何娜萍，肖國鋒，林雪，張宇峰

（1.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東廣州 510663；2.華南理工大學建筑學院，廣東廣州 510641）

0 引言

特高壓柔性直流閥廳，由于采用特殊的特高壓柔性直流輸電換流閥，對空氣凈距有特殊要求，其建筑面積、建筑高度遠超以往工程［1］，同時，閥廳內(nèi)設備發(fā)熱量巨大，需設置通風或空調(diào)系統(tǒng)進行降溫，使閥廳溫度控制在一定的范圍內(nèi)，保證閥廳內(nèi)電氣設備穩(wěn)定安全運行［2-3］。

特高壓柔直閥廳一般設置全空氣集中空調(diào)系統(tǒng)。受閥廳內(nèi)部結構的影響，閥廳內(nèi)空調(diào)氣流組織一般有三種型式［4］：（1）上送風方式，送風口常安裝在大廳的頂棚上，回風口設在周邊側墻或頂棚上；（2）下送風方式，送風口安裝在地面上，回風口設在頂棚或側墻上部；（3）側送風方式，送風口安裝在大廳周邊側墻，回風口布置在送風口同側下方［5-6］。其中，側送風方式是高大空間采用最廣泛的一種送風形式，送風口通常為球形噴口，噴口送風角度不同，會顯著影響室內(nèi)流場分布，可通過調(diào)整噴口送風角度來改善室內(nèi)熱環(huán)境［7-8］。

對于特高壓柔直閥廳這種高大空間，非等溫的室內(nèi)氣流受到浮升力和高大空間的雙重作用，使得室內(nèi)流場十分復雜，難以采用常規(guī)的實驗測量手段對閥廳內(nèi)氣流組織或熱環(huán)境進行評價。目前建筑領域采用的氣流組織設計方法主要有四種：射流公式法、區(qū)域化模型法、模型實驗法和計算流體力學法（Computational Fluid Dynamics，CFD）［9］。從預測成本、周期、模擬的準確性及復現(xiàn)性等方面綜合考慮，目前最為理想的閥廳內(nèi)氣流組織設計方法是CFD法。

本文以國家西電東送重點工程烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端柔性直流示范工程中的龍門換流站特高壓柔性直流極1 高端閥廳為研究對象（后文中由“閥廳”一詞指代），采用Ansys Fluent 19.2軟件對球形噴口側送方式下的閥廳進行模擬仿真，通過分析其溫度場、風速場、壓力場存在的問題，考慮從送風角度進行改善，最后得到最有效的噴口送風角度。

1 模型建立

1.1 閥廳概況

龍門換流站主體部分共有4 個閥廳：極1 高端閥廳、極1 低端閥廳、極2 高端閥廳、極2 低端閥廳。本次研究的是極1 高端閥廳。閥廳內(nèi)放置有換流閥、電抗器、避雷器、接地開關、電流測量裝置、電壓測量裝置等諸多設備，其中換流閥是直流輸配工程的核心部件之一，其正常運行對整個輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定至關重要。閥廳內(nèi)的主要發(fā)熱設備即為換流閥。換流閥運行過程中會通過輻射及對流傳熱的方式向閥廳散發(fā)很大的熱量，為保證換流閥體的安全運行，閥廳內(nèi)溫度按夏季不超過45 ℃，冬季不能低于10 ℃設計，相對濕度全年控制在10%～60%。

閥廳尺寸為90.5 m×87.25 m×43.3 m（長×寬×高）。閥廳內(nèi)主要發(fā)熱設備換流閥布置在閥廳中央，單個閥廳換流閥由6 個橋臂組成，每個橋臂由兩個閥塔串聯(lián)組成，共12個閥塔，單個閥塔長11.26 m，寬6.85 m，高15.35 m（其中絕緣子高度8.73 m，起支撐閥體的承重作用，不考慮發(fā)熱；閥組本體高度6.62 m，考慮發(fā)熱）。換流閥的總發(fā)熱量為800 kW。閥塔外形圖如圖1所示。

