左濤，張新太

（樂山一拉得電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，四川 樂山 614000）

0 引言

預(yù)制艙式智能變電站是實(shí)現(xiàn)新一代智能變電站“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、裝配式建設(shè)”的核心載體[1-4]，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是使用預(yù)制艙體，而凝露對(duì)預(yù)制艙體內(nèi)電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響很大，因此防凝露是預(yù)制艙式智能變電站設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的重點(diǎn)。目前預(yù)制艙體圍護(hù)結(jié)構(gòu)有金屬與非金屬兩種材質(zhì)形式，金屬圍護(hù)結(jié)構(gòu)的預(yù)制艙體雖然具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、對(duì)電磁的屏蔽性好等特點(diǎn)，但是金屬艙體耐腐蝕性差、低溫易脆斷、高溫傳熱快、保溫隔熱性能較差[5]，防凝露的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)較為復(fù)雜，阻礙了預(yù)制艙式智能變電站的推廣和應(yīng)用。以高性能纖維復(fù)合材料為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的非金屬預(yù)制艙體，則克服了金屬艙體的缺陷和不足，在艙體防凝露性能方面具有先天優(yōu)勢(shì)。目前關(guān)于智能變電站預(yù)制艙防凝露性能，普遍研究了金屬圍護(hù)結(jié)構(gòu)的預(yù)制艙體[6-9]，尚未見以高性能纖維（尤其是玄武巖纖維）復(fù)合預(yù)制件為艙體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的非金屬預(yù)制艙防凝露性能研究的文獻(xiàn)；因此，開展對(duì)高性能纖維非金屬預(yù)制艙體防凝露技術(shù)的研究，對(duì)推動(dòng)預(yù)制艙式智能變電站的發(fā)展與應(yīng)用具有重大意義。

本文以四川省樂山市某110 kV變電站高性能纖維預(yù)制艙為模型，并以該市的室外氣象參數(shù)為依據(jù)，采用工程熱力學(xué)原理，驗(yàn)算了一種基于玄武巖纖維復(fù)合材料的智能變電站高性能纖維預(yù)制艙的防凝露性能，研究了計(jì)及太陽輻射下的預(yù)制艙熱工參數(shù)以及艙內(nèi)冷熱負(fù)荷，并據(jù)此計(jì)算了控制艙內(nèi)溫控設(shè)備換熱制冷需求量和控制艙內(nèi)除濕設(shè)備除濕需求量，提出了防凝露發(fā)生的預(yù)制艙內(nèi)溫濕度控制設(shè)計(jì)方案。本文的研究方法可以用于新型預(yù)制艙結(jié)構(gòu)研發(fā)的工程熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算，其研究成果可以作為高性能纖維預(yù)制艙工程化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)和工廠化生產(chǎn)的工藝要求。

1 預(yù)制艙內(nèi)凝露的成因及危害

凝露產(chǎn)生的機(jī)理是預(yù)制艙內(nèi)溫度低于露點(diǎn)溫度或者艙內(nèi)絕對(duì)濕度大，空氣里未飽和的水蒸氣變成飽和汽，空氣無法容納過多的水蒸氣，此時(shí)水蒸氣就會(huì)液化凝結(jié)析出，從而形成凝露現(xiàn)象，凝露會(huì)產(chǎn)生液態(tài)水，如圖1所示。

圖1 預(yù)制艙內(nèi)因凝露產(chǎn)生的水珠

液態(tài)水會(huì)與電氣設(shè)備內(nèi)部元器件表面的塵埃相結(jié)合形成導(dǎo)電通道，破壞電氣器件的絕緣性能，造成電氣設(shè)備爬電、閃絡(luò)、短路和跳閘等事故；同時(shí)，艙內(nèi)電氣設(shè)備若在這種環(huán)境中長期運(yùn)行，設(shè)備內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)件會(huì)逐漸銹蝕而降低其機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，艙內(nèi)的排線也會(huì)發(fā)生腐蝕、老化、霉變等，會(huì)對(duì)智能變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行造成重大影響。

根據(jù)凝露形成機(jī)理，需要對(duì)造成預(yù)制艙內(nèi)溫度低于露點(diǎn)溫度或者艙內(nèi)絕對(duì)濕度大的原因進(jìn)行分析，從而找到破壞凝露產(chǎn)生條件的辦法，防止預(yù)制艙內(nèi)產(chǎn)生凝露。艙內(nèi)溫度低于露點(diǎn)溫度的主要原因?yàn)榕擉w結(jié)構(gòu)上有冷橋缺陷，艙體保溫性能不好或者艙內(nèi)溫度控制系統(tǒng)溫控能力不夠。艙內(nèi)濕度大的主要原因是艙體密封性能不好，有濕氣進(jìn)入或者艙內(nèi)濕度控制系統(tǒng)除濕能力不夠[10]。

