伯努利方程在高塔电梯井筒的通风口防水中的应用.pdf

Equipment Manufacturing Technology No.7袁20230引 言500 kV 输电线路是舟山与大陆联网的主要供电线路，是舟山电网负荷的生命线，因为舟山群岛特殊海岛地理环境的限制，输电铁塔采用大跨越导线输电，其中最高的 380 m 高塔是世界第一跨海输电高塔，在基础施工、立塔架线方面创造了 10 项世界之最，作为浙江省防恐重点单位，有着极为特殊的地位。高塔电梯位于电梯井筒内部，上升高度可达293 m。293 m 的高度仅通过人力攀登进行运检工作难以实施。高塔电梯作为该基铁塔的附属设施，用来辅助运维人员登高。由于高塔电梯整套设备位于海边，环境气候恶劣，随着电梯使用率逐年增加，该处电梯故障率居高不下，平均 5 个月运行故障率为 24.1译，难以满足运行单位 1.66译，其要因是电梯通风口进水受潮致使控制部件系统性故障，需要针对控制部件受潮进行治理，以满足运行单位对于故障率的要求。首先对电梯井筒积水与电梯故障率的关联性进行评估，然后对井筒内部气体流动规律进行分析，借鉴文献1-6在电梯井筒通风口处基于伯努利方程建立气体流动的数学模型并进行理论验算，然后根据验算结果定制 L 型防水装置并进行安装现场，最后通过5 个月时间与 2021 年同期相比对通风口进水结果进行评估，良好防水效果表明基于伯努利方程的气体流动理论的科学性。1电梯井筒积水与电梯故障率的关联性评估分析在舟山市年鉴里查询 2019 年-2021 年舟山地区的月均降雨量，并绘制了统计表（表 1）。根据运行经验，雨季里面一个月电梯井筒底部积水约 3 cm，舟山雨季月均降雨量为 150 mm，对照近 3年的月均降雨量，可列出积水与故障率的统计表（表2）。伯努利方程在高塔电梯井筒的通风口防水中的应用冯治，程林，李夯，赵贺，常城铭（国网浙江省电力有限公司舟山供电公司，浙江 舟山 316000）摘要：500 kV 输电线路是舟山与大陆联网的主要供电线路，是舟山电网负荷的生命线，其中最高的 380 m 高塔是世界第一跨海输电高塔。高塔电梯位于电梯井筒内部，上升高度可达 293 m。高塔电梯整套设备位于海边，环境气候恶劣，随着电梯使用率逐年增加，该处电梯故障率居高不下，近几年平均 5 个月运行故障率为 24.1，难以满足运行单位对 1.66故障率的要求，其要因是电梯通风口进水受潮致使控制部件系统性故障，需要针对控制部件受潮进行治理，以满足运行单位的需求。该文首先对电梯井筒积水与电梯故障率的关联性进行评估，根据评估结果对井筒内部气体流动规律进行分析，在电梯井筒通风口处基于伯努利方程建立气体流动的数学模型并进行理论验算，然后根据验算结果定制 L 型防水装置并进行安装现场，最后通过 5 个月时间对通风口进水结果及运行故障率进行评估，良好防水效果确保电梯可靠运行，表明基于伯努利方程的气体流动理论的科学性。关键词：伯努利方程；数学模型；高塔电梯井筒；防水中图分类号：TU973文献标志码：A文章编号：1672-545X（2023）07-0224-03收稿日期：2023-03-05基金项目：舟山供电公司群创项目（IRT1114）第一作者：冯治（1988-），男，浙江普陀人，硕士研究生，工程师，研究方向：输电运检.表 12019-2021 年舟山地区的月均降雨量（mm）年月1 月2 月3 月4 月5 月6 月202117.9277.2653.2768.98154.52165.66202026.371.5124.9108.9110.4168.5201964.875.8122.3108.9117183.8年月7 月8 月9 月10 月11 月12 月2021290.79159.39109.7140.298.78.72020107.4139.413888.870.155.32019125.1158.112184.72426.5224装备制造技术 2023 年第 7 期将电梯井筒积水与故障率进行拟合如图 1，获取相关性的系数，并且评估在满足故障率的前提下，可以承受的积水深度。电梯井筒积水与故障率正相关性很强，决定系数0.867，根据评估结果当故障率为 1.66译，积水深度为6.1 cm。2基于伯努利方程建立气体流动模型电梯井筒积水主要通过井筒的通风口。在下雨的时候，雨水被吸入井筒中，导致井筒内的控制部件锈蚀短路，受潮程度从井底积水程度可以判断。根据上文的评估，为满足 1.66译的故障率，需要让从通风口的进水降低，井筒积水小于 6 cm。筒材料是钢材，比热容小于空气，287 m 钢制铁桶使得使得电梯井筒的比热远远小于大气环境。