白鹤滩水电站地下厂房通风空调热态模型试验研究

摘要

随着传统能源的日渐消耗，人类开始探索新的能源利用形式，水电以其可再生性和无污染性得到了人们的青睐。白鹤滩水电站是全球最大的在建地下水电站，地下洞室纵横交错、内部设备布置复杂。地下厂房良好的通风空调方案和气流组织形式是保证水电站机电设备正常运行和人员健康的基础。论文利用相似模型试验方法，对白鹤滩水电站地下厂房通风空调方案进行研究，研究内容与研究成果具有重要工程实用价值和工程指导意义。本论文是国家自然科学基金资助面上项目（51178482）“深埋地下式水电站热湿环境形成机理与节能调控”的研究内容之一。
　　首先，基于相似理论及阿基米德模型律，结合试验场地的实际条件，选择1/20的几何比例尺，确定模型试验相关参数比例尺。按照相关参数比例尺，制定了白鹤滩水电站地下主厂房及母线洞的模型试验台搭建方案，建立了模型试验台及试验测试系统。
　　然后，对模型试验台进行了冷态和热态工况运行调试，并对试验台做了进一步的改进和完善。根据模型试验台运行调试工作，探讨了水电站地下厂房通风空调模型试验的主要问题和困难，并针对这些问题和困难，总结了提高地下水电站通风空调模型试验准确性、可靠性以及减小试验误差的一些技术措施。1）受相似模型律的制约，模型试验的风量和热量比例尺一般非常小，导致模型的风量和发热量也非常小。小风量及发热量条件下的模型试验中，通风管路的水力平衡问题、试验台围护结构以及通风管路的传热问题以及送风温度的精确控制问题是影响模型试验结果准确性的关键问题。2）模型试验中，送风方式采用“分系统、大管径静压送风”的方式，可满足拱顶送风均匀性要求，解决送风管路的水力平衡问题；围护结构采用导热系数λ≤0.036w/m·k（厚度≥4cm）的保温材料可使围护结构的传热减小到误差允许范围内；拱送风干管采用“外壁面敷设保温材料+末端旁通风量”的方法，可减小传热温差，满足拱顶送风温度一致性要求；发电机层以下各层夹墙埋管送风系统，采用“外壁面敷设保温层+补偿热量或冷量”的方法可满足引风和送风温度一致性要求。本次模型试验采取上述措施，取得了良好的效果，使试验误差进一步减小，提高了模型试验的准确性与可靠性。
　　最后，开展了白鹤滩水电站地下厂房通风空调热态模型试验。模型试验主要包括三部分：1）发电机组全开、中间层和母线洞局部空调关闭条件下，研究满足地下厂房温、湿度要求的拱顶送风温度，并分析均匀送风气流组织方式的合理性。2）发电机组全开，开启中间层和母线洞局部空调，探究满足全厂房温、湿度要求的拱顶送风温度。并对照第一部分试验结果，分析相同送风温度条件下，局部空调对全厂房温度场分布规律的影响。3）开启部分发电机组，只打开相应开启机组的送风口，送风量与开启机组数相匹配，研究发电机组部分运行时全厂房温度场和速度场分布规律。
　　根据试验结果分析，得到以下主要结论：1）采用拱顶均匀送风的气流组织形式可使发电机层工作区速度场分布比较均匀，风速分布范围为0.22～0.36m/s，满足设计规范0.2～0.5m/s的要求。2）发电机组全开、关闭局部空调，拱顶送风温度为20℃时，全厂房各空间温度均能满足设计要求，但此时发电机层工作区平均温度和母线洞平均排风温度比设计温度低得多，造成了局部区域冷量“浪费”。只改变送风温度对全厂房温度分布的影响是整体性的，对厂房局部空间温度分布的调节作用很小。3）发电机组全开、开启局部空调，拱顶送风温度为21℃时，全厂房各空间温度基本能满足设计要求，仅蜗壳下层高于设计值0.3℃。局部空调对中间层和母线洞降温效果最明显。因此，送风温度设为21℃，辅以局部空调是一种经济合理的设计方案。4）发电机组部分负荷运行，拱顶送风温度为22.1℃时，受未开启机组围护结构壁面“冷效应”影响，全厂房温度均能满足设计要求。

目录

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1 绪 论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 水电站地下厂房通风空调技术概述

1.3 工程项目概况

1.4 论文主要研究内容

1.5 本章小结

2 模型试验基本理论和方法

2.1 相似理论

2.2 模型律

2.3 相似比例尺

2.4 本章小结

3 模型试验台设计与制作

3.1 主体结构设计与搭建

3.2 内部设备和热源设计与制作

3.3 通风空调系统设计与制作

3.4 试验测试系统

3.5 本章小结

4 模型试验台运行调试

4.1 拱顶送风口送风量均匀性调试

4.2 试验台密闭性调试

4.3 拱顶送风温度均匀性调试

4.4 拱顶送风温度调试

4.5 送、排风温度一致性调试

4.6 模型试验台保温性能测试

4.7 内部发热设备发热量整体测试

4.8 模型外部环境温度控制

4.9 测试系统校定

4.10 模型厂房内部温、湿度控制参数

4.11 模型试验工况安排

4.12 本章小结

5 发电机组全部运行工况试验结果及数据分析

5.1 拱顶送风温度分析

5.2 工况1～6试验结果及数据分析

5.3 发电机层速度场测试结果分析

5.4 本章小结

6 发电机组部分运行工况试验结果及数据分析

6.1 拱顶送风温度分析

6.2 工况7～12试验结果及数据分析

6.3 发电机层速度场测试结果分析

6.4 本章小结

7 结论及建议

7.1 结论

7.2 建议

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目