水电站地下厂房通风空调系统网络分析-以云南干河泵站地下通风厂房为例.docx

水电站地下厂房通风空调系统网络分析以云南干河泵站地下通风厂房为例1、 水电站厂房通风网络分析模型1.1图论相关知识图论是建立和研究离散数学模型的重要数学工具，也是对通风网络系统进行计算机分析的数学基础。现举例将图论基本知识简要介绍如下： 图图是作为研究对象的有限个点的集合V、和这些点之间连线的集合E以及表示E和V之间关系的集合所组成。其中的点称为节点，节点之间的连线称为边或支路。定义G为一个具有m个节点、n条支路的图,则:G=（V、E、）式中，V= v1，v2，vm；E=e1，e2，en是E和V之间的对应关系,或称为从E到V的映射。如果图中的分支都具有确定的方向，则为有向图。有向图中支路e（支路e对应的节点为u、v）表示为e（u，v）或者e（u，v）；无向图中支路e的表示为e。图1.1 有向图图例如图2.1，V=v1，v2，v3，v4；E=e1，e2，e3，e4, e5; (e2)= v1，v4; (e3)= v2，v4; (e4)= v1，v3; (e5)= v3，v4；通常，可将边的端点包含在边中,则图G=(V,E)，如果它的节点数为m，分支数为n，则称G=(V,E)是一个（m，n）图。 子图如果图g中所有的节点和边都属于图G，而g中的每一条边的端点正是G中的同一端点，那么g成为G的子图。 关联如果图中的某个节点是某条支路的端点，则称这个支路与该点相关联。如果某条支路的两个端点为图中的同一个节点,称该支路为自环。通风网络图一般没有自环支路。 链、路和回路对于图G=(V,E)，设v0，v1，v2，vp属于v，而e1，e2，ep属于E，且边ei与vi-1，vi关联，则这些边构成一个有限序列，称为链。链中的边ei与vi-1以端点vi-1相衔接，与ei+1以另外一个端点vi相衔接，因此，链可以用端点和边的交替非零序列v0 e1 v1 e2 v2epvp来描述。v0 和vp分别称为链的起点和终点。链所包含的边的数目称为链的长度。没有重复边的链称简单链，所含端点各不相同的链称为基本链。基本链必定是简单的。一条起点与终点重合的链称为回路。基本的闭合链称为基本回路。图中的所有基本回路称为该图的基本回路组。具有m个节点、n条回路的图G的任何基本链的长度小于等于m-1，而它的基本回路的长度都小于等于m。对于有向图，如果一个链中各分支的方向一致，即上一分支的末节点是下一分支的始节点，这种链称为道路。 图的连通性在图G中，如果在每一对点之间至少存在一条链，则称该图是连通的，否则就是不连通的。通风网络图是连通图。 网络与权函数图G=(V,E)和定义在分支集合E或点集合v上的实函数f（e）或f（v）其中（eE，vV，称为一个网络或有权图，记作：N=（G，f），f称为权函数。网络中各分支或各点的权值的赋予，是根据分析网络所描述的实际系统的要求而定的。例如在表示通风网络的有向网络中，可按各分支的阻抗或风量来为分支赋权。 树与生成树不包含任何回路的连通图称为树。用T表示一棵树。树的主要特性有:1）树T中的任意两个节点间必有且仅有一条基本链与这两个节点相连接；反之，任意两个节点间必有且仅有一条基本链与这两个节点相连接的图必然是一棵树。2）有m个节点的一棵树的边数为m-1。有m个节点、m-1条边的连通图为一棵树。3）删除树中的任意一条边将使之变为分离图（非连通的）。4）在树T的任意两个节点之间加上一条边,则所得到的图中必然包含一个且只包含一个回路。 5）连通图不止是一棵树时，它的生成树也不是唯一的。如果图G的子图T是一棵树，且T包含了G中的所有节点，则称T为G的一棵生成树。任何连通图至少有一棵生成树，包含在图G中但不包含在它的生成树T中的分支称为余支,包含在生成树中的分支称为树支。在赋权图N（G，f）的生成树上所有树支上所赋权的总和，称为生成树的权。赋权图N（G，f）的所有生成树中，具有最小权的生成树,称为最小树。按照生成树的定义和树的性质，对于具有m个节点、n条支路的连通图，G其树支数目必为m-1；余支数目为n-m+1。在图G的生成树T上加上一条余支，则所得到的图中必然包含一个且只包含一个基本回路。1.2图的矩阵表示关联矩阵与基本关联矩阵若图G=(V,E)是一个有向连通的（m，n）图,称mn阶矩阵A(G)= aijmn为图G的关联矩阵，其中： 1，节点i与分支j相关联，且为分支j的起始节点；aij=-1，节点i与分支j相关联，且为分支j的起始节点； （1.1）0，节点i与分支j不相关联；基本关联矩阵用来列写通风网络图的节点流量平衡方程组。