水电站交通洞通风除雾过程的模拟分析

赵　兵，　唐国峰，　崔志刚，　鲁恩龙，　高　翔，　刘锦程

(国网新源黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司， 黑龙江 牡丹江 157099)



水电站交通洞通风除雾过程的模拟分析

赵兵，唐国峰，崔志刚，鲁恩龙，高翔，刘锦程

(国网新源黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司， 黑龙江 牡丹江 157099)

为解决水电站进厂交通洞成雾问题，保证交通安全，以蒲石河水电站进厂交通洞为研究对象，依据能量守恒原理建立数学模型，根据现场实测设定边界条件，利用Fluent软件模拟交通洞起雾状态下，风流与交通洞热湿量传递交换过程，通过风量调节，获取风量对交通洞温湿度分布的改变情况，研究发现：交通洞起雾原因为空气与交通洞岩体进行热湿交换，使温度下降至露点温度，相对湿度上升至100%，水蒸气凝结为液态析出，从而在交通洞内成雾，模拟结果显示，增大通风量可缩短交通洞壁面与空气的热量交换时间，减小空气温度下降梯度，使空气在交通洞内达不到露点温度，阻止雾的形成。该研究验证了交通洞通风形式的可行性。

湿度； 温度； 热量传递； 交通洞； 通风； 雾

0　引　言

自然界中，空气中悬浮的大量水滴或冰晶微粒的乳白色集合体，使水平能见度距离降至1 km以下时称为雾。进厂交通洞是地下水电站重要的运输通道，由于地下水电站进厂交通洞内与大气环境具有较大温度差异，同时通过交通洞的自然风含湿量较大，所以使进厂交通洞内出现起雾现象，从而影响交通安全，腐蚀交通洞内构筑物[1,2]。因此，研究地下水电站进厂交通洞内的热湿交换过程，控制交通洞内空气参数，达到防雾效果十分重要。

相关学者针对交通洞防雾除雾措施进行了大量研究。在工程上，交通洞内起雾现象是必须要避免的，通常采取的方式有除湿机除雾[3-5]、交通洞壁面加保温层除雾[6,7]、通风除雾[8,9]、双层式交通洞除雾[10]。其中除湿机除雾能耗大，增加厂内空调系统的负荷；加保温层除雾则造价高，施工过程复杂；双层式交通洞除雾处于实验室研究阶段，缺乏现场应用可行性论证。通风除雾措施具有能耗低，调节方法简单的优点。笔者通过对已建成的蒲石河抽水蓄能电站交通洞起雾时的现场进行实测，结合测试数据，分析目前交通洞的起雾原因，并通过建立数学物理模型，对该结构形式的交通洞进行模拟起雾过程。通过通风调节，对比、分析交通洞内空气热湿变化状态，验证交通洞通风形式的可行性。以期为抽水蓄能电站进厂交通洞除雾系统的工程应用提供技术指导与理论支持，并为具有类似特征的水电站交通洞的除雾工程应用提供理论与设计借鉴。

1　现场测试

1.1水电站交通洞概况

蒲石河抽水蓄能电站，位于辽宁省宽甸满族自治县境内。电站主要由主副厂房、主变室、尾闸室、母线洞、高压电缆洞中控室及附属洞室等组成，蒲石河抽水蓄能电站结构透视如图1所示。交通洞全长约960 m，一端通过主变运输洞与厂房安装间相通，另一端为厂区地面出口，出口地面高程82 m，与厂区公路相连。交通洞断面形式为城门洞型，洞内净尺寸为9.5 m×8.0 m。

图1　蒲石河抽水蓄能电站地下厂房结构

1.2电站测点布置及测试方法

水平方向：每隔90 m选定一测点；交通洞沿程共布置10个测试点，测点距离厂房入口分别是50、140、260、350、440、530、620、710、800、890 m，如图2a所示。

垂直方向：参数测试断面及测点位置如图2b所示。在空间断面上均匀布置9个测点，然后用TSI风速测试仪、激光测温仪等设备测定各点风速、温度、湿度等参数。为保证测试参数的准确性，每测点测试三次后取均值，参数计算结果见表1。

图2　交通洞沿程测点布置示意

Fig. 2Measuring point layout in tunnel of hydropower station

表1蒲石河水电站交通洞断面参数计算

Table 1Section parameter calculation of tunnel of PuShi river hydropower station

测试序号v/m·s-1S/m2u/m3·s-1T/℃μ/%10.38825.62015.93363.36720.68345.09815.01166.23330.76050.18314.98965.56740.87157.51214.68965.34451.01866.03067.21914.21166.72261.11273.42514.01165.81171.11473.55713.94465.48981.23081.21713.44466.65691.08271.44412.60068.489101.776117.20011.74468.567

