孙轶良 李光毅
国网河北省电力有限公司经济技术研究院 石家庄 050021
【摘要】本文对全户内变电站变压器室通风散热进行了有限元分析。利用FLUENT软件，模拟分析送风口位置对变压器室温度的影响，得出在机械进风条件下，单侧进风散热效果优于双侧进风，而底部送风效果优于侧向进风。结合工程优化设计并进行应用，验证了实际通风散热效果与模拟结果相吻合。
【关键字】全户内站；变压器室；散热；有限元分析
0 前言
近年来，随着城区规划和建设日益扩大，变电站建设处于城区内也成为常态。而将变电站建设成为全户内式，成为减少噪音对周围环境影响是比较可靠、也为各方所接受的一种方法。将主变压器放在室内，通过建筑物墙体将噪音控制在室内，可有效降低噪音外泄。但是封闭带来的问题是主变散发的热量不能有效排出，造成室内温度升高，形成通风散热和噪音控制之间的矛盾。为解决降噪和散热问题，国内研究人员[1][2]进行了研究。旨在通过技术手段，将噪音控制在一定范围内，同时热量也能被有效排出，将室内温度控制在一定的范围，有利于主变高效运行。
本文所提的模拟分析，主要是通过送风口的布置变化，模拟主变压器室内温度场变化，通过有限元分析掌握通风散热路径，提出送风口优化布置的建议。
1模型建立
1.1模型选取
以某实际工程为对象，研究对象为一台自冷型变压器，室内主要热源为主变压器的散热片，散热量为935KW。根据《火力发电厂及变电所供暖通风空调设计手册》规定，排风温度不宜大于45℃（即318K）。
为了简化模型，减少网格数，将片散近似为一个长方体进行模拟计算。
1.2模型建立
本次采用FLUENT软件进行数值模拟，利用Gambit模块将主变压器的片散室简化为三维的长方体房间，片散简化为相等大小的长方体物体，忽略小的凹凸部分，简化片散室通风模型。网格划分考虑模拟精度和模拟所需要的时间两方面的因素，确定模型的网格间隔长度取0.3m。通风模型及网格划分如图1.2-1、图1.2-2所示。
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图1.2-1模型 图1.2-2 网络划分样图
1.3模型假设
模拟采用空气作为模拟介质，对各个边界条件进行适当的简化，简化为速度入口、速度出口，及自然边界条件等几种不同的边界条件。对模型进行如下假设：
1）采用Boussinesq假设，不考虑压力对密度变化的影响，仅考虑密度变化对浮升力的影响。
2）室内的气流属于稳态的湍流，为常温常压低速流动，视为不可压缩理想流体流动，忽略有流体粘性力做功引起的耗散热。
3）对于房间壁面按照绝热进行处理。
4）湍流模型选用Launder及Spalding等提出的k-ε模型和壁面函数法进行计算。
1.4数学模型
模型控制方程采用以下三个方程:
(1)质量守恒方程
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2 工况选择
2.1模拟工况
为了模拟分析不同送风速度、不同送风口位置和不同送风口高度对室内空气温度场和速度场的影响，建立如表1所示的模拟工况进行模拟计算。通风方案采用机械进风+自然进风，机械排风的混合通风方式。
表1 模拟工况表（单位：m3/h、m、m/s）
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3 有限元分析
3.1条件选取
本次模拟的是室内通风到达稳定运行后，房间内的气流流动以及温度分布情况，得到稳定运行后最优的通风方式。
在整个模型建立中对于出风和进风采用质量和能量守恒定律进行计算，得出稳态时的进风量及进风状态，以及出风量及出风状态。具体计算方式如下：
模拟时选取该地的夏季通风计算温度为基本计算依据，通风量为选定的风机的通风量70.5m3/s，进风温度为30.8℃，计算得出在此条件下的空气的各项参数，具体见表2。
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本次模拟中，流动介质保持低速流动，采用FLUENT中分离式求解器（segregated solver）进行求解。
3.2送风方式选择
3.2.1自然进风加机械排风
选取人员检修活动范围高度1.5m和室内温度较高的4.5m两个平面，通过两个平面处的分析结果可知，有一部分的温度明显高于350K（77℃），当高度上升到4.5m的时，片散周围温度较高区域的范围有所扩大，说明在4.5m处的散热条件更为不利。考虑到自然送风的不利条件，本次重点分析混合通风方式。
3.2.2混合通风方式
混合通风是自然进风、机械送风，机械排风。
（1）侧向送风方式的模拟
1）侧向送风方式的选择
选择单侧横向送风、单侧竖向送风和双侧竖向送风三种情况进行模拟分析，通过对1.5m、4.5m处的温度分布进行对比，我们发现在1.5m处的温度分布单侧送风的情况要明显优于双侧送风，当采用双侧送风时，气流组织可能较为平稳，但是在1.5m处其温度有较大波动，且温度要明显高于单侧送风时的温度。
