[水电站地下厂房大空间内重型污染气体扩散研究]水电站厂房

　　 摘要：分析了现代水电站地下厂房内SF6气体存在现状及潜在危害，运用PHOENICS 2010软件为计算工具，对SF6气体的泄露进行模拟分析。研究了SF6气体对管路系统的影响，以此为基础，分析了电缆层内SF6气体在不同泄露源个数、不同排风口个数、不同泄露量条件下的污染物分布特征，并对事故泄露条件下的该气体扩散特征做了模拟，得出了污染物的时间、空间分布特征，并对不同排风量条件下降低SF6气体浓度到安全范围所需要的时间做了详细分析。
　　关键词：水电站， SF6气体，深埋式厂房，模拟
　　中图分类号： TM622 文献标识码： A 文章编号：
　　0引言
　　目前国内大型水电站建设大多采用地下深埋式厂房，其厂房体量巨大，分隔复杂，且相对封闭。厂房内有大量余热、余湿、污染气体散发，因而通风设计是水电站整体设计中的重要一环。根据已建成水电站运行反馈的情况和调查所得的数据，水电站的GIS组合电器和高压管道母线在运行过程中会有SF6气体泄漏。SF6气体密度较大，一个大气压、25℃时其密度约为空气的5倍。通常条件下该气体无色、无臭、无毒、不燃、稳定，但在电弧和电晕的作用下，SF6气体会分解产生多种低氟化合物，这些低氟化合物本身会引起绝缘材料的损坏，且有剧毒，对室内的环境造成极大危害，对检修工作人员身心健康具有潜在威胁。本文结合化工、大气环境以及安全行业内重气体扩散研究结论，采用数值模拟方法，对SF6气体在有限、复杂大空间内正常泄露、高压破裂泄露进行了研究，为水电站厂房内SF6自然泄露、事故泄露后，控制该气体在有限大空间内的扩散提供了理论依据。
　　1. 分析工具
　　N-S方程是描述不可压粘性流体运动的微分方程组，运用N-S方程可以从根本上描述SF6气体扩散规律，理论上说有定解。但瞬态三维N-S方程本身较复杂，难以直接求解，目前工程中均采用数值方法，对方程进行一定的简化，形成了：直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）；大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）；湍流统观模拟（Reynolds Association Numerical Simulation，RANS）三种模拟求解方法，RANS的计算量相对于前两者小得多，目前在工程上被普遍使用。RANS法又分为涡粘性系数法和雷诺应力方程法两大类，雷诺应力方程法根据决定涡粘性系数所需求解微分方程组的个数的不同又分为零方程模型、单方程模型和双方程模型等。本文以较成熟的 双方程模型和差分法为基础，采用PHOENICS 2010软件为计算工具，对SF6气体的正常泄露和事故泄露进行模拟分析。
　　2. SF6气体对空气的粘滞性及对管路系统阻力的影响
　　重气体的存在，会改变空气密度、粘性的参数，从而对风机动力性能及管道阻力特性产生影响，为了模拟厂房中SF6气体的正常泄露和事故泄露特性，有必要对存在SF6气体的通风管道中水力特性进行模拟论证。
　　为此，建立模型如图2.1：断面为圆形，直径为800mm；右下进风，左上出风；三维尺寸：x：10.06m，y：0.8m，z：5.6m；三个直角弯头的中轴线曲率半径均为1.6m。风管的进口（即右下端）设INLET，出口（即左上端）设为OUTLET（本模拟来源于某水电工程中实际SF6气体泄露排风管道）。风管排风量为室内的两次换气次数风量(1.733m3/s)，模拟四种工况，SF6气体含量分别为0mg/m³、0.297 mg/m³、1.19 mg/m³、2.973 mg/m³。其他条件均相同。经计算、统计，得出下图：