2 預(yù)制艙體熱工性能與防凝露驗(yàn)算

2.1 預(yù)制艙用玄武巖纖維復(fù)合預(yù)制件

預(yù)制艙整體結(jié)構(gòu)分為艙體、艙頂和艙底三部分。艙體和艙頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用玄武巖纖維復(fù)合預(yù)制件，通過干式工法拼裝而成。該預(yù)制件是一種將玄武巖纖維絲（網(wǎng)、布）、高分子保溫材料（巖棉或聚苯乙烯泡沫等）、快硬硫鋁酸鹽水泥、水、砂、化合物等多種材料按特定比例，經(jīng)攪拌高壓噴射澆筑在用槽鋼、鋼筋制作成型的模具內(nèi)，經(jīng)24 h靜置形成的高性能纖維復(fù)合材料。該預(yù)制件具有抗沖擊能力強(qiáng)、防腐能力強(qiáng)、防輻射性強(qiáng)，隔熱性能好、抗凍性能好、隔音性能好，燃燒性能等級(jí)高，耐火性能長、耐候性能好等物理性能[11-12]。其層理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 預(yù)制艙用玄武巖纖維復(fù)合預(yù)制件層理結(jié)構(gòu)

根據(jù)表1所列的復(fù)合預(yù)制件各層材料傳熱系數(shù)λn和熱阻R數(shù)值，可以計(jì)算出預(yù)制艙用玄武巖纖維復(fù)合預(yù)制件的實(shí)際熱阻R0和綜合傳熱系數(shù)λ。

表1 預(yù)制艙用玄武巖纖維復(fù)合預(yù)制件各層厚度及導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻數(shù)值[11]

2?1?1 復(fù)合預(yù)制件實(shí)際熱阻的計(jì)算

艙體的實(shí)際熱阻R0可按式（1）計(jì)算：

式中：Ri—艙體內(nèi)表面感熱阻，(㎡·k)/W，取0.11(㎡·k)/W；

Re—艙體外表面散熱阻，(㎡·k)/W，取0.04(㎡·k)/W。

代入各層材料熱阻數(shù)值，可計(jì)算得艙體的實(shí)際熱阻為

2?1?2 復(fù)合預(yù)制件綜合傳熱系數(shù)的計(jì)算

復(fù)合預(yù)制件綜合傳熱系數(shù)與各層材料厚度h，材料傳熱系數(shù)λn有關(guān)，根據(jù)工程熱力學(xué)原理，可按式（3）計(jì)算[14]：

式中：h1，…，hn及λ1，…，λn—復(fù)合預(yù)制件從外至內(nèi)各層厚度及導(dǎo)熱系數(shù)；

h—總壁厚。

計(jì)算可得預(yù)制艙體、艙頂?shù)木C合傳熱系數(shù)λ艙體和λ艙頂。

綜合傳熱系數(shù)λ艙體=λ艙頂=

2.2 驗(yàn)算艙內(nèi)表面是否會(huì)出現(xiàn)冷凝水

根據(jù)文獻(xiàn)[3]對(duì)預(yù)制艙溫濕度指標(biāo)的要求，預(yù)制艙適用的外部環(huán)境極端溫度為-50℃～+55℃，艙體內(nèi)部環(huán)境控制目標(biāo)溫度為+18℃～+25℃，相對(duì)濕度不大于75%，任何情況下無凝露，因此，按照艙內(nèi)溫度為+18℃，相對(duì)濕度為75%時(shí)，驗(yàn)算艙內(nèi)表面是否會(huì)出現(xiàn)冷凝水。

（1）計(jì)算艙體內(nèi)表面溫度θi。

式中：ti—艙內(nèi)計(jì)算溫度，按照預(yù)制艙溫度控制范圍最小值取+18℃；

tе—艙外計(jì)算溫度，根據(jù)樂山極端最低溫度，取-2?9℃[14]；

n—溫差修正系數(shù)，取1。經(jīng)計(jì)算

（2）確定艙內(nèi)空氣中水蒸氣最大分壓力。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)不同溫度下的艙內(nèi)空氣中水蒸氣最大分壓力值可查供暖通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)。當(dāng)ti=18℃時(shí)，查得艙內(nèi)空氣中水蒸氣最大分壓力（水的飽和汽壓）Pi·max=2 064?09（Pa）。

