地下水电站廊道引风通风方案的理论计算与数值分析

梁 健，王 蒙

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

0 引言

近年来,我国水力发电行业有了很大的发展,国内在水电站厂房通风方式的研究方面做了很多有成效的研究工作[1]。在水电站的能源消耗过程中，通风系统能耗占比较大。空气流经地下隧洞时在夏天被冷却，在冬天被加热[6]。利用坝体廊道或进场交通洞取风，对厂房的进风经过简单的天然冷却处理，然后送入厂内。这种空气处理方式由于不用机械制冷设备，具有节约初投资，简化运行管理的优点，对于我国目前能源紧张、运行费用较高的现状有显著的节能意义[2]。

本文对东庄水电站采用廊道引风的通风方案进行系统的理论计算与数值分析。对该水电站冬、夏两种工况下不同通风量时坝体廊道内空气的流动换热情况进行分析计算。

1 概况

泾河东庄水利枢纽位于陕西省礼泉县与淳化县交界的泾河下游峡谷段，距峡谷出口约29 km，坝址控制流域面积4.31万km2，占泾河流域面积的95%，工程的开发任务是以防洪减淤为主，兼顾供水、发电和改善生态等，水库总库容32.76 亿m3。

电站主、副厂房、主变室及尾水闸室为地下式厂房，出线场开关站布置于地面上。根据本电站的地理位置及厂房布置情况、地下围护结构热工计算的结果和地下厂房各区域对室内温湿度的要求，提出采用机械排风、自然进风的方案。电站厂房布局情况见图1。

图1 电站厂房布局图

全厂进风道主要是由进风（兼交通）洞进风，分别到达主厂房发电机层端头、主变洞室端头和尾水闸室端头。这是全厂（含母线洞、副厂房）和主变室通风系统的进风通道。全厂排风则是通过主厂房和主变室上部顶拱空间排风系统的风机和与其连接合三为一的排风通道来实现的。通风系统主要气流组织流向见图2、图3。

图2 电站厂房气流组织示意图一

图3 电站厂房气流组织示意图二

2 气象参数

根据电站的地理位置，该地区属于典型的温带季风气候。东庄水利枢纽位于咸阳泾阳县境内，地下式厂房，所需的室外空气计算参数见表1[3]。

表1 室外空气计算参数表

3 廊道通风的理论计算

水电站坝体廊道通风属于地下建筑的通风换热问题。对于地下建筑的通风，冬、夏季引风道末端的温度是影响整个通风系统能耗的重要参数。针对东庄水电站坝体廊道通风换热的实际问题，研究利用交通廊道的温度变化规律，找出了一个便于廊道通风工程实际运用的热计算方程式[4]。

3.1 洞外空气温度波幅值计算

1）洞外空气温度年波幅值θwy按下式计算：

式中：twr为夏季洞外最热月日平均温度，℃；twd为冬季洞外通风计算温度，℃。

2）洞外空气温度年波幅值θwr按下式计算：

式中：twx为夏季洞外通风计算温度，℃。

3.2 计算参数

1）洞体的当量半径r0：

式中：S 为洞体横断面周长，m。

2）年波幅系数Ey：

由年准数ξy，ηy，岩石导热系数λy和通风量G 查文献[4]图4-2 可得。

式中：温度年波动频率wy=2π/T y=0.000717（1/h）；Ty为温度年波动周期，Ty=8760 h；αy为岩体导温系数，m2/h；λy为岩体导热系数，kcal/（m2·h·℃）。

3）温度日波幅系数Er：

根据日准数ξr，ηr，衬砌导热系数λc和通风量G 查文献[4]图4-2 可得。

式中：wr为温度日波幅，wr=2π/Tr=0.262(1/h)；Tr为温度日波动周期，Tr=24 h；αc为衬砌体导温系数；λc为衬砌体导热系数，kcal/（m2·h·℃）。

