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变电站GIS室-不同除尘模式下CFD仿真研究

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年6月作者：尹登峰

[导读] 目前，变电站工程中气体绝缘金属封闭开关设备GIS（Gas Insulated Switchgear）应用日趋广泛，已成为应对各类复杂工况、满足特殊需求的最优解。

广州南方电力技术工程有限公司尹登峰 510000

摘要：目前，变电站工程中气体绝缘金属封闭开关设备GIS（Gas Insulated Switchgear）应用日趋广泛，已成为应对各类复杂工况、满足特殊需求的最优解。为了提升GIS室设备的使用可靠性，降低在安装过程中GIS室内的颗粒物的浓度，本文通过CFD仿真模拟设置过渡更衣间、模块式风淋间、安装空气净化装置、向室内注入大流量洁净空气以保持室内的微正压等方法，掌握了GIS室内污染物扩散的分布规律。提出污染物监测设备和净化器的进风口位置需要布置在人行进路径附近以及GIS室的角落处，为降低室内污染物浓度提供了理论指导。
关键词 GIS室，除尘，CFD仿真，污染物
        前言
        变电站GIS设备具有占地面积小、结构紧凑、运行可靠、维护方便等优点，为防止发生漏气、放电等故障，GIS设备的安装过程对环境的微尘度、微水度有异常苛刻的要求[1-2]。安装过程中，需要打开密封的包装，露出内部机构，设备内部结构极易被环境灰尘、潮气等杂质污染，给设备安全运行带来隐患，严重时会出现安装后各项指标试验不合格。所以开展GIS安装环境管控关键技术的研究非常有必要[3]。
        随着计算机和数值技术的快速发展，一些研究人员通过CFD仿真，对GIS室内进行研究分析，重庆大学的丁宗果[4]详细的研究了GIS室内SF6浓度与排风量、排风口位置等因素的关系，为通风系统的设计提供科学的指导。周松霖[5]重点研究了GIS室SF6泄漏气体分布规律，提出了SF6泄漏气体的回收策略。
        基于此，该研究采用STARCCM+软件，建立变电站GIS室的三维模型，采用湍流模型模拟室内流场，并在此基础上，结合重叠网格技术采用欧拉多相流模型对室内颗粒物浓度场进行模拟研究，分析由于人行走在室内造成的污染物扩散，为合理安排污染物监测装置和排风装置提供力量依据。
       模型与计算方法
        1.1数值模型
        相关研究结果表明模型对于室内气流模拟有较好的适应性，本研究采用湍流模型预测气流组织。是任意变量,为速度矢量. 是变量的扩散系数. 为方程源项.。随着、取相应的表达式，式1可以表示为连续方程、动量方程、能量方程以及湍流动能和湍流动能耗散率等。
        1.2颗粒物模型
        本文采取了欧拉模型中的滑移通量模型，考虑颗粒相与空气相间滑动与重力作用，较拉格朗日方法而言，计算时间更短，方便应用于工程实践。式2滑移通量模型的控制方程和分别表示气流平均流速和颗粒物在方向的沉降速度，是单位体积内颗粒的浓度是的湍流施密特数,通常等于1.0。
        1.3计算模型和边界条件
        研究对象为某GIS室内站进行勘测，合理简化其空间结构，基本保持了原GIS设备的空间结构，该GIS室内简化模型如图1所示，整个GIS站尺寸为66m*16m*11.4m，处于模型简化考虑，将室内的GIS设备简化成了一系列的长方体，此外保留了GIS的门、窗、百叶窗、排气扇出口，以及为了方便输电线路进入GIS室的出口。选取切割体模型与棱柱层模型，将GIS空间划分为六面体网格，将人体表面的网格尺寸设置为40mm，其余位置均设置为800mm，此外在人行进的路径上对网格进行体积控制，既图中所示红色区域既体积加密区域，该区域网格为80mm。总计1千万网格，在保证网格质量的同时，所有网格的等角偏度均小于0.9。

        仿真为瞬态计算，0-2s，从门1释放颗粒物，释放速度为1m/s，颗粒物的体积分数为0.00002，颗粒物假设为球形颗粒，其空气动力学直径为5-60μm，密度为980kg/m3。2s后，门关闭作为壁面，人开始以0.5m/s在室内行走，5s后以1m/s行走，行走的路径如图1中红色区域。在这个过程中排气扇出口以及墙上过电缆的口设置为压力出口，其他面默认为壁面。假设壁面隔热条件良好，忽略热环境对于颗粒物扩散过程的影响。
       结果分析与讨论
        仿真场景无强制通风，只考虑行人的行走对于污染物扩散的影响，因此后处理中主要关注了人行走到不同位置时室内污染物分布的规律。主要考察了人行进至下图中4个位置，其行走对应的时间为2s、15s，25s，48s。
        图2(a)为Z=1m处截图上污染物浓度云图，可以看出2s时，当前位于位置一，污染物刚刚进入室内，尚未扩散开来。时间为15s时，步行至位置二，由图2(b)Z方向高度为1m处的截面上污染物浓度云图可以看出，污染物随着人的走动在室内扩散开来，最远扩散至人行走位置。

        仿真考察从入口处进入的颗粒物随着人的行走在室内扩散的特性，仿真结果表明，人行走的尾迹会携带颗粒物运动，促进颗粒物在室内的扩散。该仿真结果表明，当工人进入GIS室内时，室内各处颗粒物浓度与人行走路径有一定的关系。
        结论
        仿真结果表明，人行走的尾迹会携带颗粒物运动，促进颗粒物在室内的扩散。当工人进入GIS室内时，室内各处颗粒物浓度与人行走路径有一定的关系。具体结论如下：
        (1) 若采用送入大量洁净空气的方式以保持GIS室微正压，颗粒物很容易聚集在GIS室角落位置。
        (2) 污染物监测设备的位置应布置于人行进路径附近以及GIS室的角落处。
        (3) 净化器的进风口位置需要布置于GIS室的角落处，能够最快降低室内污染物浓度。
参考文献
[1]禇强,叶军,朱清清.城市型变电站GIS配电装置室的优化方法[J].电力与能源,2018,39(01):10-15.
[2]吴伟力.室内GIS场地通风系统远程遥控装置的研制与应用[J].机电信息,2015(33):34-35+37.
[3]乔海滨,张源渊.GIS室环境中SF_6、O_2浓度及温湿度的监控和报警研究[J].电工技术,2019(12):97-98+101.