圖1 閥塔外形圖Fig.1 Valve tower outline drawing

送風管貼著閥廳網(wǎng)架下布置，通過雙側球形噴口側送風，回風管布置在靠閥廳靠空調(diào)機房側墻下部。具體送風布置圖如圖2所示。

圖2 閥廳側送方案Fig.2 Valve hall side air supply mode plan

1.2 物理模型

采用AutoCAD 及SpaceClaim 合作建模，在保留閥廳與空調(diào)送風系統(tǒng)布置方案的幾何特征與物理性能的前提下，對閥廳作部分簡化。將換流閥閥組本體（發(fā)熱）簡化為長方體；考慮到絕緣子（不發(fā)熱）及閥塔懸掛附件尺寸較小，對氣流組織影響很小，將該部分忽略；最終換流閥模型僅保留閥組主體部位。球形噴口簡化為圓柱體，水平送風，回風口為長方體，風口規(guī)格數(shù)量如表1 所示。簡化之后的閥廳模型如圖3所示。

圖3 閥廳模型圖Fig.3 Valve hall model diagram

表1 風口規(guī)格數(shù)量Tab.1 Number of air outlet specifications

1.3 數(shù)學模型

1.3.1 模型假設為開展數(shù)值計算，對模擬的物理現(xiàn)象作如下假設：

1）閥廳內(nèi)空氣低速流動，視為不可壓流體，符合Boussinesq 基本假設，忽略空氣的壓縮性帶來的密度變化。

2）忽略由空氣粘滯力做功引起的耗散熱對溫度的影響。

3）空氣流動視為穩(wěn)態(tài)湍流。

4）視閥廳內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)，忽略建筑墻壁及閥廳內(nèi)物體對其的輻射換熱。

5）不考慮門的影響。

6）忽略漏風影響，認為房間氣密性良好。

1.3.2 湍流模型選取

CFD 數(shù)值模擬過程中，湍流模型的選擇和設置決定了迭代算法，對仿真結果的精度和速度起著至關重要的作用。由于機械送回風口和內(nèi)部熱源的存在，閥廳內(nèi)空氣常為強制對流和自然對流相結合的混合流動，流場多處于湍流區(qū)。室內(nèi)環(huán)境研究常用湍流模型有：Standardk-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型等。各模型特點及適用范圍如表2所示。

表2 高大空間常用湍流模型Tab.2 Commonly used turbulence models in tall spaces

在本次模擬中，考慮近壁面流動，由于Standardk-ε不適用于近壁區(qū)流動情況，所以考慮上表后兩種模型。參考相關文獻顯示Realizablek-ε更適用于包含有射流的自由流動，且文獻［14-15］通過統(tǒng)計比較得出在受限空間氣體擴散仿真模擬中，Realizablek-ε模型的模擬效果更優(yōu)異，因此采用Realizablek-ε湍流模型，近壁面處理采用標準壁面函數(shù)。使用SIMPLE 算法來解決壓力與速度耦合的問題，離散方式Gradient 采用Least Squares Cell Based，Pressure 采用Standard，其余各項采用Second Order Upwind。

1.4 邊界條件與網(wǎng)格劃分

1.4.1 邊界條件設置

本研究主要對穩(wěn)態(tài)條件下流體流動過程進行研究，涉及到的主要邊界條件如下：

1）固體邊界

閥廳內(nèi)由于電氣設備發(fā)熱量遠大于圍護結構得熱量，暫不考慮圍護結構與外界的傳熱，將圍護結構設定為絕熱邊界。

2）送風口

采用速度邊界（速度入口，velocity inlet）。按照送風量和送風口的斷面面積，計算送風速度，依據(jù)負荷計算送風溫度，具體送風工況如表3所示。

表3 球形噴口送風工況Tab.3 Spherical nozzle air supply conditions

3）回風口

采用壓力邊界（壓力出口，Pressure outlet）。根據(jù)室外大氣壓設定壓力值。

4）內(nèi)熱源

僅關注閥體表面的溫度，不關注閥體內(nèi)部的溫度分布，采用第二類邊界條件。本研究中依據(jù)閥體總發(fā)熱量和閥體表面積設定閥體表面熱流密度為81.083W/m2。

1.4.2 網(wǎng)格劃分

采用Workbench Meshing 劃分網(wǎng)格。本研究中物理模型較為復雜，特別是送風口為圓柱形且尺寸小，使用非結構化網(wǎng)格，在送回風口處對網(wǎng)格進行加密。

