地下水电站热湿环境形成机理及节能调控策略

摘要

近年来,我国水电站建设处于高速发展期,大多数电站特别是大型电站都选择了地下形式。由于深埋地下,当热湿调控措施不当时,厂内容易产生潮湿、发闷、发霉、结露等现象。为了消除这种热湿环境,电站往往采用大容量的通风空调设备,但并未取得满意的效果。目前相关研究主要以厂内设备散热为出发点,侧重于热环境的研究,而对热、湿耦合状态下的环境研究较少,未深入揭示其热湿环境的形成机理,故很难保证调控策略的有效性。地下水电站的热湿环境受多种因素的综合影响,了解不同因素的影响机理是有效解决热湿环境问题、制定科学合理调控策略、降低通风空调系统能耗的关键。
　　本文对此开展了系统的研究,建立了地下电站热湿环境的模拟预测方法,揭示了厂内热湿环境的形成机理,同时分析了不同因素对热湿环境的影响过程及机理,并以此为基础,提出了合理制定厂内热湿环境调控策略的方法,为优化工程设计和运行调控提供科学支撑,为电力生产提供可靠的保障。本文的研究是在国家自然科学基金“深埋地下式水电站热湿环境形成机理与节能调控”(51178482)资助下完成的。通过分析,将地下水电站洞室群分为两大类,即大空间厂房和狭长进风洞,针对两种类型洞室,分别建立其围护结构内的热湿传递数学模型。模型均以液态水体积含湿量和温度作为驱动势,并首次将“单元分割”思想引入到模型求解过程中。通过对两个模型的热质传递控制微分方程进行离散,分别采用MATLAB编写了计算程序。为验证数学模型的正确性,本文建立了综合的验证方法,分别对反映热湿传递机理的数学模型的正确性及其在地下水电站应用中的适应性进行了验证。地下进风洞是空气进入厂房的预处理段,是分析厂房内热湿环境的前提,通过模拟计算,本文揭示了地下进风洞对气流的热湿处理规律、洞内结雾的位置及时段,并对地下进风洞对厂房环境、通风空调系统设计参数的影响进行了分析。为合理利用地下进风洞的自然资源、通风空调设备的选型设计和运行调节提供了科学支撑。
　　本文以耦合性为切入点,对主厂房围护结构的动态热湿吸放进行了研究,揭示了空气参数与壁面热、湿吸放的内在联系;并以空气参数特征值为自变量,通过耦合关系,提出了围护结构全年动态热、湿吸放简化预测公式,为工程上计算壁面散热散湿、估算空调容量、调整通风策略提供了方便实用且较为准确的方法。同时对电站投产初期,围护结构内的施工余水的迁移过程进行了研究,同样以耦合关系为基础,分析了不同空气参数对余水迁徙的影响,提出了施工余水迁移速率、余水影响期及余水导致的壁面散湿量的简化动态计算公式,为工程上余水影响年限的估算、相应防潮措施的选择提供了较为实用的方法。由于工艺特性,地下水电站的热湿环境还受发电设备、引水发电系统、厂内气流组织等诸多因素的影响。针对发电设备,本文对其散热的强度、时间、空间特性进行了研究,对重点发热设备(发电机、变压器、母线)进行分析并获得了其相应的散热特性;对引水系统部分,首次建立了考虑引水管道的围护结构内部二维热湿传递模型,通过计算揭示了引水系统对厂内热湿环境的影响机理,确定了在引水管道影响下的壁面结露位置、时间以及其造成的附加传热量与传湿量;气流组织方面主要对壁面处空气流速与通风内循环进行了计算,提出在不同空气流速下围护结构壁面的热湿吸放特性及其对厂内的影响,同时建立了热、湿平衡方程,将内循环率引入计算过程,对不同内循环率下的厂内环境、围护壁面的热湿吸放进行了研究。通过对不同影响因素的研究,更加具体、综合、全面地揭示了厂内热、湿环境的形成机理,为整个厂房热湿环境调控提供了科学的支撑。最后以某巨型地下水电站为例,建立了厂内热湿环境模拟预测方法,该方法综合考虑了不同因素对厂内热湿环境的影响机理,通过模拟预测,得到了该电站地下厂房不同洞室的全年动态热湿环境参数,以此为基础并同时考虑不同因素的影响机理,完整地提出了制定地下水电站厂房热湿环境节能调控策略的方法。本文对地下水电站热湿环境的形成机理及相应的调控策略进行了较全面的研究,完善了地下水电站围护结构的热湿耦合传递模拟方法,深入解析了不同因素对热湿环境的影响机理,进一步推进了地下水电站热湿环境以及节能调控的研究。