基于综合环境控制的室内变电站通风方式
2023-06-12
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第37卷第3期 北京交通大学学报 VoI.37 No.3 2013年6月 j! △I C)F BEUING JIAoTONG UNIVERSITY Jun.2013 文章编号:1673—0291(2013)03—0019—08 基于综合环境控制的室内变电站通风方式 郭 盛 ,黄伟 ,薛 林2,茅正平2 (1.北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044;2.无锡市华能电力机械有限公司,江苏无锡214000) 摘要:室内变电站环境采用新风设备与空调制冷结合的方法,实现对温度、湿度、SG有毒气体的 综合控制.根据室内外环境综合因素,建立温度、湿度数学模型及SF6逸散规律的模型.模拟室内变 电站送风口尺寸、送风口位置、送风温湿度和送风量对室内环境的综合控制,建立多种室内变电站 通风方式模型,并在Fluent软件中进行温度和通风走势的模拟,通过对比分析得出最优通风布置 模式.设计室内空气在微正压条件下,与室外进行可控流动,实现室内无尘新风层流补充的室内变 电站综合保障系统试验台.在理论分析和模拟结果的基础上,测定室内变电站各环境因素,即运用 综合保障系统试验台,实际测定室内温湿度、SF6浓度.试验与模拟结果显示室内变电站通风方式 与室内变电站综合环境控制具有直接关系. 关键词:室内变电站;温度;湿度;送风 中图分类号:TH184;TU962 文献标志码:A Ventilation mode of indoor substation based on integrated environmental control technology GUO Sheng ,HUANG Wei ,XUE Lin ,MAO Zhengping (1.School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China; 2.Wuxi Huaneng Electric Machinery Co.,Ltd,Wuxi Jinagsu 214000,China) Abstract:The environmentoftheindoor substation achievestheintegrated control ofthetemperature,thehu— midity and the Imisonous gas SF6 by ocmbing the exhaust equipment with the air ocnditioning and refrigera— tion.Math ̄aatical models of the temperature nad the humidity are built acocrding to hte integratde factors of indoor nad outdoor enviornment.By stimulating hte integratde ocntrol of the size nad the location of iar supply outlet,the humiidty,the temperature nad the volume of the supply iar of the indoor subsattion on indoor envi— ornment,we establish various ventilationInDdes of indoor substation.In addition,we stmiulate the tendency of hte temperature and the ventilation in the Fluent program,and accomplish optimal ventilation arrangement n-l ̄ebytheeompamtive analysis. e paperdesignstheindoor substationcomprehensive safetygtmrm ̄tee sys— tern test bench which is able to carry out hte indoor nad outdoor ocntrollable iar flow under the micro-lz ̄sitive pressure condition nad achieves the laminar supplement of indoor fresh air.We determine the environmental factors of hte indoor substation based on theoretical analysis and simulation results. lat is,by ng hte oem— pmhensive safety guarantee systme tset bench to determine hte indoor temperature,humidiyt and SF6 gas den— sity.The experimental and simulation results show htat hte ventilation mode of the indoor substation and the integrated environmental contorl of hte indoor substation&re closely relatde. Key words:indoor substation;temperature;humidity;air supply 收稿日期:2012.09—28 基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划项目资助(NCET.12。