在此前的一些研究中,文獻[3]從實際工程出發, 分析并總結了變電所通風設計的原則和方法。文獻[4]對幾種空調通風方案進行比較分析, 從而優化了室內變電所通風設計方案。文獻[5]模擬了不同送風參數條件下地板送風系統的室內送風口以及工作區的溫度梯度, 得出送風參數對室內溫度的影響規律。文獻[6]利用Fluent 流體力學軟件模擬了變壓器室的溫度和氣流分布,給出了優化的通風設計方案,文獻[7]在具體的通風布置下,對高壓配電室進行了溫濕度模擬,得出不同室內高度溫濕度的分布規律。

綜上所述,在實際投入運行的環境控制系統中也存在不合理導致效果不佳等現象,同時對高壓配電室的溫濕分布和流場模擬的研究仍需深入。本文以河南省鄭州市柳林變電站的典型配電室結構為研究對象,根據實際結構測量尺寸和四種通風布置方案,在建立簡化模型的基礎上,結合流體力學原理和計算流體力學技術,綜合考慮自然對流和輻射的影響,采用ZERO湍流模型和 Boussinesq假設對室內四種通風布置下室內溫濕度分布以及氣流走勢進行仿真分析和比較,進行通風布置的優化設計,得出最優的通風組合設計。提高了控制系統的合理性和經濟性以達到降低能耗的目的。

1 數學模型和簡化分析

1.1 溫度控制方程

配電室內溫度分布主要受室內配電柜設備儀器發熱和散熱與周圍環境條件的兩個因素綜合影響。室內所有熱源幾乎來自配電柜內的設備,熱量通過接觸電阻和導體傳輸電流時的焦耳損耗產生,經過熱傳導、對流換熱、熱輻射的能量傳遞和交換后,經過一定時間與周圍空氣之間達到傳出的熱量與產生的熱量之間的平衡。這些熱量傳遞過程遵循熱力學定律[8],流體運動過程遵循不可壓縮流體N-S控制方程[9]。具體方程如式(1)所示。

(1)

式中:T、T1、T2、TS、Tl為各相溫度;kx、ky、kz分別為x方向、y方向和z方向上的熱導率;q為生成的熱能;q*為熱流密度;α為對流換熱系數;Q為熱流率;ε為吸射率;σ為斯忒藩-波爾茲曼常數;S1為輻射面1的面積;F12為從面1到面2的形狀系數。

當空氣流速較慢時,可視為不可壓縮流體。對于不可壓縮流體,其運動規律和求解遵循連續性控制方程、動量守恒方程、能量守恒方程如下:

(2)

式中:Ux、Uy、Uz分別代表x方向、y方向和z方向上的速度矢量;v為動力粘性系數;P為壓力;Q為單位體積產生熱量的速率;T為溫度;C為定容熱容;ρ為流體密度;α為熱擴散系數。

1.2 濕度控制方程

假設配電室內的水分蒸發源主要為藏于地下的電纜溝道,各壁面散濕量忽略不計,濕度主要取決于蒸發源蒸發和室外環境含濕量。空氣含濕量可以用絕對濕度和相對濕度來表征,然而,絕對濕度在不同材料交界的地方不是連續的,而相對濕度卻是連續的,所以濕氣的擴散和計算一般采用相對濕度來表征含濕量。

另外,溫度場的分布會影響濕度的擴散系數和材料的飽和含濕量,因此計及溫度場對濕度分布影響因子,可將濕度控制方程表達為如下形式[10]:

(3)

式中:D為濕度擴散系數;K為水分的單位溫度變化量;H為配電室內部的相對濕度;e表示空氣中的水汽壓;ew表示該溫度下飽和水汽壓;ρw為絕對濕度;ρwmax為最大絕對濕度。

根據氣象數據和濕氣擴散規律得知,在環境溫度為25 ℃時,由式(3)計算得出初始環境參數的相對濕度取為0.77。

2 不同通風模式下的物理模型

2.1 模型建立

開關柜的內部的設計較為復雜,電氣設備較多,完全按照實際模型建立三維仿真模型會包含很多形狀復雜的零部件。這樣會大大影響仿真的速度,所以對原始模型進行適當的簡化再進行仿真計算,既能節省大量的計算時間,同時也可以得到誤差較小的結果。對于溫度傳遞過程而言,配電柜只考慮熱源和外殼,室壁上的門窗結構通過壁面來簡化處理。這樣做的話,會大大減少建模步驟,同時也會加快仿真速度,同時對仿真的精度也不會有很大的影響。

送風口建模采用一種普遍方法, 即將風口簡化為一個長寬與原風口采用相同尺寸矩形開口,矩形開口面積取為風口的有效面積, 出風口按照實際簡化為圓形風口,所有尺寸完全與實際尺寸相同,采用1∶1比例得出模型的風口尺寸。

根據配電柜面對面布置配電室的基本結構和實際測量的數據可知,配電室外墻的尺寸為長20 m、寬10 m、高5 m的長方體區域。內部并排放置著兩排配電柜設備,設備之間接觸,每排間距為2 m,所有柜體簡化為長寬高分別為2 m、1 m和1 m的空心長方體結構。進風口尺寸設計為長2 m、寬1 m,幾何中心離地面0.5 m。出風口半徑設計為1 m,圓心距離地面2.5 m。

建立物理模型,基本模型由部分組成如表1所示。

表1 模型組成

在確定送風量、送風速度恒定的情況下,采用4個送風口,通過設置不同送風口位置、排風開口位置,組合成 4種不同的通風組合的模式,表2為模式1-模式4的通風布置方式,建立的配電室物理模型如圖1所示。

