海洋平台发电机组通风散热的数值模拟

马仲麟 熊至宜 李 涛 张 维

（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院； 2.过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室；3.长庆油田分公司北京办事处； 4.山东省特种设备检验研究院有限公司）

由于海洋平台所处环境十分恶劣，长期处于日晒且温度较高的环境中，平台面积有限，设备布置紧凑［1］。如果通风散热方式布置不恰当，易出现高温区域面积增大、散热困难的现象，若机房内温度过高会使发电机组高温报警而停机［2］。 因此，需要设计合理的平台通风形式。

国内对于大型设备通风散热系统的研究有很多， 杜亮等采用CFD 技术对风力发电机散热进行了分析，获取了其温度场和流速分布，并对原有散热系统进行改进，降低了机舱温度［3］。 陈明等对风电塔筒底部空间的散热进行研究，通过加装轴流风机进行强制通风换热， 使温度达到了电气部件正常工作的要求［4］。边茜茜对变电站进行了研究， 提出了解决室内通风散热的常用方案［5］。杨风允等对海上平台发电机组散热系统进行数值模拟， 得到其温度场和高温区域分布，针对问题改进通风方案，获得了良好的通风散热效果［6］。顾登峰对地下车库的送风口和排风口进行调整， 发现对通风散热系统也有很大影响［7］。 佟海利等对室内通风散热能力进行了研究， 研究了室内变压器散热能力不良的原因［8］。国外也有针对房间内通风散热系统的研究，Romanova T M 等通过对某电厂汽轮机房内通风情况进行测试，研究了厂房内温度分布的均匀性［9］。Nielsen P V 首次应用软件模拟湍流k-ε 模型研究室内空气流动，为研究湍流奠定基础［10］。Li K 和The S L 采用低雷诺数湍流模型讨论热压作用下的通风问题， 研究通风效果与开窗高度、热源强度的关系［11］。

目前，对于海洋平台发电机组通风散热系统的研究还比较少，对于该系统的气体流场、温度场的研究还不足。 因此，笔者针对海洋平台发电机组机房建立模型，借助数值模拟的方法，对机房内气流和温度的分布进行模拟研究，通过改变送风方式分析两者的变化，以获得较好的通风方案。

1 研究对象和建模

海洋平台发电机组机房内共有4 台发电机组（三用一备），机房内设备布设如图1 所示。 发电机组的散热元件为发动机和电机，发动机单台散热量209kW，电机散热量113kW，排风口通风量118 300kg/h。

图1 机房内设备布设示意图

原通风方案进风口为45°向下送风， 共有4个进风口布置在机组前方屋顶，4 个排风口设置在机组后方屋顶。 在原方案的基础上， 提出了3个改进方案：方案一为上部多风口送风，在每台发电机组上方安装两个风道， 在每个风道上开5个风口，向下送风；方案二为上部送风，4 个风口安装在机组正上方屋顶，每个风口由两个风道送风，送风口向内45°，给发电机组连接处送风；方案三为底部正向送风，共设5 个风道，安装在机组前方靠近墙体的屋顶上，将风道向下延长至与机组高度相同位置，平吹送风。3 个改进方案只调整风道，不改变通风量。

2 模拟计算的设定

通过文献研究对比， 笔者选用SST k-ω 湍流模型， 既可以应用在低雷诺数的湍流模型， 又可以应用在远离壁面的地方即边界层以外的区域，这在涉及逆压梯度的流动分离问题中具有明显优势，有更高的精度和可信度［12，13］。

根据热力设备的表面积和表面传热系数，通过传热学中关于对流散热量的计算方法进行求解得到温差。 进风口空气温度为外界环境温度，排风口设置为压力出口，与大气压连接；热源表面和墙壁设为无滑移壁面定温边界条件。

3 模拟结果分析

3.1 气流分布

图2 为机房纵切面气体流场分布云图。 由图2 可看出：原方案中电机周围气体流速很小，在机组前方和后方也有一大片区域流速很小，这表明机房内气体流通性很差，气流分布不均匀，不能很好地将热量带出机房；方案一中靠近墙壁和地面附近的气体流速分布不均匀，气流可能会在这些区域停滞，气体流通性较差；方案二中机组周围的气流速度较大，但是在机组后方气流速度较小， 导致高温气体堆积在机组后方无法排出；方案三中机组周围气流分布较均匀，表示气体流通性较好，湍流分布均匀，利于高温气体排出。

图2 机房纵切面气体流场分布云图

对比以上气流分布云图，可以看出，方案三的气体流场分布均匀、流通性较好，可以形成适宜的工作温度环境。

3.2 温度分布

图3 为机房纵切面温度分布云图。 由图3 可看出：原方案中，机房内整体温度较高，尤其在发电机组两侧和后方的高温面积较为集中，降温效果差； 方案一中发电机组两侧的高温面积减小，且整体降温效果有所改善，但在靠近墙壁和地面的区域温度较高；方案二中虽然发电机组两侧的温度明显降低，但在发电机组前方有大面积高温区域；方案三中发电机组前方的温度基本与外界环境温度相同，高温区域面积较小且集中在发电机组两侧，机房内整体温度明显降低，降温效果有明显改善。

图3 机房纵切面温度分布云图

另外，平均温度可以直观地看出机房内通风散热的效果。 4 种送风方式下机房内的平均温度见表1。

表1 不同送风方案机房内平均温度 K

由表1 可知，原方案平均温度最高，方案一和方案二平均温度次之， 方案三平均温度最低，即方案三的降温效果显著。

3.3 高温区域面积对比

图4 4 种方案的机房高温区域面积对比

图4 所示的是4 种送风方式的高温区域面积。 由图4 可看出：原方案的高温区域面积较大，大部分高温区域分布在机房边缘、顶部和地面周围，主要原因是该送风方式没有在机房内形成很好的空气流动， 无法有效地将高温气体排出；方案一在发电机组周围降温效果明显，但在靠近墙体和地面附近仍然存在小范围的高温区域，主要原因是上部送风形成的湍流大多分布在发电机组顶部，墙体和地面附近气体流速很小导致高温区域存在；方案二有效降低了发电机组两侧的温度， 但在发电机组后方仍有大面积的高温区域，致使机房内平均温度过高，主要原因是整个房间的湍流程度不够，在发电机组后方气流形成“窝风”现象，高温气流无法排出机房；方案三在机房内形成了很充分的湍流分布， 气体流通性较好，使大多高温气体排出，致使机房内平均温度最低且高温区域面积最小。

4 结束语

原方案由于没有形成良好的气体流通性，在发电机组附近空气流速较慢，导致热量无法排出机房，平均温度较高，室内高温区域面积最大，通风散热效果最差。 笔者提出的改进方案一、二的气体流通性不佳，湍流分布不均匀，而方案三在机房内形成了很充分的湍流分布，气体流通性较好，可促使机房内的高温气体排出，平均温度最低，室内高温区域面积最小，通风散热效果最好且实施成本较低，故为最佳通风方案。