2　交通洞数学模型建立

2.1交通洞内空气的热湿交换

2.1.1显热交换量Qk,b

空气与水电站地下交通洞壁面的显热交换，由于热量为定向传递，可分为两种情况。当进入水电站地下厂房交通洞的气流温度高于岩体壁面温度时，进风气流向交通洞壁传热[11,12]。热量传递初期，进风气流与壁面之间温度存在较大差异，热量传递强度较大。随着热量传递的进行，交通洞壁温度逐渐上升，热量也逐步向交通洞岩体的更深处传递，传热影响的厚度增大，但传热强度将逐步下降。这一过程中，气流传递给交通洞岩体的热量被岩体蓄存起来。但水电站地下厂房交通洞入口的气流温度不是恒定不变的，而是随着室外气象条件而变化。当气流温度下降，低于岩体壁面温度时，岩体就会向空气传热，将所蓄存的热量释放出来。分析认为，我国北方不同季节气温存在较大差异，水电站地下厂房交通洞的洞壁温度受不同气候的影响较大，空气与水电站地下交通洞壁面的热量交换方向主要取决于交通洞壁与空气的温度关系。综上，空气与水电站地下交通洞壁面的热量交换，有

(1)

式中：U——空气与洞壁接触的湿周长，m；

H(r)b——表面传热系数，W/(m2·℃)；

Tk——空气温度，℃；

Tb——交通洞壁面温度，℃。

2.1.2湿交换量θb

空气与水电站地下交通洞壁面的湿交换过程，与热量交换规律相类似。水电站地下厂房交通洞入口的气流含湿量不是恒定不变的，而是随着室外气象条件而变化。当气流中水蒸气气压低于交通洞壁面水蒸气分压力时，岩体就会向空气传递湿量。分析认为，当降雨量较大季节时，进入水电站地下厂房交通洞的气流含湿量较大，反之，进入交通洞的空气含湿量较小。空气与水电站地下交通洞壁面的湿量传递过程主要取决于交通洞壁与空气的水蒸气分压力关系[13，14]。空气与水电站地下交通洞壁面的湿量交换，有如下关系

(2)

pb，sa——饱和状态下水蒸气分压力，Pa。

室外空气参数呈现周期性波动变化，气流流经水电站地下厂房交通洞时，必将引起交通洞的热量、含湿量双向传递的周期性变化。当交通洞蓄存热量时，是对气流的冷却作用；当交通洞释放热量时，是对气流的加热作用，交通洞壁与空气湿量交换也按同样规律变化。由此，气流参数的波动变化，是引起岩体周期性热湿蓄放的原因；交通洞周期性的热湿蓄放又形成了对气流的冷却、加热、干燥、加湿作用。由于整个过程是周期性变化的，使得气流参数对周围岩体温、湿度的影响局限在一定深度范围内。

2.1.3净热量和净湿量

流入流出微元体空气的净热量Qj

(3)

式中：mk——空气单位时间内通过水电站交通的质量，kg/s；

h(φ)——比焓，kJ/kg。

流入流出微元体空气的净湿量θj

(4)

2.1.4相变生成热量Qc

水电站地下进厂交通洞内热量传递变化，除空气与洞壁热湿交换外，主要为空气中含水量的相态变化的吸放热量过程，表达为：

(5)

式中：r——水的汽化潜热，2 501 kJ/kg；

μ——含湿量，kg/kg。

2.1.5能量平衡方程

在流体的压缩功和黏性耗散功被忽略的情况下，针对不同相，均有如下关系式成立：

能量增量E=热湿交换热量Qk,b+净导入/导出热量∑Qj+相变生成热量Qc[15，16]。

(6)

式中：S——水电站地下进厂交通洞内空气流通面积，m2；

τ——时间，s；

ρk——空气密度，kg/m3。

2.2边界条件和初始条件

洞体岩层的远边界

t=t0，

(7)

式中：t0——岩层初始状态温度，℃。

交通洞入口空气参数已知，为

Tk(τ)=fk，T(τ)，

μ(τ)=fk，T(τ)，

(8)

空气流速

ua(τ)=fk，u(τ) ，

(9)

与空气接触的洞壁面

(10)

式中：λg——岩层的导热系数；

Cpg——岩层的比热容。

岩层的初始条件

t|τ=0=t0。

(11)

在集总参数模型条件下建立蒲石河水电站交通洞通风过程热湿交换的准三维数学模型。

交通洞沿程空气的比焓及含湿量分布的解析解分别为：

(12)

(13)