表2 通風布置

2.2 網格劃分

將所建模型在ANSYS軟件中進行網格處理,網格的劃分精確與否關系到計算結果精確程度,對于不同的單元網格劃分需要不同的方法,要綜合考慮網格的數量和質量兩個影響計算結果的重要因數。網格數量的增加,在提高計算精度的同時也會增加計算的規模,網格質量是網格的幾何形狀,基本要求是各邊內角差值、網格面扭曲率不大;邊界位置附近的網格質量良好。

為解決計算精度和速度之間的矛盾關系,綜合考慮自然對流散熱和風機強迫風冷兩個溫度影響因素,需要精確地控制在熱量傳遞方向上的空氣網格尺寸和形狀。而柜體和周圍空氣之間的溫度梯度較大,邊界處的網格密度影響著結果的收斂性和精度。所以為綜合考慮計算速度和精度,在溫度梯度大的區域加密網格保證仿真精度,在其他區域適當稀疏網格提高仿真的計算速度。最終本文模型網格有110多萬個單元,并且網格質量均在0.5以上,滿足仿真要求。

3 仿 真

3.1 計算參數設置

流體的層流和湍流是兩種不同的基本流態,它們的區分變化可由雷諾數來量化。雷諾數較小時(一般小于2 000)為層流,當雷諾數較大時,就會發展成為不規則的湍流。根據本文所建的配電室模型,系統計算流體空間的雷諾數達到數萬,屬于湍流流態,所以選擇湍流模型,在分析時,能量方程選擇標準的k-ε模型,能量控制方程由式(2)得出。

通風量的確定需要依據散熱所需通風量和除濕所需通風量之和。但是,由于配電室周圍沒有明顯的水分蒸發源,所以在確定通風量時主要考慮散熱因素[11-12],計算公式如下:

(4)

式中:Q為熱源總功率;TM為室內最高設計溫度,取40 ℃;TO為送風溫度,取25 ℃;C為空氣比熱容,取1 kJ/(kg·℃)。ρ為空氣密度,取1.2 kg/m3。

通過相關經驗取值和精確計算后,壁面除風口外均采用絕熱條件,其他仿真參數設置如表3所示。

表3 仿真參數設置

3.2 結果分析

在軟件環境下,進風位置、出風位置設定根據模式1-模式4所示物理模型確定,按照以上所確定仿真參數數據,模擬模式1-模式4的溫濕度分布、氣流分布和走勢。

溫濕度分布圖可模擬溫濕度在室內各區域的分布,模擬圖中可觀測最高溫濕度與最低溫濕度,從而可確定工況是否能滿足設備所需要求。氣流分布和走勢圖可模擬新風在室內各區域的流動速度。

圖2-圖21分別選取室內高度為1.5 m和2.5 m溫濕度截面分布圖、柜體周圍氣流走勢圖。室內最高和最低溫濕度分布于1.5 m和2.5 m截面處。

圖2 模式1,1.5 m處溫度 圖3 模式2,1.5 m處溫度

圖4 模式3,1.5 m處溫度 圖5 模式4,1.5 m處溫度

圖6 模式1,2.5 m處溫度 圖7 模式2,2.5 m處溫度

圖8 模式3,2.5 m處溫度 圖9 模式4,2.5 m處溫度

圖10 模式1,1.5 m處濕度 圖11 模式2,1.5 m處濕度

圖12 模式3,1.5 m處濕度 圖13 模式4,1.5 m處濕度

圖14 模式1,2.5 m處濕度 圖15 模式2,2.5 m處濕度

圖16 模式3,2.5 m處濕度 圖17 模式4,2.5 m處濕度

圖18 模式1氣流分布 圖19 模式2氣流分布

四種模式下,配電室溫濕度分布及氣流速度分布比較說明情況如表4所示。

表4 溫濕度及氣流分布比較

由圖2-圖21和表4中數據分析得知,模式1和模式4送風覆蓋率能滿足設備周圍通風要求,室內相對濕度也滿足低于80%,模式2和模式3的送風覆蓋率稍低;從溫度分布來看,模式4室內最高溫度維持于40 ℃左右,基本滿足室內溫度低于40 ℃的要求,其余三種模式稍高,其次模式4下柜體周圍的風速分布均勻,流場形成穩定層流,能有效地防止一些有害物質停留在柜體表面。因此,工況模擬結果分析可得出模式4的溫濕度分布和氣流分布能夠較好地滿足設備的溫度要求。

4 結 語

本文通過建模并仿真計算了四種不同通風布置模式下高壓配電室內部溫濕度和氣流分布,根據所得模式1-模式4溫濕度分布與氣流分布對比分析得出如下結論:

(1) 進出口不對稱布置導致氣道截斷、氣流不通暢,導致模式3的室內最高溫度高于其他模式下的室內最高溫度,所以進、出風口采用對稱布置,有益于氣道通暢、氣流均勻分布、室內降溫除濕。

(2) 模式1和模式2比模式3和模式4,室內最高溫度高5 ℃～10 ℃,這是由于進出口采用不用壁面布置的原因。由此可見進風口與出風口組合布置優于單獨布置,更有利于風場的整體流動。

(3) 模式4具有最優的溫濕度分布和氣流走勢,可見進風口與出風口組合對稱布置,有效地使風場均勻分布于配電柜周圍,使室內氣流形成穩定層流,更好地控制室內溫濕環境。