基于温湿分布及流场仿真的高压配电室通风优化

陈 洋 孔 萌 王冰全

(郑州大学电气工程学院 河南 郑州 450001)

0 引 言

配电室作为系统中分配电能以及连接电网和用户的重要环节,安全稳定的运行是用电安全的保障。然而配电室内各种电气设备正常运行时对周围环境要求较高,根据 GBT 11022-1999高压开关设备和控制设备标准的公用技术要求,高压配电室开关设备周围空气温度不超过40 ℃,其次为防止在温度和气压骤变出现凝露从而产生绝缘击穿或金属性腐蚀等效应,在此规定高压开关设备周围的湿度条件规定其平均相对湿度不超过80%。然而,目前所存在的配电室温湿环境控制系统仍然存在自然和机械通风之间的协调难、耗能较大、除湿降温效果不显著等问题[1-2]。所以进一步研究现有环境控制系统的配电室内温度和湿度分布,以及考虑自然对流在内的风机系统正常运行情况下对室内流场进行仿真模拟,对室内结构设计和通风设备的布置以及参数配置具有一定的工程指导意义。

在此前的一些研究中,文献[3]从实际工程出发, 分析并总结了变电所通风设计的原则和方法。文献[4]对几种空调通风方案进行比较分析, 从而优化了室内变电所通风设计方案。文献[5]模拟了不同送风参数条件下地板送风系统的室内送风口以及工作区的温度梯度, 得出送风参数对室内温度的影响规律。文献[6]利用Fluent 流体力学软件模拟了变压器室的温度和气流分布,给出了优化的通风设计方案,文献[7]在具体的通风布置下,对高压配电室进行了温湿度模拟,得出不同室内高度温湿度的分布规律。

综上所述,在实际投入运行的环境控制系统中也存在不合理导致效果不佳等现象,同时对高压配电室的温湿分布和流场模拟的研究仍需深入。本文以河南省郑州市柳林变电站的典型配电室结构为研究对象,根据实际结构测量尺寸和四种通风布置方案,在建立简化模型的基础上,结合流体力学原理和计算流体力学技术,综合考虑自然对流和辐射的影响,采用ZERO湍流模型和 Boussinesq假设对室内四种通风布置下室内温湿度分布以及气流走势进行仿真分析和比较,进行通风布置的优化设计,得出最优的通风组合设计。提高了控制系统的合理性和经济性以达到降低能耗的目的。

1 数学模型和简化分析

1.1 温度控制方程

配电室内温度分布主要受室内配电柜设备仪器发热和散热与周围环境条件的两个因素综合影响。室内所有热源几乎来自配电柜内的设备,热量通过接触电阻和导体传输电流时的焦耳损耗产生,经过热传导、对流换热、热辐射的能量传递和交换后,经过一定时间与周围空气之间达到传出的热量与产生的热量之间的平衡。这些热量传递过程遵循热力学定律[8],流体运动过程遵循不可压缩流体N-S控制方程[9]。具体方程如式(1)所示。

(1)

式中:T、T1、T2、TS、Tl为各相温度;kx、ky、kz分别为x方向、y方向和z方向上的热导率;q为生成的热能;q*为热流密度;α为对流换热系数;Q为热流率;ε为吸射率;σ为斯忒藩-波尔兹曼常数;S1为辐射面1的面积;F12为从面1到面2的形状系数。

当空气流速较慢时,可视为不可压缩流体。对于不可压缩流体,其运动规律和求解遵循连续性控制方程、动量守恒方程、能量守恒方程如下:

(2)

式中:Ux、Uy、Uz分别代表x方向、y方向和z方向上的速度矢量;v为动力粘性系数;P为压力;Q为单位体积产生热量的速率;T为温度;C为定容热容;ρ为流体密度;α为热扩散系数。

1.2 湿度控制方程

假设配电室内的水分蒸发源主要为藏于地下的电缆沟道,各壁面散湿量忽略不计,湿度主要取决于蒸发源蒸发和室外环境含湿量。空气含湿量可以用绝对湿度和相对湿度来表征,然而,绝对湿度在不同材料交界的地方不是连续的,而相对湿度却是连续的,所以湿气的扩散和计算一般采用相对湿度来表征含湿量。

另外,温度场的分布会影响湿度的扩散系数和材料的饱和含湿量,因此计及温度场对湿度分布影响因子,可将湿度控制方程表达为如下形式[10]:

(3)

式中:D为湿度扩散系数;K为水分的单位温度变化量;H为配电室内部的相对湿度;e表示空气中的水汽压;ew表示该温度下饱和水汽压;ρw为绝对湿度;ρwmax为最大绝对湿度。

根据气象数据和湿气扩散规律得知,在环境温度为25 ℃时,由式(3)计算得出初始环境参数的相对湿度取为0.77。

2 不同通风模式下的物理模型

2.1 模型建立

开关柜的内部的设计较为复杂,电气设备较多,完全按照实际模型建立三维仿真模型会包含很多形状复杂的零部件。这样会大大影响仿真的速度,所以对原始模型进行适当的简化再进行仿真计算,既能节省大量的计算时间,同时也可以得到误差较小的结果。对于温度传递过程而言,配电柜只考虑热源和外壳,室壁上的门窗结构通过壁面来简化处理。这样做的话,会大大减少建模步骤,同时也会加快仿真速度,同时对仿真的精度也不会有很大的影响。

送风口建模采用一种普遍方法, 即将风口简化为一个长宽与原风口采用相同尺寸矩形开口,矩形开口面积取为风口的有效面积, 出风口按照实际简化为圆形风口,所有尺寸完全与实际尺寸相同,采用1∶1比例得出模型的风口尺寸。