（3）計(jì)算室內(nèi)空氣中平均相對(duì)濕度?i=75%的分壓力Pi。

（4）計(jì)算露點(diǎn)溫度θa。當(dāng)Pi=1 548?1（Pa）時(shí)，查得θa≈13?5（℃）。由于內(nèi)表面溫度17?08℃大于露點(diǎn)溫度13?5℃，說明艙體內(nèi)表面在溫度最低且相對(duì)濕度最大的情況下，不會(huì)出現(xiàn)凝露和冷凝水。

（5）考慮冷橋情況下，外艙體轉(zhuǎn)角處內(nèi)表面是否會(huì)出現(xiàn)冷凝水。由于冬季冷橋現(xiàn)象易出現(xiàn)在外艙體轉(zhuǎn)角處，因此需要對(duì)外艙體轉(zhuǎn)角處的內(nèi)表面溫度θ′i進(jìn)行校驗(yàn)，判斷是否會(huì)出現(xiàn)“冷橋”現(xiàn)象。

式中：ξ—熱阻比例系數(shù)。

由于外艙體轉(zhuǎn)角處的內(nèi)表面溫度16?4℃大于露點(diǎn)溫度13?5℃，所以外艙體轉(zhuǎn)角處內(nèi)表面也不會(huì)出現(xiàn)冷凝水。

從以上的驗(yàn)算可以看出，只要確保艙內(nèi)溫度不低于+18℃，即便在艙外溫度最極端（-2?9℃），以及相對(duì)濕度最大（75%）時(shí)，艙體內(nèi)都不會(huì)產(chǎn)生凝露；因此，防止預(yù)制艙內(nèi)產(chǎn)生凝露的核心就是做好溫度和濕度控制，即嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[3]的要求，確保艙內(nèi)溫度不低于+18℃；同時(shí)減少艙內(nèi)濕度，確保相對(duì)濕度≤75%。

3 計(jì)及太陽輻射熱的熱環(huán)境及溫控

要有效控制艙內(nèi)溫度，需要了解在樂山當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件下，基于玄武巖纖維復(fù)合材料的高性能纖維預(yù)制艙內(nèi)冷熱負(fù)荷情況，并基于此配置合理的溫控設(shè)備。

3.1 預(yù)制艙底綜合傳熱系數(shù)

預(yù)制艙底采用0?002 m厚度的鋼板，中間為0?2 m高度的鋼支架和空氣夾層，其上鋪設(shè)30 mm厚度的陶瓷防靜電地板，具體參數(shù)如表2所示。

表2 預(yù)制艙底各層壁厚及傳熱系數(shù)

按式(3)，計(jì)算可得預(yù)制艙底綜合傳熱系數(shù)λ艙底。

3.2 計(jì)及太陽輻射熱的預(yù)制艙熱工研究

預(yù)制艙體在進(jìn)行實(shí)際的傳熱過程中，不僅存在兩側(cè)空氣溫差引起的熱損失Qte-ti，還存在由太陽輻射的熱損失Qsol和天空輻射的熱損失-Qs。預(yù)制艙結(jié)構(gòu)的凈熱損失Qnet為這三部分的代數(shù)和，即Qnet=Qte-ti+Qsol+(-Qs)。此時(shí)，用有效傳熱系數(shù)來表征其傳熱過程強(qiáng)烈程度，記為Keft=Qnet/(te-ti)。由于Qsol和Qs不易直接獲得，可通過計(jì)算太陽輻射和天空輻射修正系數(shù)εR，然后用εR乘以常規(guī)方法計(jì)算出的傳熱系數(shù)λ后獲得，即Keft=εR·λR[15-16]。

根據(jù)傳熱學(xué)原理，有效傳熱系數(shù)定義為

式中：λ—傳熱系數(shù)W/(㎡·k)；

ti—室內(nèi)干球溫度，℃；

t?—室外干球溫度，℃；

ts?eq—天空輻射當(dāng)量溫度，℃；

tsol?eq—太陽輻射當(dāng)量溫度，℃。

由Keft=εR·λ，得：

式中：ρ—外表面的太陽輻射吸收系數(shù)；

IH—水平面上的太陽輻射照度，W/㎡；

ɑe—外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(㎡·k)。

天空輻射當(dāng)量溫度ts?eq的計(jì)算方法如下：

式中：ɑer—輻射換熱系數(shù)，W/(㎡·k)；

ts—當(dāng)量天空溫度，℃；

CH—低云量修正系數(shù)；

H—低云量晝夜平均值；

CM—中云量修正系數(shù)；

M—中云量晝夜平均值。

提問貫穿整個(gè)教學(xué)過程，能夠引導(dǎo)學(xué)生的思維由較低層次向較高層次發(fā)展，促成學(xué)生邏輯性、批判性和創(chuàng)造性等高級(jí)思維能力的形成。根據(jù)提問內(nèi)容以及認(rèn)知層次,布魯姆(1956)將問題分為知識(shí)類、理解類、運(yùn)用類、分析類、綜合類及評(píng)價(jià)類。該文主要根據(jù)布魯姆的問題分類對(duì)教師的提問進(jìn)行分析。這六類問題涉及六個(gè)層次的認(rèn)知能力，思維能力層層深入。