2 模擬結果分析

由于閥廳空間較大，并且閥廳內(nèi)的換流閥布置較為對稱，本研究選取比較有代表性的截面作為分析對象。主要截面如圖4 所示。溫度場、速度場和壓力場情況見下文。

圖4 截面位置分布圖Fig.4 The cross-section location distribution map

2.1 溫度場

球形噴口水平送風情況下，發(fā)熱閥體表面溫度分布情況如圖5所示。

圖5 閥體表面溫度分布云圖Fig.5 Contour map of valve body surface temperature distribution

閥體表面最高溫度為62.93 ℃，最低溫度為43.55 ℃，平均溫度52.91 ℃，局部高溫出現(xiàn)在兩排閥體中部表面以及每列閥體相鄰的表面，這些地方由于空間狹窄無法和低溫空氣進行充分的對流傳熱。Y軸后排閥體表面溫度整體較前方閥體溫度更高，這是由于前方風口數(shù)量更多，送風量較大。Y軸前排6 個閥體中，左側兩閥體表面溫度較高，右側四閥體表面溫度較低，而后排左側兩閥體表面溫度較低，右側四閥體表面溫度較高，說明閥廳送風氣流分布不均勻。且X軸中部閥體表面溫度較兩側閥體溫度更高，考慮是因為閥廳長度較長、兩側球形噴口射程不夠所導致。

閥廳內(nèi)平均空氣溫度為30.30 ℃，空氣溫度分布情況如圖6和圖7所示。

圖7 Y=52 m截面溫度分布圖Fig.7 Section temperature distribution diagram when Y=52 m

觀察以上溫度分布云圖可以看出閥廳內(nèi)空氣溫度范圍為28～32 ℃，貼近閥體周圍的空氣溫度較高，送風口處溫度最低，送風氣流射流路徑空氣溫度較低。觀察圖6 可知，以閥體頂部為圓心，周圍空氣溫度隨半徑增大依次遞減，溫度分布呈現(xiàn)圓環(huán)狀遞減趨勢，此外，由圖7 可知，i=0°時，右側低溫送風氣流可到達右側兩閥體頂部，解釋了圖5 所示閥體右側閥體頂部溫度較低的溫度分布情況。

2.2 速度場

球形噴口水平送風情況下，閥廳內(nèi)空氣平均流速為0.42 m/s，最高流速13.32 m/s，出現(xiàn)在送風口處，回風口最高流速為7.10 m/s。送回風口處速度分布情況如圖8至圖12所示。

圖8 Y=44.75 m截面（過送風口）速度分布矢量圖Fig.8 Ssection（through the air supply outlet）velocity distribution vector diagram when Y=44.75 m

圖9 Z=33.7 m截面（過送風口）速度分布云圖Fig.9 Section（through the air supply outlet）velocity distribution cloud map when Z=33.7 m

圖10 Y=44.75 m截面（過送風口）速度分布云圖Fig.10 Section（through the air supply outlet）velocity distribution cloud map when Y=44.75 m

圖11 Z=2.4 m截面（過回風口）速度分布云圖Fig.11 Section（passing the return air outlet）velocity distribution cloud map when Z=2.4 m

圖12 Y=58.4m截面（過回風口）速度分布矢量圖Fig.12 Section（passing the air outlet）velocity distribution vector diagram when Y=58.4m

觀察矢量圖8 顯示的發(fā)熱閥體周圍空氣流動情況，可以看出在閥體表面附近有明顯的氣流上升現(xiàn)象；中部第2、3、4、5 閥體上表面存在氣流漩渦，此處下行低溫送風氣流與上升高溫氣流相遇，旋渦中心氣流速度接近于0，這也導致了中部閥體溫度高于兩側閥體。圖9 顯示送風口平均射程大約在18 m左右，相對于90.5 m的超長空間來說，射程相對較短。除送風口處速度，閥廳空氣速度整體在1.5 m/s以下，重新設定標尺范圍，廳內(nèi)空氣速度分布云圖如圖10所示。

圖10 顯示，閥廳內(nèi)存在靜風區(qū)，右側下行送風氣流可到達右側兩閥體中間，帶走閥體熱量；而左側下行送風氣流受到熱浮升氣流的阻擋，難以下送到閥體周圍，且由于左下角回風口的設置，左側部分氣流直接繞過最左側閥體被吸入回風口，導致左側第1、2 個閥體處空氣溫度較高（如圖7所示）。

回風口處最高流速為7.10 m/s，圖12 顯示的空氣流動規(guī)律與圖8 所示一致，均顯示閥體周圍有明顯的熱浮升氣流。與圖8 不同，Y=58.4 m 截面處，左側下行氣流到達了最左側閥體頂部，而右側送風氣流掠過右側兩閥體，在中部兩閥體上部與熱浮升氣流相遇，這一氣流分布情況解釋了圖5 所示前后兩排閥體溫度分布情況的差別。

