基于正交试验的地下发电机层气流组织方案确定

陈言桂

(集美大学机械工程学院,福建厦门361021)

0 引言

目前国内大部分水电站地下发电机层多采用以相似理论为基础的模型试验来研究其厂房内部通风气流的流动与分布规律,该方法的应用无论理论还是技术上均是成熟的,对于具有复杂布局的地下厂房,更能准确地模拟原型内部的流动性状,实现其气流组织效果的预测或验证。为了确定琅琊山抽水蓄能电站地下发电机层最佳的气流组织方案,本文以相似理论为基础建立试验模型,采用正交试验分析方法对多种试验方案进行分析,最终选定最佳的气流组织方案。

1 工程简介

琅琊山抽水蓄能电站是一个地下水电站。电站主厂房为发电机层,布置形式为主机间、安装场及主变室呈一字形排列,自右至左依次为1#主变室、主机间 (1#、2#机组段)、安装场、主机间(3#、4#机组段)和2#主变室。发电机层拱顶距地高14.0m,宽20.3m,安装间长30.0m,主机间长101.1m。其4台发电机散热量159.5×4kW,下游侧封闭母线散热量 82.5kW,照明发热量23.4kW,控制盘柜散热量9.6kW。

根据甲方的要求,在送风温度为16.9℃,送风速度为8m/s的顶送风,同时保证发电机层有2.5×104m3/h排风量直接由安装间排到安装场下副厂房的条件下,考虑3种送风量 (14.5×104m3/h、17.4×104m3/h和20.0×104m3/h),在均匀送风 (22个风口布置)、不均匀送风 (16个风口布置)和通过改变上下游排风比例 (1∶2、1∶3和 1∶4)状态下,研究其对工作区的气流组织影响情况,以便最终能找出最佳气流组织的组合方案。

2 模型试验装置设计与测点布置

2.1 模型试验装置设计

本试验采用热量阿基米德模型律为本试验的相似模型律。根据参考文献 [1]、[2]和资料 (1),此类水电站地下厂房通风模型试验的原型雷诺数和模型雷诺数都处于雷诺数自模区。因此,只要遵循阿基米德模型律,就实现了原型和模型间的相似。模型的几何比例尺按规定选取为1/18,进而一一确定出送风温度比例尺为1,温差比例尺为1,速度比例尺为1/4.2,风量比例尺为1/1375,热量比例尺为1/1375。

本模型本体结构设计主要考虑现有的材料以及加工制造方便。模型采用木工板制作,外壳采用20mm聚氯乙烯保温材料进行保温;主厂房各层地面均采用18mm的木工板,发电机、母线、照明和控制盘柜的发热量均用白炽灯、霓虹灯、满天星等来模拟。

主要的测试仪器有:1)建筑环境参数实时监测系统1套;2)testo425型智能热线风速仪1只;3)D26-W型功率表4台 (用于检测模型热源的功率和换气扇的功率);4)KHG-25B型换气扇8台(2台换气扇用作模型送风机和6台用作埋管引风机);5)KFR-40GW/BM型分体式空调器 (模型送风的冷源);6)KC-32B型窗式房间空调器 (降低试验环境的温度);7)调压变压器10台 (调节换气扇电压和热源电压);8)轴流通风机2台 (装于风道内用于空调送风)。

2.2 测点布置

1#、2#机组段和3#、4#机组段的送风管段上分别布置423、426号两个测点 (此两测点仅为送风温度测点)。发电机层工作区133mm高度 (原型2m高处)布置了101～122号共22个温度、速度测点;在上游侧与下游侧埋管附近均匀布置了A1～A12个测点。测点平面布置图如图1。

图1 测点平面布置图

3 正交试验安排结果与分析

根据甲方的要求,将要进行18次试验,工作量太大。这里采用正交表L9(34)来进行正交试验[4]安排,只需做9次试验,使试验次数减少了一半。按正交试验安排的9种工况下模型的测试与处理结果,计算出了九种工况的能量利用系数 η、平均温度tm、温度不均匀系数Kt、速度不均匀系数Kv,作为评价气流组织效果的四个综合指标。正交试验安排与指标计算结果见表1。