式中：μk(0)——交通洞入口空气的含湿量,kg/kg。

h(r)k(0)——交通洞入口空气的比焓，kJ/kg。

在已知入口空气参数、交通洞结构条件下，应用式(12)(13)可得到交通洞沿程空气的参数分布。

3　洞中水、空气与洞壁热湿交换模拟

根据蒲石河水电站现场概况，结合不同相态之间热量与湿量传递交换理论，对蒲石河水电站地下进厂交通洞中水、空气与交通洞壁三者间的热量与湿量传递交换过程进行了系统性分析，在此基础上建立了蒲石河水电站地下进厂交通洞水-空气-交通洞壁热湿传递交换物理模型，并应用集总参数法建立数学模型。数学模型主要诠释了蒲石河水电站地下进厂交通洞尺寸、空气参数、壁面温度等关键影响因素与热量、湿量间的相互作用关系，通过该模型可获取交通洞微元空间中任意点空气比焓与含湿量。根据现场实测数据设定工况边界条件，采用Fluent流体模拟软件模拟蒲石河水电站地下进厂交通洞中水、空气与交通洞壁三者间的热量与湿量传递交换过程。

图3为交通洞起雾工况条件下，蒲石河水电站交通洞温度场模拟分布结果，从图3中可以看出，随着交通洞沿程走向变化，空气温度逐渐降低，呈梯度变化，温度变化显著，最高温度为入口温度，最低温度为出口温度，且两者温差约为8 ℃，平均百米温度变化梯度为0.8 ℃，交通洞同一截面，近壁面空气温度最低。

图3　交通洞内起雾工况下温度场模拟分布Fig. 3　Simulation temperature distribution of fogging in tunnel of hydropower station

图4为交通洞起雾工况条件下，蒲石河水电站交通洞湿度场模拟分布结果，从图4中可以看出，交通洞入口相对湿度最小，出口相对湿度最大，其值已远超100%。模拟结果显示，距离交通洞入口360 m处，交通洞内空气相对湿度已经达到100%，此时已经达到空气中水蒸气冷凝析出临界值，说明在该范围内已经有雾气产生，这与现场实测交通洞起雾位置相近。

图4　交通洞内起雾工况下湿度场模拟分布

Fig. 4Simulation humidity distribution of fogging in tunnel of hydropower station

分析认为空气进入交通洞后，与岩体发生热湿交换，从而空气温度逐渐下降，相对湿度上升，当温度下降到露点温度时，相对湿度上升到100%，空气达到饱和状态，水蒸气凝结为液态，满足形成雾的条件，当交通洞内持续通入空气时，就会不断有水蒸气在此凝结，形成了雾。增大通风量可缩短交通洞壁面与空气的热量交换时间，从而减小空气温度下降梯度，进而使空气温度未达到露点前，流出交通洞，从根本上消除雾气的产生。据此，加大通风量，重新设定边界条件，进行模拟。根据DL/T5165—2002《水力发电厂厂房采暖通风与空气调节设计规程》第7.1.13条规定：主交通洞空气流速不宜大于3 m/s，因此工况入口风速选择为3 m/s，其余边界条件不变。

图5为调节风速下温度场分布。根据图5，随着交通洞沿程走向变化，空气温度逐渐降低，呈梯度变化，温度变化显著，最高温度为入口温度，最低温度为出口温度，且两者温差为5 ℃左右，平均百米温度变化梯度为0.5 ℃，交通洞同一截面上贴近壁面空气温度最低；与起雾工况模拟结果相比，其平均百米温度变化梯度降低0.3 ℃，进一步证明加大风速条件下，增大通风量会使交通洞内单位空气的质量增加，一定程度上降低了空气的温降，使其不易达到露点温度。

图5　调节风速下温度场模拟分布

Fig. 5Simulation temperature distribution under condition of adjust wind speed

图6是调节风速下湿度场分布。根据图6可知，交通洞入口相对湿度最小，其平均值为76%，出口相对湿度最大，其值未达到100%。模拟结果显示，与起雾工况模拟结果相比，接近交通洞出口处空气相对湿度接近100%，交通洞内未形成雾气，证明加大风速条件下，通风量增大，沿程相对湿度随之减小，减缓交通洞与空气的换热速率，一定程度上降低了空气的温降，使其更不易达到露点温度。因此，适当增加入口空气流速，可将交通洞内雾气去除。

图6　调节风速下湿度场模拟分布

Fig. 6Simulation humidity distribution under condition of adjust wind speed

4　结　论

(1)通过对蒲石河水电站进厂交通洞温湿度分布情况，现场测试发现，交通洞起雾原因为空气自身被冷却，空气与交通洞岩体发生热湿交换，使温度下降至露点温度，相对湿度上升至100%，空气达到饱和状态，水蒸气凝结为液态，使交通洞内雾气持续出现。

(2)利用Fluent模拟交通洞中水、空气与交通洞壁热湿交换过程发现，增大通风量可缩短交通洞壁面与空气的热量交换时间，从而减小空气温度下降梯度，进而使空气温度未达到露点前，流出交通洞，从根本上消除了雾气的产生。

(3)通过分析交通洞内空气热湿传递过程，验证了交通洞通风形式的可行性，为抽水蓄能电站进厂交通洞除雾系统的工程应用提供技术指导与理论支持，并为具有类似特征的水电站交通洞的除雾工程应用提供理论与设计借鉴。

[1]刘之平, 柳海涛, 孙双科. 大型水电站泄洪雾化计算分析[J]. 水力发电学报, 2014, 33(2): 111-115.

