趙紅霞 劉剛 李夢雪 解紫茹

東華大學環(huán)境科學與工程學院

0 引言

汽機房是火電廠的重要組成部分，其內部布置有多種高溫發(fā)熱設備，各層通風換氣量對內部氣流組織以及溫度分布有一定影響[1]。若通風設計不合理，會造成工作地帶溫度高于設計要求，對工作人員正常工作造成影響，嚴重的話還會使電力設備產生故障，對電廠安全穩(wěn)定運行帶來隱患。可見合理的通風設計顯得尤為重要。

隨著計算流體動力學技術的成熟，國內外學者對電廠通風進行了大量模擬研究。例如，秦文慧等[2]研究了全面自然通風及自然進風、機械排風通風方式在寒冷地區(qū)主廠房的可行性。孫文龍等[3]對不同屋頂風機位置及風量對室內熱環(huán)境的影響進行了研究。Chul Hwan Kim[4]通過改變百葉窗豎向位置及開孔尺寸研究其對電廠鍋爐房通風降溫效果的影響。目前對汽機房的研究側重于各種通風方案的選取，對通風進行優(yōu)化也主要是增加排風量或改變其建筑結構，對廠房本身運行進行調節(jié)控制的較少。

本文采用CFD 方法，對某采用自然進風、機械排風的四層汽機房高層溫度超標問題進行研究，改變百葉窗阻力系數，分析各層風量分配對其內部溫度分布的影響，并在此基礎上進行優(yōu)化，通過模擬驗證，解決高層溫度超標的問題，為今后電廠的通風運行控制提供參考。

1 工程概況

本文所研究汽機房共有四層，其一層、二層、三層、四層樓板標高分別為0 m、8.6 m、17 m、31 m，各層發(fā)熱量及進風窗比例如表1 所示（其中一層進風窗面積中包含門的面積）。設計院采用的通風方式為：在汽機房每層正面以及兩側設置建筑外窗及百葉窗進風，并在四層增設機械補風，低溫空氣進入后受熱通過樓板格柵開孔向上運動，由布置在屋頂的軸流風機排出，帶走內部余熱，降低室內溫度。經過數值模擬發(fā)現，該廠房四層工作面平均溫度為35.74 ℃，超過設計院提出的35 ℃的要求，分析發(fā)現其通風量（見表1，其中四層通風量中包括機械補風量）偏少是該層溫度較高的主要原因，加大排風量來解決不符合節(jié)能要求，且底層溫度有上升的空間，因此本文在保持排風量不變的基礎上，采用減少底層通風量，從而使高層通風量增加的方法，降低四層工作面平均溫度，使其達到設計要求。

表1 各層發(fā)熱量及進風窗比例

2 數值模擬方法

2.1 物理模型及其簡化

該四層汽輪機房經簡化后幾何尺寸為長（X）×寬（Y）×高（Z）=103 m×118 m×40 m，實際工程的汽機房內部結構比較復雜，為了提高計算速度，對其模型作如下簡化：忽略梁、柱等對空氣流動的影響，汽輪機、發(fā)電機用半圓柱體近似代替，高低壓加熱器簡化為圓柱體，水泵、管道等用長方體近似代替。其各層平面布置如圖1 所示。

圖1 各層平面布置及監(jiān)測點位置示意圖

2.2 數學模型及控制方程

本文采用Realizable k-ε 湍流模型，并運用有限容積法和壓強速度耦合算法中SIMPLEC 算法對控制方程進行離散和求解，為減少由于低階格式的假擴散誤差加劇湍流計算結果的不準確，動量方程、能量方程及k 方程和ε 方程均采用二階迎風離散格式。為了便于計算，對以下方面做出假設：①室內空氣為低速流動，且密度變化不大，可視作不可壓縮流動。②流動為穩(wěn)態(tài)流動。③滿足Boussinesq 假設，認為密度變化僅對浮升力造成影響。④忽略外界風的影響。