由于四个指标各有优缺点,属于多目标决策问题,这里对正交分析的初步分析采用层次分析法(AHP)。其基本原理见参考文献 [4]。

3.1 层次分析法 (AHP)分析过程

3.1.1 建立层次结构关系 由表1建立递阶层次结构模型。9个试验号是需要比较选择的方案,为操作的最低层即方案层;能量利用系数、平均温度、Kt、Kv列为准则层;最高层次及目标层是一个能量利用系数高、平均温度低、Kt低和Kv低的方案。

3.1.2 构造判断矩阵 对于总目标层来说,准则层的各项准则,优先次序应根据当前工程的具体要求而定。萨迪教授运用模糊数学理论[3],集人类判别事物好坏、优劣、轻重、缓急的经验方法,提出一种1-9标度法,对不同的情况的比较结果给以数量标度,见表2。这里首先要考虑能量利用系数高 (C1),其次要求平均温度低 (C2)、再次才考虑Kt低 (C3)和Kv低 (C4),根据表2构造G-C判断矩阵,如表3所示。

表1 正交试验安排及结果

表2 1～9标度法

表3 G-C判断矩阵

同理通过两两比较法可分别构造C1-P,C2-P,C3-P,C4-P判断矩阵,见表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 层次单排序和层次总排序

判断矩阵是针对上一层次而言进行两两比较的评定数据,层次单排序就是把本层所有各元素对相邻上一层某元素来说排出一个评比的优先次序,即求判断矩阵的特征向量。层次单排序见表8。

利用层次单排序的计算结果,进一步综合计算出对更上一层 (或总目标层)的优化次序就是层次总排序。其值为每个P层的特征向量子项与C层的特征向量子项乘积之和,其值越大说明方案越好。层次总排序见表8。

从表8可以看出,方案P5的层次分析结果值最大,故方案P5为最优方案。

表8 层次总排序

3.2 正交试验的二次分析

由于本次只作了9组试验,可能存在着其他更优方案并未在这9组试验中,这就需要对正交表进一步分析可能存在的最优方案。正交试验的二次分析结果见表9。

表9中:

Ki为任一列上水平号为i(i=1,2,3)时对应的层次分析法结果之和,其指标越大越好;

K′i表示任一列上因素取水平i时的次分析法结果算术平均值;

△K为级差,在任一列上 △K=max(K′1,K′2,K′3)-min(K′1,K′2,K′3), 级差越大, 表示该列因素的数值变化,会导致试验指标的数值上更大的变化,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的影响最小,重要程度最低,可见不均匀风口布置方式对改善工作区的流场的效果不明显;可能最优方案是A2B2C3(1)(即P5)。

表9 正交试验计算结果

根据3.1.3节分析得出的最优方案为P5和二次分析最优方案P5,可以确定使发电机层气流组织最优的为P5,即送风量为126.5m3/h,上下游比例为1∶3,均匀送风口布置。

4 结论

本次试验采用正交试验与层次分析进行方案优选,就本次试验结果分析而言,送风口布置对工作区的平均温度和速度没有太大的影响,影响的只是工作区温度和速度分布的均匀性。

由正交试验得出的最优方案P5(送风量为126.5m3/h,上下游比例为1∶3,均匀送风口布置),它的能量利用系数、工作区平均温度、温速度分布的均匀总体相对于其它方案要好些。

[1] 付祥钊.水电站地下主厂房顶送风研究[J].暖通空调.1996(1):59-62

[2] 田忠保.水电站地下厂房顶部送风气流组织试验[J].西北水电.1996(1):47-52

[3] 刘振学,黄仁和.实验设计与数据处理 [M].北京:化学工业出版社,2005,4:62-74

[4] 樊胜军.层次分析法在建设工程评标中的应用 [D].西安建筑科技大学硕士学位论文.2003,4:32-43