　　
　　图2.2 排风管内风速与SF6气体含量关系曲线图2.3 排风管内压力与SF6气体含量关系曲线
　　
　　从图中可以看出：
　　1） 管内的风速分布基本一致，说明：有无SF6气体以及SF6气体含量（事故泄露限值之内）的多少不会对管道内风速分布产生影响；
　　2） 风量不变的条件下，SF6气体含量发生变化时，压力分布变化极小，变化率小于1%，可以认为：在正常泄漏及事故泄露条件下少量的SF6气体的存在不会改变排风系统的压力特性，对风机没有特别要求；
　　3） 在进风口处SF6气体与空气均匀混合时，管道内各处的SF6气体浓度均相同，其值即等于进风口处的浓度。说明，在正常排风、事故排风风速条件下，排风管道内不会出现SF6气体沉积现象。气体扩散特征与自由边界条件下的重气体扩散有显著不同。
　　根据以上结论，对水电站地下厂房内GIS电缆层SF6气体正常泄露及事故泄露进行模拟研究。模拟分两部分：（1）分析SF6气体在室内有限大空间条件下的扩散及分布规律，了解设备在正常工作条件下室内SF6气体可能的分布状况，从而为正常排风系统的设置提供参考；（2）事故泄漏时SF6气体扩散特点，获取报警点设置的最优位置，了解不同排风量的情况下室内SF6气体浓度随时间的变化情况，从而确定该气体浓度降低到一定值（按经验取值，以50mg/m3为限）以下所需要的时间，为事故排风系统的设置提供参考。
　　3. 大空间正常泄漏试验
　　大空间内正常泄漏条件下的模拟试验分为三组：不同泄漏源个数、不同排风口个数、不同SF6气体泄漏量。试验模型如下：
　　
　　图3.1 排风管内压力与SF6气体含量关系曲线
　　3.1泄露点个数试验
　　模拟结果如下：
　　
　　图3.2 一个泄露点0.4m高水平面上SF6浓度分布图
　　
　　图3.3 两个泄露点0.4m高水平面上SF6浓度分布图
　　
　　图3.4 四个泄露点0.4m高水平面上SF6浓度分布图
　　由图3.5可以看出：在总泄漏量一定的情况下，多泄漏点时虽然垂直方向上仍然以重力沉降为主，但扩散相对容易，扩散的“阻力”较小，向泄漏点以上的方向上扩散的总的SF6气体的质量大增，而且向下的扩散中，SF6气体很容易在水平方向上展开，进一步减小了扩散阻力，最终各个方向上的扩散近乎均匀，因而其各个断面上的浓度分布比较均匀。
　　3.2不同排风口个数试验
　　排风口个数和位置不同对大空间气流组织有较大影响，根据前文分析，气流速度对SF6气体的扩散有很大影响，当气流速度达到一定值时，SF6气体本身的重力沉降效应会大大减小。本组模拟结果可以归纳为下图：
　　
　　图3.6 无因次平均浓度随无因次高度变化曲线图3.7无因次平均浓度随无因次高度变化曲线
　　从平均浓度上看，两个排风口时，各高度断面上SF6气体平均浓度最小。一个排风口时无因次平均浓度值随无因次高度变化较大，而且其各断面平均值远大于多个排风口时情况。这表明，排风口个数少时，室内大浓度区域集中，浓度中心靠近地面；多个排风口时SF6气体相对分散，没有集中的浓度中心出现。从最大浓度上看，就控制有限大空间内SF6气体浓度而言多排风口效率优势明显。
　　3.3不同泄露量对SF6气体影响试验
　　从图3.8无因次平均浓度图上看，泄漏量较少时，泄漏出的SF6气体在形成一个稳定的气团之前即已被气流吹散，因而重力对其作用微弱，由于1m高处接近泄漏点，故该平面上的平均浓度达到最大值；泄漏量较多时，泄漏出的SF6气体能够在一定范围内形成一个相对稳定的气团，气团受重力作用明显，沉降到地面，并且不断聚集，因而地面处的浓度很大。
　　上述四个工况下无因次平均浓度随无因次高度变化的差异正是重力与主流场对SF6气体扩散的影响强弱的体现。