2.3 網格劃分及邊界條件

由于廠房結構復雜，模型不規(guī)則，采用非結構化網格對計算區(qū)域進行劃分，并在需要研究的特殊部位，如設備表面、進風窗、排風口等處作加密處理。

門窗進風口采用進口通風邊界條件，進風溫度采用當地夏季通風室外計算干球溫度31 ℃[6-7]。機械補風采用速度入口邊界條件，進風溫度31 ℃。排風口采用速度出口邊界條件，速度根據排風量及風口面積進行計算。散熱設備采用固壁邊界條件，并給定熱流密度。

3 數值模擬結果分析

3.1 各層風量分配對其內部工作面溫度的影響

3.1.1 數值模擬工況介紹

本節(jié)采用改變百葉窗阻力系數的方法來改變各層通風量，進而改變各層風量分配比例，討論風量分配對室內工作面平均溫度的影響。其模擬工況分別為百葉窗阻力系數0.5、4.5、9、18，依次編為工況1-4（其中工況2 為設計院原始設計工況）。工作面指各層離地高度1.5 m 處的工作區(qū)域，但本文認為整個1.5 平面上的溫度在靠近進風區(qū)域較低，設備周圍較高，取其平均溫度并不能代表工作面平均溫度，因此本文在工作地帶布置監(jiān)測點（如圖1 所示），其中一層、二層、三層、四層的監(jiān)測點個數分別為28、28、31、12 個，點的位置經過設計院認可，后文中工作面平均溫度均由這些點的平均溫度代替。

3.1.2 結果與分析

表2 為各層建筑外窗及百葉窗進風量隨百葉窗阻力系數的變化情況。

表2 不同百葉窗阻力系數下的數值模擬結果

從表2 中可以看出：

1）百葉窗阻力系數改變對建筑外窗及百葉窗進風量均有影響。隨著百葉窗阻力系數增加，進風阻力隨之增大，底下三層百葉窗進風量逐漸減少，建筑外窗進風量逐漸增加。

2）當百葉窗阻力系數為0.5 時，四層建筑外窗存在逆流現象，隨著百葉窗阻力系數增加，該層通過百葉窗進入的風量先增加后減少，且逆流現象消失。這是因為該層建筑外窗所在位置旁有一檢修豎井，下層空氣受熱后在浮升力作用下直接通過該豎井進入四層并繼續(xù)向上運動，一部分上升氣流在該區(qū)域上方堆積，形成相對高壓區(qū)，使得該區(qū)域“中和面”位置低于建筑外窗所在位置，導致該層建筑外窗出現逆流現象，隨著百葉窗阻力系數增加，“中和面”位置上移（如圖2 所示），逆流現象消失。

圖2 x=98 m 截面（垂直四層建筑外窗截面）壓力分布等勢圖

綜合上述分析可知：對于同一汽輪機房，選用不同阻力系數的百葉窗，其各層建筑外窗及百葉窗的進風情況各不相同，各層風量比例也會不同，廠房中和面位置也有所不同。

圖3 為各層通風量比例及工作面平均溫度隨百葉窗阻力系數變化情況。

從圖3 中可以看出：

1）隨著百葉窗阻力系數的增加，各層風量分配發(fā)生變化，其中一層與二層通風量逐漸減少，三層及四層通風量逐漸增加。

2）一層與二層工作面平均溫度隨著通風量減少逐漸上升，但仍然低于35 ℃，滿足設計要求。三層工作面平均溫度隨著通風量增加基本保持不變，低于35 ℃，滿足設計要求。分析其原因為：一層工作面平均溫度主要決定因素為該層風量大小，因此其溫度隨著通風量減少由31.91 ℃上升到32.21 ℃。二層及三層工作面平均溫度則主要由其下一層通過檢修豎井、格柵進入該層的被加熱空氣以及通過進風窗進入的室外冷空氣的多少所決定。通過進風窗進入二層風量逐漸減少，且從一層通過格柵進入的空氣溫度較高，導致二層工作面平均溫度由33.08 ℃上升到了33.44 ℃。雖然從二層通過格柵進入三層的空氣溫度有所上升，但由于三層風量逐漸增加，因此該層工作面平均溫度基本保持不變。