[2]张华, 练继建, 王善达. 湾塘水电站泄流雾化的数值计算[J]. 水力学报, 2003(4): 8-14.

[3]梁仲智. 大型水库水电站机房防结露技术[J]. 制冷, 2005, 24(1): 74-76.

[4]王立新, 喻忻, 刘伟, 等.转轮除湿在水电站的设计应用[J]. 西北水电, 2012(S1)1: 162-165.

[5]李明. 转轮式除湿系统的研制与应用[J]. 湖南电力，

2012, 32(1): 57-59.

[6]蔡娜. 超轻泡沫混凝土保温材料的试验研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2009.

[7]张源, 高本立, 杜垲. 加气混凝土典型自保温墙体结露问题数值判断[J]. 建筑科学, 2012, 28(4): 96-102.

[8]李跃通， 陈延可， 张发亮. 井巷围岩与风流热湿交换影响因素分析[J]. 金属矿山, 2013(1): 143-145.

[9]余延顺, 王政, 石文星， 等. 水电站无压尾水洞引风热湿交换过程的理论研究与应用[J]. 暖通空调, 2008, 38(11): 28-33.

[10]俞洲. 深埋式地下工程利用交通洞进风的研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2012.

[11]裴芳， 王建. 水电站交通洞内温度参数的数值计算及结果分析[J]. 制冷与空调, 2013, 27(3): 287-291.

[12]唐春丽, 陈育平, 张小卫, 等. 地下景观防结露系统设计及其气流组织模拟[J]. 建筑科学, 2011, 27(4): 66-69.

[13]余克志, 丁国良, 陈天及. 立式陈列柜空气流动与热湿交换的整体模型[J]. 上海交通大学学报, 2005, 39(2): 220-224.

[14]刘何清, 王浩, 邵晓伟. 高温矿井湿润巷道表面与风流间热湿交换分析与简化计算[J]. 安全与环境学报， 2012, 12(3): 208-212.

[15]颜加明, 魏明睿. 地下水电站主厂房发电机层温湿度分析[J]. 暖通空调, 2013, 43(5): 98-101.

[16]李安桂, 李辉, 党义荣, 等. SSL水电站交通洞温度测试及节能潜力分析[J]. 太阳能学报, 2010, 31(9): 1215-1219.

(编辑徐岩)

Simulation analysis of elimination fog process based on ventilation in tunnel of hydropower station

ZHAOBing,TANGGuofeng,CUIZhigang,LUEnlong,GAOXiang,LIUJincheng

(Heilongjiang Mudanjiang Pumped Storage Co. Ltd. of State Grid Xinyuan Company, Mudanjiang 157099, China)

This paper seeks a solution to the fog formation in the tunnels of a hydropower station to ensure the traffic safety. The study building on the case of the tunnel of PuShi River hydropower station consists of developing mathematical model by energy conservation law; setting boundary conditions based on the field test data; simulating wind flow and heat and moisture transfer process in traffic tunnel by Fluent under the condition of fog formation; and obtaining the law behind the effect of the ventilation amount on the distribution of temperature and humidity in tunnel of hydropower station.The research suggests that fog formation in tunnel of hydropower station is due to the heat and humidity exchanges occurring between air and the rock mass, resulting in the temperature decreasing to dew points and relative humidity increasing to 100%, which may explain why water vapor condenses into liquid precipitation, with a resulting fog in the traffic tunnels of hydropower station.Simulation indicates that an increased ventilation could provide a shortened heat transmission time of air and the rock mass of tunnel and reduced temperature falling gradient, thus preventing air from dropping to dew points and rendering impossible fog formation. The study verifies the feasibility of increasing the ventilation amount.

humidity； temperature； transfer heat； tunnel； ventilation； fog

2015-12-10

严寒地区水电站地下厂房交通洞防雾除雾技术措施科学技术研究课题(MDJ-GC-2014)

赵兵(1972-)，男，浙江省诸暨人，高级工程师，研究方向：水工建筑物设计，E-mail：zq3946630@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.022

X951

2095-7262(2016)01-0100-06

A