0769);中央高校基本科研业务费专项资金资助(2013JBM013) 作者简介:郭盛(1972一),男,内蒙古呼和浩特人,副教授,博士.研究方向为机器人机构学.email:s uo@bjtu.edu.ca. 北京交通大学学报 第37卷 室内变电站将常规变电站的主变压器、电容器 和电抗器等设备布置于室内,承担负荷区域与电网 之间的功率交换.采用室内布置的变电站能够带来 周围环境热湿状况、室内设备仪器温湿度和SF6浓 度等. 1.1室内变电站温度建模 节省土地资源,减少变电站辐射危害,更好地保障人 体安全等好处.室内变电站由于存在许多发热量大 的设备,其特殊的工作环境,还会造成室内粉尘污 染、缺氧、高温度、高湿度、易结露、SF6浓度高等危 害人体健康和电气设备安全运行的环境质量问题. 目前解决上述问题采用的主要技术是:通过安装分 室内变电站温度受室外气象条件与室内设备仪 器及灯光散热等影响,采用以下公式ll1 ]计算得到 T。= ・T +fsky・T k + ・T (1) 式中:T 表示周围环境表面的综合温度,K;T。表 示地表温度,K;Tskv表示天空有效温度,K;T 表示 邻近建筑表面温度;,s表示地面角系数; 表示天 空角系数;厂su 表示邻近建筑表面对待模拟建筑表面 的角系数.以上各参数根据当地气象参数决定. 室内影响因素即室内照明装置、设备和人体等 的散热.室内变电站除控制室有人值班外,其余房间 如设备室等都是按无人值守设计.室内热负荷又主 要由变压器室与电抗器产生,其计算公式为 J Q1=P ltl+P1。t2 (2) 散布置的通风、空调等功能单一的装备,实现了部分 问题的解决.上述单一功能解决单一问题的方法,没 有考虑室内空气自然通风、空调控制之间存在的内 在矛盾,无法实现室内各类环境指标的协调控制,且 运行中耗能巨大,无法全面满足变电站对环境的技 术要求.关于室内变电站环境控制的研究,金立军 等…通过对变压器室内对流换热的分析,建立了变 压器室通风模拟计算的数学模型,优化了变压器的 位置.Jianming[ ]与Ferreira等E ]均对群体建筑的风 式中:Q1表示变压器的散热量,J;Pul表示变压器空 载功率损耗,w;t1表示变压器空载运行时间,s;Pl。 场实施了模拟.陈建国等l4j采用数值方法,结合标 准 一r湍流模式求解非定常Reynolds平均Naiver— Stokes方程,对北京市海淀区蓝旗营住宅楼群的二 表示变压器负载功率损耗(短路损耗),w;t2表示 变压器负载运行时间,s. Q2=/11 rj2Pt3 (3) 维和三维风环境进行了数值模拟.张耀华等_5采用 5_LvEL湍流模型,IMMERSOL辐射模型,采用布辛 涅斯克(Boussinesq)假设,对地下箱式变电站内的温 度场、流场进行了数值模拟,分析比较了不同因素对 变电站内温度场的影响.钱同生¨6 J根据国际气象组 织推荐的计算公式推导了简化湿度计算公式.曲有 立 7_结合工程实际,分析了变电所通风设计的方 法、原则.姚富宏等l_8j结合几种通风空调方案的比 较分析,优化了室内变电所通风方案.赵民等_9 J采 用计算流体力学技术,对地板送风系统在不同送风 参数条件下室内送风口和工作区的温度梯度进行数 式中:Q2表示电抗器的散热量,J;叩l表示电抗器的 利用因素, 1=0.95;r/2表示电抗器的负荷因素, 2 =0.75;P表示额定功率下电抗器的功率损耗,W; t3表示电抗器运行时问,S. 室内设备发热量Q采用以下公式确定 Q=Q】+Q2 (4) 室内温度根据以下公式确定 Q=CM(T—T ) ,1 (5) (6) (7) T +丁c 值模拟,得出送风参数对室内环境的影响规律.袁德 虎等ll0 J根据Beattie—Bridgman状态方程,利用牛顿 迭代法完成了对SF6浓度的测量.本文作者通过建 立温湿度数学模型、SF6浓度建模,综合控制温湿 度、S 浓度,研究通风方式的设置对室内各环境因 素的影响.在此基础上,通过理论计算及模拟结果分 析,得出通风设置与室内变电站环境控制的关系,优 M=pgv 式中:C为空气比热容,C=1.4;M为室内空气质 量;p为空气浓度,1.205 kg/m3; 为室内建筑体 积,m3;T为室内温度,K. 1.2室内变电站湿度建模 室内变电站较普遍布置于地下室,因此,其散湿 量主要来自于围护结构渗人的水分.壁面散湿量W 的计算公式可按下式[12]确定 W=Au×gb (8) 化室内变电站通风方式,开发室内变电站综合环境 控制保障系统.将保障系统按照模拟方法布置于室 内,运用现代传感器与智能控制技术,测量室内变电 站各环境参数,验证理论计算及模拟结果的正确性. 式中:Ah表示衬砌内表面积,m2,本文取470 m2;gb 表示单位内表面积散湿量,离壁衬砌取0.5 g/(m2・ h),贴壁衬砌取1.5 g/(m2・h). 1 室内变电站综合环境数学建模 室内变电站环境因素包括室外气象条件 建筑 湿度的计算则根据下式l6j进行计算 第3期 郭盛等:基于综合环境控制的室内变电站通风方式 u ×100% (9) 内的浓度为 = e=e (t)一 ( 2一t1) (10) (14) lgew㈩_10.79574(1一 ) O28o0Ig㈤+ 式中: 为断路器工作一次释放sF6的体积,约在 10 ~10 mL之间,本文取最大值进行计算;、,,为室 1.50475×10— [1—10-8.2969( 一 J]+0.42873×10 内变电站的体积,取900 m3; 为断路器工作时室 内变电站SF6浓度,mL/m3. 