地下水电站通风空调气流组织研究

1 概述

地下水电站是一种较特殊的建筑，这在于地下水电站的结构和普通民用建筑的情况不同，地下电站大多是埋深在一百米以上的地下，而且内部功能情况特殊，安装的各种设备也是普通的民用建筑中所不常见的，这给负荷计算和气流组织的设计计算都带来困难，有的情况下甚至无法用纯理论计算方法解决，因此通风空调情况较复杂。所以，国内每一个地下水电站的通风设计基本上均是以通风空调模型的实验结果为基础在进行深化设计的。根据重庆大学十余个大型水电站的通风模型实验结果和已经运行的水电站的运行情况看，水电站的通风设计还是有规律可行的。

2 实际工程分析

我们分别以北京十三陵水电站和福建周宁水电站为例对比通风空调的情况。

2．1 发电机层的通风空调气流组织

到目前，我国的地下水电站发电机层的通风空调的气流组织一般有两种做法，一种是顶送风，一种是分层空调，即采用侧送风。这两种气流组织形式在以前有一定的争议，通过近十几年的地下水电站的研究情况看，这两种气流组织形式都是可行的，我们分别以上述两个工程为例进行分析。

福建周宁地下水电站的发电机层送风竖向高度为10米，采用双排顶送风，单排送风风口为5个，送风口采用450X450mm的方型喷口，设计送风速度为8米/秒。根据相似模拟，得到如图1所示的发电机层顶部送风口布置图。按照原形的设计条件，我们进行了模型相似实验，得到了相似模型的竖向速度分布和根据相似比例返回到原型的速度分布，如图1所示。

从图2可看出，实际模拟得到的实验结果基本和设计是相符的，设计送风速度为8米/秒，在设计条件下的模型送风风速根据相似理论返回到原形的送风口风速为7.9米/秒。从发电机层的竖向速度分布看，模型速度场符合射流的基本规律，模型射流从喷口达到工作区的末端风速在0.15 m/s左右，根据相似理论计算，返回原型，其风速在0.54 m/s左右；模型射流达到2米以下工作区扩散后，平面各点的速度均匀，模型工作区的风速在0.07~0.1范围内，返回原型，其风速在0.3~0.4 m/s左右，满足地下水电站工作区的风速设计要求。

北京十三陵水电站的发电机层高度为17米，发电机层空调气流组织采用的是侧送风形式，两侧各布置两个风口，对称与厂房纵轴线，模型风口直径87.4mm ，返回到原形的风口直径1.6米，风口间距8米，高度14米，达到设计要求条件下的模型风口风速为3米/秒，返回原形，送风风口风速为9米/秒，工作区风速满足不低于0.5米/秒的要求。这在该电站的运行实测中得到了验证。风口布置见图3所示。

图1 发电机层顶部送风口布置图

图2 福建周宁水电站发电机层竖向速度分布图

2．2 线层的通风空调气流组织

对于出线层的通风形式，通常采用侧送风的形式，由于出现层和母线道是相连的，而出现层的温度要求要高于母线道，且母线道的发热量通常远大于出现层，因此，送风气流形式应是从出现层到母线道，利用出现层的排风作为母线道的进风。

但是，气流组织形式和送风量确定后，关键的问题是气流组织如何进行。在以前的水电站出现层的气流组织问题上，还基本没有一个固定的送风形式，从福建周宁水电站的出线层的研究结果看，出线层的气流组织形式是有规律可行的。我们做了可能出现的五组不同出现层的气流组织模拟对比实验，得到了较好的结果。

图3 北京十三陵水电站的发电机层送风示意

图4 5个风机送风情况下速度分布

五种对比实验是在保证相同送风量和送风温度条件下采用五种不同的送风方式，图4是采用5个风机进行送风，图5是采用4个风机进行送风，图6是采用2个风机进行送风，风机安装在发电机墩切线方向，图7是仍然采用2个风机进行送风，风机安装在两发电机墩之间，五种不同的送风形式图如下，图中所有测点速度均为模型速度。

从五个送风机到三个送风机情况下的速度场的测试结果看，测得的速度场很不均匀，很多点的速度过大或过小，而且，速度的方向很紊乱。

从出线层的速度场分布看，两个风机居中布置或者沿发电机两侧切线方向布置，能够充分利用发电机墩的圆柱型外围形状，使气流沿着发电机外壳形成环行气流。可以称之为“环机墩流”的气流组织形式。从各测点看，速度分布较均匀，仅仅是靠近母线道的一个测点异常，分析是该点处于与母线道的连接处，此处处于出线层排风排入到母线道的通道处，因此，该点速度大小和方向异常是由于排风引起的。

图5 4个风机送风情况下速度分布