輻射換熱系數(shù)為

根據(jù)以上公式和預(yù)制艙內(nèi)最高環(huán)境控制溫度，結(jié)合四川省樂山市夏季極端最高溫度數(shù)據(jù)（+36?8℃），可以計(jì)算出天空輻射修正系數(shù)εR和預(yù)制艙的有效傳熱系數(shù)。

室內(nèi)干球溫度ti=25（℃），室外干球溫度t?=36?8（℃），通過試驗(yàn)測(cè)得的玄武巖纖維復(fù)合預(yù)制件的太陽輻射吸收系數(shù)ρ=0?71，水平面上的太陽輻射照度IH=1100（W/㎡），預(yù)制艙外表面對(duì)流換熱系數(shù)ɑe=19[W/(㎡·k)]，半球發(fā)射率ε=0?81，低云量修正系數(shù)CH=0?68，低云量晝夜平均值H=0?13，中云量修正系數(shù)CM=0?47，中云量晝夜平均值M=0?27[17]。通過計(jì)算，天空輻射修正系數(shù)εR=4?322。

由于預(yù)制艙頂與預(yù)制艙體的材質(zhì)一樣，故艙頂?shù)挠行鳠嵯禂?shù)等于艙體的有效傳熱系數(shù)，即Keft=εR·λ。預(yù)制艙底下方為混凝土基礎(chǔ)電纜溝，空氣對(duì)流速度較低，不論冬季還是夏季，艙底都無太陽輻照，因此艙底有效傳熱系數(shù)Keft即為綜合傳熱系數(shù)λ，預(yù)制艙有效傳熱系數(shù)見表3。

表3 預(yù)制艙有效傳熱系數(shù)w（/m2·k）

3.3 預(yù)制艙冷熱負(fù)荷研究

預(yù)制艙要防凝露，控制艙內(nèi)環(huán)境溫度是關(guān)鍵，而要精準(zhǔn)控制艙內(nèi)環(huán)境溫度，必須準(zhǔn)確掌握艙內(nèi)冷熱負(fù)荷情況。

以該110 kV變電站工程為例，預(yù)制艙外形尺寸長L=26?4 m，高H=3?4 m，寬D=5?0 m，37面二次設(shè)備機(jī)柜呈雙列布置。按照預(yù)制艙內(nèi)環(huán)境溫度控制要求，結(jié)合樂山市環(huán)境極端溫度，當(dāng)預(yù)制艙外環(huán)境溫度為極端最高溫度+36?8℃時(shí)，艙內(nèi)最高環(huán)境溫度應(yīng)不超過+25℃，溫差△T=11?8（℃）；當(dāng)預(yù)制艙外環(huán)境溫度為極端最低溫度-2?9℃時(shí)，艙內(nèi)最低環(huán)境溫度應(yīng)不低于+18℃，溫差△T=20?9（℃）。

預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備運(yùn)行發(fā)熱、空調(diào)、加熱器補(bǔ)償熱功率和外部環(huán)境溫度通過預(yù)制艙圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲入，太陽輻射熱是主要熱源，在計(jì)算預(yù)制艙滲入熱時(shí)，通過艙體、艙頂和艙底的滲入熱和滲出熱應(yīng)為各部分有效換熱表面積，即應(yīng)扣除圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁厚。

預(yù)制艙各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲入（出）熱按式（19）計(jì)算：

Keft—預(yù)制艙有效傳熱系數(shù)，W/(㎡·k)

S—圍護(hù)結(jié)構(gòu)有效傳熱面積，㎡

△T—溫差，℃。

表4為該預(yù)制艙體、艙頂和艙底扣除圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁厚后的有效傳熱面積和依式（19）計(jì)算的極端最高溫度滲入熱QSG和極端最低溫度運(yùn)行時(shí)的滲出熱QSD。