3[10 ・ I1一寻J一1]_3.21386 (11) 在△ 时间之后,断路器又一次工作,则室内变 式中:U表示相对湿度,%;t】表示湿球温度,℃;t2 电站的SF6浓度为 表示干球温度,℃;T 表示水的三相点温度, =2 (15) 273.16K;T表示绝对温度,K;P表示本地气压, MPa;A表示干湿表系数(随湿度表是否结冰和通 2多模式的通风方式物理模型 风条件不同而定);e表示空气中的水汽压,MPa; 为了综合控制变电站室内温湿度参数及确保 e (t)表示温度£℃时的液面饱和水汽压,MP8.以 SF6的浓度上限,必须对变电站进行空调控制和新 上公式适宜温度范围:一49.9℃--49.9℃. 风补充.通风方式是决定通风效率的重要因素.通过 其中饱和水汽压e (t)的计算公式(11)是一切 理论计算,设计合理的送风口位置、送风量、排风位 湿度计算的基础,在使用上述公式计算湿度时,应考 置,达到气流均匀分布并能有效的除湿散热、降低室 虑在湿球不结冰(0℃-50℃)的范围里. 内SF6浓度的效果. 露点温度 d与相对湿度的关系如下式[6 J所示 建立多种模式下通风方式的物理模型主要取决 U= ew(t2 , ×100% ew(t2 , ×100%(12) 于送风口形状、送风口位置和排风口位置的确定.目 前对于送风口建模的一种较普遍的方法为“基本模 采用式(11)和式(12),可得露点温度计算式为 型【¨J”,即将风EI简化为一个矩形开口,该矩形的长 r 1 r r 1—1 d l 一Ig J一238(13) 宽与原风口采用相同尺寸,矩形开口面积取为风口 的有效面积,这样可以确保进行Fluent模拟时人流 根据以上公式,可以推导出室内散湿量与湿度. 速度与实际人流相一致.本文按照以上思路,对风口 1.3室内变电站SF6浓度建模 进行处理,算出模型的风口尺寸,建立物理模型. S 气体以其优异的绝缘和灭弧性能,在电力 设立两个送风口,尺寸分别为0.85 ITI(长)X 系统中获得了广泛的应用.但在高压电弧的作用下, 0.35 m(宽)、1.00 m(长)×0.45 m(宽).根据实际 SF6气体会发生部分分解,而其分解产物往往含有 工况要求,变压器室的尺寸为:10 m(长)×9 m(宽) 剧毒,即便是微量,也能致人非命.因此,确定室内变 ×10 m(高),变电器位于室中央.排风口设置于室 电站SF6浓度是非常重要的. 顶,尺寸为:4 m(长)×3 1TI(宽). 室内SF6浓度取决于断路器的工作频率.本文 在确定送风量、送风速度恒定的情况下,采用两 根据江苏无锡某室内变电站在夏季电力系统承受的 个送风口,通过不同布置送风口位置、排风口数量和 最高负荷,设断路器开断间隔时间为△ ,△£在30 排风开口位置,组合成6种不同工况下的通风方式, min之内,断路器每工作一次都会向室内释放amL 建立6种变电站物理模型.表1为工况1~6的通风 的S .根据整个室内变电站的体积,可得出SF6室 布置方式. 表1工况1~6的通风布置方式 Tab.1 Ventilation modes of condition 1~6 第3期 郭盛等:基于综合环境控制的室内变电站通风方式 25 图20功能体系结构框图 Fig.20 Function s ̄tem structure diagram 送风口 排 风口 图21室内传感器布局图 Fig.21 Layout of indoor sensor 等,设计室内变电站保障系统试验台,实物如图19 所示.将室内变电站保障系统布置于工况6送风口 处,并以如图21所布置传感器方法,实测室内变电 站的温度、湿度和S 浓度. 本文选取15个典型日对室内变电站各环境因 素进行了测量,典型日应是变电站所处室外气候极 端天气,如室外高温、室外极度潮湿、变压器满负载 工作等,温湿度和s 浓度取典型日所测平均值.按 照以上要素,实测温湿度走势如图22所示、S 浓 度如图23所示. 2 30 35 4U 45 Ti℃ 图22温湿度走势 Fig.22 Trend of temperature and humidity 图22可得出室内变电站最高温度为42℃,最 高湿度为58%,虽然最高温度超出了上述数值模拟 结果最高温度,但是该温度能满足变电站正常工作 温度;实测湿度则能满足变电站所需的湿度≤70%. 图23显示室内变电站SV6浓度最高为940 mL/m3, 而室内变电站设计要求规定SF6浓度1 000 mL/ m3,因此实测S 浓度能满足室内变电站要求.因 此,按照以上理论分析、数学建模及通风方式模拟结 果开发的室内变电站保障系统试验台能够满足综合 环境因素的控制. 图23 SF6浓度 Fig.23 SF6concentration 5 结论 主要针对通风方式下的室内变电站综合环境控 制进行研究,综合理论分析、数值模拟和实验,形成 如下结论: 1)可通过空调与通风结合的方式实现变电站室 内环境综合控制. 2)送风口、排风口布置于墙体中心位置优于布 置于墙体侧面,更有利于通风的均匀流动,实现温湿 度、SF6的综合控制;排风口双排对称布置优于排风 口单个布置,更能保证通风的对流及排风扩散效果 更显著. 3)采用对称送风、排风布置,有利于室内通风形 成在微正压条件下与室外进行可控流动,实现室内 无尘新风的层流补充. 参考文献(References): [1]金立军,韩露.变压器室对流换热的研究[J].变压器, 1999,36(5):16—19. 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