根据配电柜面对面布置配电室的基本结构和实际测量的数据可知,配电室外墙的尺寸为长20 m、宽10 m、高5 m的长方体区域。内部并排放置着两排配电柜设备,设备之间接触,每排间距为2 m,所有柜体简化为长宽高分别为2 m、1 m和1 m的空心长方体结构。进风口尺寸设计为长2 m、宽1 m,几何中心离地面0.5 m。出风口半径设计为1 m,圆心距离地面2.5 m。

建立物理模型,基本模型由部分组成如表1所示。

表1 模型组成

在确定送风量、送风速度恒定的情况下,采用4个送风口,通过设置不同送风口位置、排风开口位置,组合成 4种不同的通风组合的模式,表2为模式1-模式4的通风布置方式,建立的配电室物理模型如图1所示。

表2 通风布置

2.2 网格划分

将所建模型在ANSYS软件中进行网格处理,网格的划分精确与否关系到计算结果精确程度,对于不同的单元网格划分需要不同的方法,要综合考虑网格的数量和质量两个影响计算结果的重要因数。网格数量的增加,在提高计算精度的同时也会增加计算的规模,网格质量是网格的几何形状,基本要求是各边内角差值、网格面扭曲率不大;边界位置附近的网格质量良好。

为解决计算精度和速度之间的矛盾关系,综合考虑自然对流散热和风机强迫风冷两个温度影响因素,需要精确地控制在热量传递方向上的空气网格尺寸和形状。而柜体和周围空气之间的温度梯度较大,边界处的网格密度影响着结果的收敛性和精度。所以为综合考虑计算速度和精度,在温度梯度大的区域加密网格保证仿真精度,在其他区域适当稀疏网格提高仿真的计算速度。最终本文模型网格有110多万个单元,并且网格质量均在0.5以上,满足仿真要求。

3 仿 真

3.1 计算参数设置

流体的层流和湍流是两种不同的基本流态,它们的区分变化可由雷诺数来量化。雷诺数较小时(一般小于2 000)为层流,当雷诺数较大时,就会发展成为不规则的湍流。根据本文所建的配电室模型,系统计算流体空间的雷诺数达到数万,属于湍流流态,所以选择湍流模型,在分析时,能量方程选择标准的k-ε模型,能量控制方程由式(2)得出。

通风量的确定需要依据散热所需通风量和除湿所需通风量之和。但是,由于配电室周围没有明显的水分蒸发源,所以在确定通风量时主要考虑散热因素[11-12],计算公式如下:

(4)

式中:Q为热源总功率;TM为室内最高设计温度,取40 ℃;TO为送风温度,取25 ℃;C为空气比热容,取1 kJ/(kg·℃)。ρ为空气密度,取1.2 kg/m3。

通过相关经验取值和精确计算后,壁面除风口外均采用绝热条件,其他仿真参数设置如表3所示。

表3 仿真参数设置

3.2 结果分析

在软件环境下,进风位置、出风位置设定根据模式1-模式4所示物理模型确定,按照以上所确定仿真参数数据,模拟模式1-模式4的温湿度分布、气流分布和走势。

温湿度分布图可模拟温湿度在室内各区域的分布,模拟图中可观测最高温湿度与最低温湿度,从而可确定工况是否能满足设备所需要求。气流分布和走势图可模拟新风在室内各区域的流动速度。

图2-图21分别选取室内高度为1.5 m和2.5 m温湿度截面分布图、柜体周围气流走势图。室内最高和最低温湿度分布于1.5 m和2.5 m截面处。

图2 模式1,1.5 m处温度 图3 模式2,1.5 m处温度

图4 模式3,1.5 m处温度 图5 模式4,1.5 m处温度

图6 模式1,2.5 m处温度 图7 模式2,2.5 m处温度

图8 模式3,2.5 m处温度 图9 模式4,2.5 m处温度

图10 模式1,1.5 m处湿度 图11 模式2,1.5 m处湿度

图12 模式3,1.5 m处湿度 图13 模式4,1.5 m处湿度

图14 模式1,2.5 m处湿度 图15 模式2,2.5 m处湿度

图16 模式3,2.5 m处湿度 图17 模式4,2.5 m处湿度

图18 模式1气流分布 图19 模式2气流分布

四种模式下,配电室温湿度分布及气流速度分布比较说明情况如表4所示。

表4 温湿度及气流分布比较

由图2-图21和表4中数据分析得知,模式1和模式4送风覆盖率能满足设备周围通风要求,室内相对湿度也满足低于80%,模式2和模式3的送风覆盖率稍低;从温度分布来看,模式4室内最高温度维持于40 ℃左右,基本满足室内温度低于40 ℃的要求,其余三种模式稍高,其次模式4下柜体周围的风速分布均匀,流场形成稳定层流,能有效地防止一些有害物质停留在柜体表面。因此,工况模拟结果分析可得出模式4的温湿度分布和气流分布能够较好地满足设备的温度要求。

4 结 语

本文通过建模并仿真计算了四种不同通风布置模式下高压配电室内部温湿度和气流分布,根据所得模式1-模式4温湿度分布与气流分布对比分析得出如下结论:

(1) 进出口不对称布置导致气道截断、气流不通畅,导致模式3的室内最高温度高于其他模式下的室内最高温度,所以进、出风口采用对称布置,有益于气道通畅、气流均匀分布、室内降温除湿。

(2) 模式1和模式2比模式3和模式4,室内最高温度高5 ℃～10 ℃,这是由于进出口采用不用壁面布置的原因。由此可见进风口与出风口组合布置优于单独布置,更有利于风场的整体流动。

(3) 模式4具有最优的温湿度分布和气流走势,可见进风口与出风口组合对称布置,有效地使风场均匀分布于配电柜周围,使室内气流形成稳定层流,更好地控制室内温湿环境。