表4 預(yù)制艙有效傳熱面積及極端溫度運(yùn)行滲入(出)熱

極端最高溫度時(shí)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲入的熱量總和QSGZ=1 170?71（W）；極端最低溫度時(shí)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲出的熱量總和QSDZ=2 073?54（W）。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]，該工程項(xiàng)目預(yù)制艙內(nèi)二次屏柜共37面，每面散熱功率按200 W/面計(jì)算；后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3套，每套散熱功率按900 W/套計(jì)算，可得預(yù)制艙設(shè)備運(yùn)行散熱量Qe＝200×37+900×3=10 100（W）。

綜上可得，極端最高溫度時(shí)預(yù)制艙內(nèi)總發(fā)熱負(fù)荷QF=QSGZ+Qe=11 270?71（W）；極端最低溫度時(shí)預(yù)制艙內(nèi)總散熱負(fù)荷QS=QSDZ+Qe=12 173?54（W）。

3.4 預(yù)制艙溫度控制設(shè)計(jì)方案

預(yù)制艙采用空調(diào)、加熱器進(jìn)行艙內(nèi)溫度調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，空調(diào)制熱量應(yīng)大于12 173?54 W，制冷量應(yīng)大于11 270?71 W，考慮設(shè)計(jì)冗余后，選用3臺(tái)（兩主一備）制熱功率為7 550 W、制冷功率為7 510 W，循環(huán)風(fēng)量為1 400 m3/h，溫度調(diào)節(jié)范圍為+15oC～+30℃的分體落地式工業(yè)空調(diào)即可滿足艙體的溫度調(diào)節(jié)要求；同時(shí)，為了保證極端低溫下空調(diào)啟動(dòng)和溫度保持，可以在艙內(nèi)配置1臺(tái)加熱功率為1 200 W強(qiáng)制風(fēng)冷加熱器。

4 預(yù)制艙濕度控制設(shè)計(jì)方案

4.1 增強(qiáng)艙體密封性能

重點(diǎn)考慮底框縫隙、艙體縫隙、艙頂縫隙、艙體電纜進(jìn)出線、艙門的密封措施，尤其是對(duì)于因艙體過大需分段運(yùn)輸至變電站建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)再行拼縫的艙體，應(yīng)在拼縫處預(yù)埋鋼板，雙面焊接，焊縫長度25～30 mm，間距150 mm，拼縫處填充發(fā)泡劑并按1:2比例填充水泥砂漿灰，表面再刮水泥灰粘貼丙綸網(wǎng)格布，對(duì)于艙頂拼縫的密封還要整體熱鋪防水卷材，卷材上做噴石保護(hù)層。

此外，采取艙體電纜進(jìn)出線位置加裝硅橡膠，通風(fēng)孔加裝防水罩，凡能開啟的門板加裝三元乙丙材料制作的密封條等措施，增強(qiáng)預(yù)制艙的密封性能，避免潮氣進(jìn)入艙體出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。

4.2 合理配置艙內(nèi)濕度控制設(shè)備

除濕機(jī)根據(jù)預(yù)制艙空間大小及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境配置，相對(duì)濕度為60%～80%時(shí)，按50㎡配置1臺(tái)除濕機(jī)計(jì)算。本工程預(yù)制艙面積為121?3㎡，除濕機(jī)數(shù)量n=121?3/50=2?426（臺(tái)），故在艙內(nèi)配置3臺(tái)除濕量為20 L/D（30℃80%RH），單臺(tái)除濕面積約為50～70 m2的除濕機(jī)可滿足濕度控制要求。

5 結(jié)語

以應(yīng)用于四川省樂山市某110 kV智能變電站的基于玄武巖纖維復(fù)合材料的高性能纖維預(yù)制艙為研究對(duì)象，針對(duì)如何控制智能變電站高性能纖維預(yù)制艙的艙內(nèi)溫度和濕度，以防止產(chǎn)生凝露問題，提出了科學(xué)的艙內(nèi)溫濕度控制設(shè)備的配置方案。通過采用工程熱力學(xué)原理，計(jì)算了預(yù)制艙體熱工性能，對(duì)艙內(nèi)是否會(huì)出現(xiàn)冷凝水進(jìn)行了創(chuàng)新性的驗(yàn)算，研究了計(jì)及太陽輻射下的預(yù)制艙熱工參數(shù)以及艙內(nèi)冷熱負(fù)荷，計(jì)算了控制艙內(nèi)溫控設(shè)備換熱制冷需求量和控制艙內(nèi)除濕設(shè)備除濕需求量，據(jù)此做出的溫濕度控制設(shè)備配置方案設(shè)計(jì)，可以有效將艙內(nèi)溫濕度指標(biāo)控制在規(guī)范要求的參數(shù)范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)制艙內(nèi)任何情況下無凝露發(fā)生。