基本回路矩阵与独立基本回路矩阵设图G=(V,E)是一个有向连通的（m，n）图，它的基本回路数为h，为每个基本回路指定一个方向（任意指定，顺时针或逆时针），则矩阵hn阶矩阵C=cijhn为图G的基本回路矩阵，其中：1，分支j在基本回路i中，且与i的方向一致；cij=-1，分支j在基本回路i中，且与i的方向相反； （1.2）0，分支j不在基本回路i中；回路矩阵和关联矩阵之间的关系由于回路矩阵和关联矩阵都是对确定的图G的代数描述,它们之间必然存在一定的联系。有：A(G) CT=0 A(G) CTf=0 （1.3）式中CTf表示Cf的转置矩阵。以上描述了图论在通风模型网络化里面的一些基本概念运用。1.3通风网络分析模型建立水电站地下洞室群在通风时，是一个由交通洞、厂房、母线洞、主变洞、出线道、进风洞、排风洞等洞室以及专门布设的送排风管道系统组成的通风系统。将通风路径中风量不发生变化的一段称为一个流段,对应网络图中的一个分支；各个流段的交汇点称为节点。将分支与节点之间的连接关系用点和有向线段来表示，并且把各个分支的长度、形状及断面大小、内表面粗糙程度等影响空气流动的因素用分支的阻抗表示，以便于利用图论的有关理论来进行研究，这样就形成了地下电站洞室群通风网络图。但由于地下厂房的通风系统复杂，在对通风网络的其他部分不产生影响的前提下，也可将某些局部的具有简单串并联关系的分支进行等效变换，简化成一个分支。如果以分支的阻抗作为权值，则通风网络图是一个有向连通赋权图。将复杂的通风系统，用图论和矩阵相关知识表示后，理论上满足下列方程，这样也就构成了水电站地下洞室群通风网络的计算机分析模型。 节点风量平衡定律与节点风量平衡方程组节点风量平衡定律由质量守衡定律得来，它的基本思想是在稳定流动的过程中，流入或流出某个节点的所有分支的空气质量流量的代数和等于该节点处的节点流量。节点流量是指在所研究网络的某个节点处流入或流出该网络的质量流量。（） （1.4）式中为分支风量的符号函数。1，节点i为分支j的端点，且流出该节点；aij=-1，节点i为分支j的端点，且流入该节点； （1.5）0，节点i不是分支j的端点；分支的质量流量，kg/s;节点的节点流量，流入节点为正，流出节点为负，kg/s； 回路压力平衡定理与回路压力平衡方程组回路压力平衡定理是通风网络中任意回路的空气流动所必须遵守的能量守衡定律。它表明，在通风网络的任意回路中,沿回路方向的空气流动动力与阻力的代数和为零。 （1.6）式中：分支流动方向的符号数1，分支j在第i个回路中且与回路同向；cij=-1，分支j在第i个回路中且与回路异向； （1.7）0，分支j不在第i个回路中；j分支的流动阻力损失，Pa;j分支的通风动力，Pa;根据图论的相关理论,一个流体网络图中只有n-m+1个回路是相互独立的，故可建立n-m+1个独立的回路压力平衡方程所有独立回路的压力平衡方程用矩阵形式表示可写成： （1.8）式中：通风网络的独立回路矩阵；流段阻力损失列向量，n阶；流段的通风动力列向量，n阶。 分支阻抗定律风流流经通风网络图中的每一个分支时受到的阻力为： （1.9） 式中：j分支的质量流量阻抗，1/（kg.m）；转换为矩阵形式： （1.10）式中：以为对角元素的nn对角矩阵；以为元素的n阶列向量；分支阻抗表达式，与风机性能相关公式，由于流体力学里已详细讲解，在此不在重复。1.4通风网络分析模型求解通风网络分析求解的方法多重多样，该论文重点对整个模拟思想和基本步骤讲述，此处对求解方法不做重点叙述，对于一个具有m个节点、n个分支的机械通风网络,当分支的阻抗已知、通风动力（风机）确定时，将分支阻力定律和风机全压-流量关系式代入独立回路压力平衡方程组，则节点风量平衡方程组和独立回路压力平衡方程组联立，构成了通风网络计算机分析的数学模型。该方程组共有（m-1）+（n-m+1）=n个方程，待求的未知量为n个分支的风量，方程数和未知数的数目相等。方程组为非线性方程组。根据方程组的物理意义，该方程组应有定解。2、 水电站厂房通风网络绘制方法与分支阻抗计算2.1干河泵站工程概况干河泵站属于云南省牛栏江滇池补水工程的一部分。整个补水工程由德泽水库水源枢纽工程、德泽干河提水泵站工程及德泽干河提水泵站至昆明（盘龙江）的输水线路工程组成。该工程跨越曲靖市的沾益县、会泽县以及昆明市的寻甸县、嵩明县和昆明市盘龙区。德泽水库位于牛栏江上，距昆明市公路里程173km、距曲靖市84km、距沾益县72km。干河泵站位于德泽水库上游的干河村附近，承担从德泽水库提水至出水池的任务。干河泵站由地下主厂房和地上副厂房组成。其地下厂房由电机层、中间层、水泵层、球阀层、检修阀层组成。2.2通风方案主厂房的通风以排除厂内机电设备产生的余热为主，兼顾排除地下厂房内余湿。