圖3 各層通風量比例及工作面平均溫度隨百葉窗阻力系數變化規(guī)律

3）四層工作面平均溫度隨著通風量增加逐漸下降，該層通風量由39.8 kg/s 增加到77.2 kg/s，比例由3.6%上升到7.3%時，溫度從36.38 ℃下降到了35.33 ℃，下降了約1 ℃。

從上述分析可知：各層風量分配對廠房內部工作面平均溫度有較大影響。底層通風量減少雖然會引起底層平均溫度的上升，但仍比設計要求低2.8 ℃，而四層通風量增加使得該層平均溫度有所下降，但仍超過35 ℃的設計要求，因此本文接下來采用將一層百葉窗全部關閉的方法，繼續(xù)降低一層通風量，增加四層通風量，與設計院原始工況（工況2）進行比較。

3.2 一層百葉窗關閉對各層工作面溫度的影響

3.2.1 數值模擬工況介紹

本節(jié)采用關閉一層百葉窗的方法來改變其各層風量大小，討論其通風量變化對室內工作面平均溫度的影響，命名為工況5，與工況2（設計院原始設計工況）進行對比。

3.2.2 結果與分析

表3 為工況2 及工況5 各層通風量比例及工作面

表3 不同工況數值模擬結果

從表3 中可以看出：

1）一層百葉窗關閉對各層通風量均有影響。其中該層通風量由597.3 kg/s 減少到460.3 kg/s，比例由54.1%下降到41.7%。二層、三層及四層通風量分別由256.3 kg/s、183.1 kg/s、67.4 kg/s 增 加 到321.6 kg/s、229.4 kg/s、92.8 kg/s，比例分別由23.2%、16.6%、6.1%上升到29.1%、20.8%、8.4%。

2）一層百葉窗關閉后，各層工作面平均溫度均發(fā)生變化。其中底下三層工作面平均溫度均上升，分別由32 ℃、33.15 ℃、34.37 ℃上升到32.91 ℃、33.49 ℃、34.42 ℃，但均滿足不超過35 ℃設計要求。四層工作面平均溫度由35.74 ℃下降至34.81 ℃，達到了設計院不超過35 ℃的要求，且溫度分布更加均勻。

綜上所述，采用將0 m 層百葉窗關閉的方法來解決該廠房四層工作面平均溫度超標問題是可行的。

4 結論

以上數值模擬分析了采用自然進風、機械排風的四層汽輪機房在不同工況下的各層通風及溫度分布情況，可以得到如下結論：

1）百葉窗阻力系數對各層風量比例有一定影響。在同樣排風量，散熱量分布及開窗面積的情況下，選用不同阻力系數的百葉窗，各層風量比例有所不同，阻力系數較小時，高層進風窗容易出現逆流現象。

2）該四層汽輪機房將一層百葉窗關閉后，各層通風量為460.3 kg/s、321.6 kg/s、229.4 kg/s、92.8 kg/s，比例約為41.7%、29.1%、20.8%、8.4%，此時各層工作面溫度為32.91 ℃、33.49 ℃、34.42 ℃、34.81 ℃，達到了設計要求。

3）在排風量保持一定的前提下，汽輪機房各層風量比例是影響其內部溫度分布的重要因素。底層進風量減少，工作面溫度上升，但仍然滿足設計要求，高層進風量隨之增加，降低了其工作面平均溫度。因此在實際廠房設計中可以適當減少底層進風窗面積，或者對于已經建好的廠房。當底層溫度較低，而高層溫度超標時，可以通過采用減小底層百葉窗開度甚至直接將其關閉的方法，使底層通風量減少，從而增加高層通風量，降低其工作面溫度。