4）年周期性波动传热计算参数Αy：

5）比欧准则Bi和傅立叶准则F0：

式中：τ 为使用时间，h。

3.3 计算各通风班制时引风道末端空气参数

1）年波幅变化值θyl。空气流经地下通道后的年波幅变化按下式计算：

式中：△θ 为通风班制引起的附加波幅，℃，查文献[4]表4-3 可得。

2）空气流经地下通道后的日波幅变化按下式计算：

式中：f1，f2为通风班制引起的计算系数。

3）年平均温度变化值tyl。空气流经地下通道后的年平均温度变化按下式计算：

式中：tdy为地表面年平均温度，℃；twy为洞外空气年平均温度，℃，twy=1/2（twr+twd）。

4）夏季空气流经地下通道后的日平均温度变化值txl按下式计算：

5）冬季空气流经地下通道后的日平均温度变化值tdl按下式计算：

6）夏季最高温度变化值tx1β·max夏季空气流经地下通道后的最高温度变化按下式计算：

4 计算结果分析

针对东庄水电站的进风廊道，按照夏季和冬季两种工况的不同通风量进行廊道内空气温度理论分析计算。改变廊道送风量计算廊道内空气温度变化情况。廊道为门洞型7 m×7 m 洞室，空气从洞外至地下厂房入口处的距离为1400 m，洞外为砂岩(导热系数λ=1.580 kcal/（m2·h·℃）；导温系数a=0.0035 m2/h)，内加混凝土内衬(导热系数λ=1.330 kcal/（m2·h·℃）；导温系数a=0.00277 m2/h)，夏季最大通风量G=12×104kg/h，分别按照100%G，75%G，50%G 及25%G 进行风量计算，计算结果见表1。

表1 不同送风量廊道内空气温度变化情况 单位：℃

图4 不同送风量廊道内空气温度变化折线图

将上述4 种风量工况整理见图4，可分析得出：夏季工况下廊道入口空气温度较高，而岩体温度较低，此时空气被岩体冷却，冷却效果随着隧洞的长度增加而增加，冷却效果随着风量的减小而增加。在夏季的设计工况风量（100%G）情况下，空气进出口温差为8.8℃；冬季工况下，隧洞对廊道内空气进行加热，加热效果随着隧洞的长度增加而增加，随着风量的减小而增加。冬季在低风量运行情况下（50%G），空气进出口温差为12.19 ℃，加热效果明显。

从图4 可以看出，通风廊道内沿长度方向的空气温度是递减的趋势。廊道初始段对空气的温度调节的作用较明显，之后调节的能力逐渐减弱，在1000 m 处的空气温度与出口1400 m 处温度已很接近。由此看出，从温度调节作用来看，廊道的长度不是越长越好[5]。利用交通廊道进风时，需同时用于运输和进风，可在满足运输要求的前提下，合理确定交通廊道长度，以此降低开挖投资，实现进风温度调节作用最大化。

5 结论

1）根据泾河东庄水电站通风形式及其气流组织，分析廊道壁面与流经空气的不稳定换热过程，针对电站的廊道送风进行进风温度的理论分析计算。这种计算方法，在地下水电站廊道进风温度的确定中经常被采用，对地下水电站这种中、大型的水利工程具有现实意义。

2）东庄水电站廊道进风温度的分析结果表明，地下水电站的进风廊道壁温具有稳定性，通过充分利用土壤的蓄冷蓄热能力，可使地下电站厂房的送风系统为电站厂房提供舒适的工作环境。利用廊道进风的系统简单，节能、降低了投资，有很好的经济效益和社会效益。

3）采用理论分析方法对水电站廊道的通风换热情况进行研究，结果可为下一步建立模型，进行相应的模拟计算提供依据。

4）本文对东庄水电站进风温度的计算是在空气不结露和没有水分蒸发的情况下进行的，未包含传质问题。可以对包含传质的此类问题做进一步研究。