2.3 壓力場

閥廳內(nèi)平均壓力為42.18 Pa，由于模擬假設條件為房間密閉無泄漏，因此實際情況中，壓力值肯定比模擬值小很多。閥廳內(nèi)壓力分布情況如圖13和圖14所示。

圖13 X=34 m截面壓力分布云圖Fig.13 Section pressure distribution cloud diagram when X=34 m

圖14 Y=52 m截面壓力分布云圖Fig.14 Section pressure distribution cloud diagram when Y=52 m

以上壓力分布云圖顯示，Z軸方向存在明顯的壓力梯度，沿Z軸向上，壓力逐漸增大。按照理想氣體方程，穩(wěn)態(tài)后廳內(nèi)空氣壓力與溫度成正比，根據(jù)2.1 節(jié)溫度場分布情況，溫度也存在上下分層的現(xiàn)象，沿Z軸向上，廳內(nèi)空氣溫度升高，因此壓力分布存在明顯的分層現(xiàn)象。

2.4 小結

球形噴口水平側送，百葉回風情況下，閥廳室內(nèi)空氣溫度30.30 ℃，滿足常規(guī)閥廳溫度不超過45 ℃的設計要求。閥體表面平均溫度為52.91 ℃，閥體表面溫度不均勻，存在局部高溫，最高溫度可達62.93 ℃，這是由于閥廳室內(nèi)氣流組織在局部區(qū)域不理想。水平送風使得到達閥體表面的氣流速度較小，區(qū)域氣流速度幾乎為0，且在各閥體之間存在明顯的熱浮升氣流，向下的送風氣流與熱浮升氣流相遇后在閥體表面產(chǎn)生漩渦，使得閥體局部區(qū)域的熱量不能及時排除，最終導致這些表面局部溫度較高，可能會對閥體的正常運行造成安全隱患。

3 送風優(yōu)化

上述球形噴口水平送風模擬結果顯示閥體表面溫度以下考慮更改球形噴口送風角度來改善閥廳內(nèi)部氣流組織，送風溫度和送風量不變，同表2 所示一致。通過修改物理模型中圓柱體送風口與XY平面的傾角來更改送風角度，考慮傾角i=10°、i=20°、i=30°三種情況，修改后模型局部放大圖如圖15所示。

圖15 不同送風角度送風口模型圖Fig.15 Model diagram of air supply outlets with different air supply angles

3.1 溫度場對比

不同送風角度下，閥廳內(nèi)空氣溫度分布情況如圖16至圖19所示。

圖16 i=10°，Y=52 m截面溫度分布云圖Fig.16 Section temperature distribution cloud map when i=10°，Y=52 m

圖17 i=20°，Y=52 m截面溫度分布云圖Fig.17 Section temperature distribution cloud map when i=20°，Y=52 m

圖18 i=30°，Y=52 m截面溫度分布云圖Fig.18 Section temperature distribution cloud map when i=30°，Y=52 m

圖19 閥廳內(nèi)空氣平均溫度Fig.19 Average air temperature in valve hall

對比以上溫度分布云圖，除i=20°送風工況，i=10°、30°工況時截面（Y=52 m）最高溫度均小于32 ℃。當送風傾角i=10°時，X軸右側送風氣流很難到達閥體表面冷卻閥體，導致閥廳右側空氣溫度偏高。當送風傾角i=20°時，兩側送風氣流將閥體周圍的熱浮升氣流擠到中部，導致中部兩閥體周圍空氣溫度較高。當送風傾角i=30°時，此截面空氣溫度最低，此時低溫送風氣流與右側三閥體充分對流，帶走熱量，且此送風角度下射流距離最遠，各閥體下部空氣溫度較低。

不同送風角度下，室內(nèi)平均空氣溫度差別不大，僅有0.1 ℃左右的差別，其中，噴口送風角度為30°時，閥廳內(nèi)空氣溫度最低。

不同送風角度下，閥廳內(nèi)閥體表面空氣溫度分布情況如圖20至圖23所示。

圖20 i=10°，閥體截面溫度分布云圖Fig.20 Valve body surface temperature distribution cloud map when i=10°