同时对于4.5m处而言，双侧送风与单侧送风相比，单侧送风的温度分布明显优于双侧送风。通过进一步对比，发现单侧竖向送风的温度分布要比单侧横向的温度分布更为均匀。详见图3.2.2-1。
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图3.2.2-1不同送风方式断面平均温度随房间高度变化曲线图
从图中可以进一步看出双侧送风在各个层面上的温度均高于单侧送风的温度，且至少有2℃的温差，最大温差可以达到7℃，这进一步的证明单侧送风要优于双侧对吹的送风方式。图中还可以看出，对于单侧送风方式中，竖向和横向的送风方式其温度分布基本相同，但是相较而言，竖向送风的断面平均温度要略小于横向送风，因此我们选取单侧竖向送风为送风方式。
2）送风口水平位置对温度的影响
为了详细的模拟分析出送风口位置对室内温度的影响，我们分别选取7种（工况5-工况11）布置进行模拟，假设机械送风口距地0.2m，温度模拟结果见图3.2.2-2。选取几种典型温度模拟图，如图3.2.2-3。
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经过图3.2.2-2中的对比可以看出，送风口距离门口以及送风口之间的距离位置对工作区域的温度场很大，由于风口的位置不同，使得在相同的送风条件下，各个断面均出现了温度的差异。从温度分布有限元模拟图可以看出，两个风口的位置距离越远，各断面温度越高，通风效果越不好。进风口位置为15m和132m时的断面平均温度要比相同风量下的通风口位置为15m和6m的断面平均温度低5℃左右，因此两风口的位置距门越远，房间内的气流组织越合理。
进一步对比所有通风方案，发现工况9的温度分布更为合理，即两风口布置为15m和13m时更为合理。
3）送风口竖向高度对温度的影响
在水平位置定位15m和13m后，工况12-16是模拟机械送风口高度对室内温度的影响，送风口高度分别为0m、0.1m、0.4m、0.6m、0.8m。再模拟5种高度下温度分布如图3.2.2-4。可知，风口高度0.8m更为合理。
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图3.2.2-4不同送风口高度下各断面平均温度随房间高度变化曲线图
（4）底部送风方式模拟
工况17-23为底部送风方式，工况17-21在假设底部送风口固定的情况下，模拟分析5种典型风速得出的室内温度曲线。见图3.2.2-5。
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图3.2.2-5底部送风不同风速下各断面平均温度随房间高度变化曲线图
可以看出对于下部送风而言，并不是风速越大通风效果越好。结果发现1.5m/s的风速下，4.5m端面处温度最低。可知底部送风情况下，低风速更能充分带走设备产生的热量。
工况22、工况23是在假设风速固定的情况下，模拟3种送风口位置的温度曲线。可知两个送风口距门分别为12m和15m，距侧面墙为1.0m时，通风散热效果最好。见图3.2.2-6。
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图3.2.2-6底部送风不同送风口位置下断面平均温度随房间高度变化曲线图
4工程应用效果
本案例按侧向送风方式进行设计，工程投运后，选择8月份进行日温度测定，记录排风口的日最高温度，并与现有某站进行对比。可知，经过送风口优化布置后，排风口温度明显降低。温度曲线如图4.1所示：
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图4.1 最热月本案例变电站与现有某变电站排风口温度对比
5结论
1)单侧横向送风方式要优于双侧送风的送风方式，单侧竖向送风方式优于单侧横向送风方式，单侧竖向送风方式更为合理。
2)对于单侧竖向送风方式而言，当风口逐渐向门口移动时，使得房间内侧出现了温度分布不均匀的现象，此时明显出现温度较高区域，模拟分析最佳的通风口位置为15m和13m。
3)随着风口高度的上升，下部的温度会有所上升，上部的温度会有所下降，在综合满足工艺要求的同时尽量考虑到人员检修等相关问题最佳的通风高度应为0.8m。
4)对于底部送风而言，温度影响的主要因素是风口距离设备的距离，送风口靠近设备底部时，可以有效的强迫气流流动，从而加强了换热，使得通风效果要较好。
【参考文献】
[1] 金淋芳.城市全户内变电站主变压器室通风降噪研究[J].供用电，2010，27（2）.
[2] 王剑，张峰，邢海斌，丁军. 基于CFD的户内变电站通风换热数值模拟及优化设计[J].机械设计与制造，2016，3