通风形式采用机械送排风，具体为：室外新风经坝体排水廊道自然冷却（夏季）或加热（冬季）后，由设置在主厂房顶部风机房内的风机保证室内温度，相对湿度，气流速度满足规范要求。然后再利用设置在夹墙内的风道和各层的风机送至中间层、水泵层、球阀二层、球阀一层，最后由位于中间层的母线廊道排除一部分空气，剩余部分由位于水泵层的工作廊道排入检修阀层最后排出室外。个厂房通风电机层中间层水泵层球阀二层球阀一层检修阀室一层检修阀室二层运输廊道图2.1 泵站整体通风系统图2.3地下厂房通风网络图由于水电站地下洞室群通道众多，截面情况变化复杂，将所有流段均划作不同的分支来进行网络分析是没有必要的，而例如，某个通道的前后截面积不一样，此时显然没有必要将其划分为两个分支；又如，在某些局部气流从一个节点到另一个节点之间有多个通道，通道之间存在简单的串并联关系，设计者只需要了解两个节点之间的总流量，而不需要了解每一个细小通道的详细状况时，也没有必要将每一个细小通道划分为一个分支。这样的情况可看作是这两个节点之间存在一个由一些“子分支”经过串并联之后组成的一个“复合分支”显然，对于大截面长通道的交通洞、排风洞等，风量不发生改变的一段应视为一个分支；风管系统风量不变化的一段应视为一个分支。两相邻大空间之间通过各类孔口连接时，大空间视为静压箱，将通风孔口作为“子分支”处理，则两个大空间之间的所有孔口看作是多个子分支并联的“复合分支”，复合分支可以用于对网络图作合理的简化。图2.2泵站通风网络图分支的起点与终点就是网络图的节点，水电站地下厂房系统往往有各种类型的大空间，如主厂房内的发电机层、母线层、水泵层等等。这些大空间尺寸大,气流流速接近为零，故将它们视为静压箱，在网络图中看作节点。2.4分支阻抗计算以通路“层廊道一层廊道末端（通风机房）通风机房出口送风口电机层”（该通路为顶层送风前段）为例计算分支阻抗。（其中已知参数由工程给定；）（1）一层廊道入口参数（=54000m3/h，=26，=84%）风量=54000m3/h；温度 =26（夏季通风室外计算温度）；相对湿度=84%（夏季通风室外计算相对湿度）；当地大气压=80084Pa。 利用天正暖通软件，可以得到该状态下空气的含湿量=22.7g/Kg，密度=0.9Kg/m3，水蒸气分压力= 2825Pa。由理想气体方程： （2.1） 可得： （2.2）式中： 、干空气与水蒸气的压力，Pa；湿空气的密度，Kg/m3； 湿空气的容积，m3；、湿空气、干空气与水蒸气的质量，Kg; 、干空气与水蒸气的气体常数，J/(Kg.K)( =287，=461);湿空气的热力学温度，K。将各数据代入（公式2.1）中可求得风量为54000m3/h的入口空气中干空气的质量为：=（800842825）461540000.9/461（800842825）+2872825=47518.289Kg/h，水蒸气的量为=22.747518.289=1078665.16g/h（2）一层廊道末端参数（=54000m3/h， =23，=100%）由干河泵站地下厂房通风空调系统模拟计算报告P14可知，夏季时26的室外进风经廊道处理后到达末端温度降低约3，因而可确定廊道末端空气温度为23，风量仍为54000 m3/h。根据提供的厂房湿负荷数据，可知空气通过廊道后含湿量增加w=769.428g/h。此时空气中的水蒸气含量为：=+=1078665.163 + 769.428=1079434.591g/h而23时，54000 m3/h送风量状态下的饱和空气含湿量为22.6g/Kg，即水蒸气的含量为=22.647518.259=1073912.653g/h。因此可以看出室外空气通过廊道后已饱和并有结露现象发生。一层廊道末端空气参数为=54000，=23，=100%。（3）通风机房出口参数（=54000m3/h， =24，=94.1%）空气经过风机，假定温升t =1，则通过风机后空气温度变为24。该过程没有含湿量的变化，含湿量与一层廊道末端相同。根据=24，=22.6g/Kg利用天正暖通软件查焓湿图可得=94.1%。（4）送风空气参数（=54000m3/h， =24，=94.1%）送风空气参数与通风机房出口空气参数一致。（5）电机层室内空气参数（=54000m3/h，=25.8，=75%）由提供的热、湿负荷资料可知电机层总散热量Q=24.62KW，总散湿量W=4114.936g/h。由公式： （2.3）式中：质量流量，Kg/h;散热量，KW;空气定压比热，1.01 KJ/(KgK)、送风温度与电机层室内温度，。可求得电机层室内温度=360024.62/(1.01540000.9)+24=25.8。电机层空气含湿量由下式确定 （2.4）式中：送风量，Kg/h;散湿量，g/h;、进、出空气的含湿量值，g/Kg。即：