由圖20 至圖23 可知，當送風角度逐漸增大時，閥體表面平均溫度逐漸降低，在i=20°，閥體表面平均溫度最低為51.90 ℃，但是此送風角度下閥體表面溫度分布很不均勻，局部地方顯著高溫，閥體表面最高溫度高達65.22 ℃；當送風角度增大至30°時，閥體表面平均溫度升高一點為52.20 ℃，此時閥體表面最高溫度為61.66 ℃，與i=20°時的閥體最高溫度相差3.5 ℃。

圖21 i=20°，閥體截面溫度分布云圖Fig.21 Valve body surface temperature distribution cloud map when i=20°，

圖22 i=30°，閥體截面溫度分布云圖Fig.22 Valve body surface temperature distribution cloud map when i=30°

圖23 閥體表面最低溫度、平均溫度、最高溫度Fig.23 The minimum temperature，average temperature and maximum temperature of the valve body surface

送風角度會顯著影響閥體表面溫度。相比較而言，當送風角度為30°時，由于閥體表面最低溫度、最高溫度、平均溫度均處于較低值，此種送風角度下閥體表面溫度分布更為均勻。

3.2 速度場對比

不同送風角度下，閥廳內(nèi)氣流速度分布情況如圖24至圖26所示。

圖24 i=10°，Y=44.75 m截面速度分布矢量圖Fig.24 Section velocity distribution vector diagram when i=10°，Y=44.75 m

圖25 i=20°，Y=44.75 m截面速度分布矢量圖Fig.25 Section velocity distribution vector diagram when i=20°，Y=44.75 m

圖26 i=30°，Y=44.75m截面速度分布矢量圖Fig.26 Section velocity distribution vector diagram when i=30°，Y=44.75m

觀察以上速度分布矢量圖，不同送風角度下，送風口最大速度均在13.2 m/s 左右，閥體周圍也都存在熱浮升氣流，與水平送風情況不同，當傾角稍微向下時，閥體底部的熱浮升氣流速度較大，可有效帶走閥體底部熱量，閥體上表面氣流漩渦情況也有所改善。i=10°時，下行送風氣流與熱浮升氣流在閥體上部相遇，最右側閥體區(qū)域出現(xiàn)靜風區(qū)；i=20°時，閥廳內(nèi)空氣整體流速較大，左右兩側送風氣流均到達左右側閥體頂部，但是此時中部4 閥體周圍存在氣流漩渦，會導致閥體局部高溫；i=30°時，閥體周圍空氣流速較大，右側送風氣流可到達閥體頂部并與右側閥體發(fā)生充分對流，但是左側送風氣流與熱浮升氣流在閥體上部空間相遇，導致最左側閥體處空氣溫度較高。由此可見，送風角度不同可顯著影響閥廳內(nèi)速度場分布，從而影響閥廳內(nèi)空氣溫度分布情況。不同送風角度下，閥廳內(nèi)氣流分布都不均勻。

不同送風角度下，閥廳內(nèi)空氣平均速度如圖27所示。

圖27 閥廳內(nèi)空氣平均速度Fig.27 Average speed of air in valve hall

如圖所示，當送風角度為20°時，閥廳內(nèi)空氣平均速度最大，其余送風角度下閥廳平均氣流速度相差不大。

4 結論

通過對特高壓柔直閥廳球形噴口送風情況進行仿真模擬分析，得出以下結論：

1）球形噴口水平側送，百葉回風情況下，閥廳室內(nèi)氣流組織在局部區(qū)域不理想。閥廳室內(nèi)空氣平均溫度30.30 ℃，滿足閥廳溫度不超過45 ℃的設計要求。閥體表面平均溫度為52.91 ℃，閥體表面溫度不均勻，存在局部高溫，最高溫度可達62.93 ℃。

2）夏季球形噴口送風時，最優(yōu)噴口傾角i=30°。當噴口送風角度不同時，閥廳內(nèi)溫度場、速度場分布情況發(fā)生變化。送風角度為30°時，閥體表面平均溫度也較低，此時閥體表面溫度分布較其他送風工況均勻，閥體表面最高溫度是四種送風情況下最低的。

3）送風角度對于廳內(nèi)空氣平均溫度、平均風速影響較小，各送風角度下室內(nèi)空氣平均溫度差值在0.1 ℃左右，平均風速差值在0.1 m/s 左右，其中i=30°時，室內(nèi)空氣平均溫度最低，i=20°時，室內(nèi)空氣平均流速最大。

閥廳現(xiàn)場照片