当环境温度 T1小于塔内温度 T2时，热气上升，同时根据气体状态方程，压强增大，井筒高处的通风口的热气往外喷出，井筒底部的通风口吸收外界大气的气体，晴天时塔内气体流动方向如左侧箭头所示。阴雨天时相反，塔内气体流动方向如右侧箭头所示，见图 2。首先假设当流动为无旋流动或螺旋流时，伯努利定理在整个流场内成立，伯努利常数在流场各点取相同值7-9。伯努利原理往往被表述为伯努利方程，p 为流体中某点的压强，v 为流体该点的流速，籽 为流体密度，g 为重力加速度，h 为该点所在高度，C 是一个常量。它也可以被表述为：p1+12籽1v21+籽1g1h1=p2+12籽2v22+籽2g2h2（1）另一个伯努利公式S1v1=S2v2（2）其中 S1为井筒内面积，S2为井筒外面积。假设电梯井筒内部为 p1+12籽1v21+籽1g1h1，电梯井筒外部为 p2+12籽2v22+籽2g2h2，鉴于通风口处内外势能相等，即 籽1g1h1=籽2g2h2，同时相同的高度空气的密度必然也相同，即 籽1=籽2，那么将公式（1）转化后为：p1-p2=12籽（v22-v21）（3）将式（2）和式（3）结合后，可转化为：p1-p2=12籽v21（S21S22-1）（4）以上为小组对高塔电梯井筒上部位置空气流动状态量的分析。小组对电梯井筒内部气体流通进行进一步分析。根据气体状态方程：pV 越M滋RT（5）其中 p 为电梯井筒内部气体的压强；V 为电梯井筒内部气体体积，m3；T 为温度，K；R 为摩尔气体常数（也叫普适气体恒量,单位为 J/（mol K）。R 为普适气体常数，其取值与状态参量的单位有关，在国际单位制中 R=8.31 J/（mol K），那么：pT越 C（6）式（6）表明电梯井筒内部气体压强与气体温度成正比，而温度的变化起因为吸放热量引起，再分析比热容：Q=cm驻T（7）式中，Q 为吸收（或放出）的热量；m 是物体的质量；驻T是吸热（或放热）后温度的变化量；比热容（SpecificHeat Capacity），用符号 c 表示，又称比热容量，J/（kg 益）。根据以上分析可知：吸收相同的热量，不同比热容导致上升温度有温差，反之亦然。进而产生不同的压强，这就是电梯进水受潮的主要原因。当电梯通风口内外产生的压强差足以把雨水吸入电梯内部时，各种配件受潮失效是必然的结果。为方便计算足以抵抗万有引力吸入雨水的压强，表 2各时期电梯井底积水与故障率的统计结果运行时期电梯井筒积水/cm故障率/译2021.06-2021.102021.01-2021.052020.08-2020.122020.03-2020.072019.09-2020.0217.37.49.812.47.0824.111.517.114.77.4图 2塔筒内气体流动模型环境温度 T1塔内温度 T2图 1电梯井筒积水与故障率二次拟合关系y=0.0205x2-0.0377x+6.1396R2=0.8670510152025故障率/译20151050225Equipment Manufacturing Technology No.7袁2023先进行一个假设，小水珠为半径 1 mm 的球体，根据二力平衡原则进行分析p=mgS=籽VgS越43籽Rg=9.8 伊43N/m2（8）也就是说，电梯井筒内外气压差只有在小于等于p1-p2臆 9.8 N/m3，根据公式（3）得：12籽v21（S21S22-1）臆 9.8 伊43N/m2（9）转变公式（9）可得如下公式：S19.8 伊43伊 2籽v21+1姨臆 S2通过资料获取空气密度为 1.29 kg/m3，根据风等级井筒内风速 V1=3 m/s-10 m/s，那么为了充分利用重力，外部面积与内部通风面的比值为：11.8：11.1取上限外部通风面积应为 0.55 m2的内部面积，为保证阻水效果，采取阻水片的面积为 0.5 m2的通风面积。设置 2 片阻水片，一片阻水面积占防水罩内部的50%，2 片阻水面积可以达到 100%。消除部分雨水被吸入塔筒内极端的可能性。3安装及测试评估2022 年 5 月份，组织人员对高塔通风口安装 L型防水装置（图 3、4）。安装完成后，通过 5 个月观察，电梯井筒底部只有 5 mm 左右薄薄一层积水，表明通风口未吸入水汽。2022 年 6 月至 10 月，高塔电梯未发生运行故障。表 3 表明 L 型防水装置安装完后，电梯井筒基本没有积水（仅仅 5mm），与 2021 年同期相比，高塔电梯未发生运行故障，L 型防水装置具有良好的防水效果，有效保障电梯平稳的运行。4结 语通过相关性拟合确认电梯系统故障的具体原因。利用经典流体力学的伯努利定理及气体状态方程确定问题解决的方法，并创新设计 L 型防水装置落实伯努利定理来减少压差，有效解决电梯井筒受潮的情况，大大降低了电梯运行的故障率，保证了电网安全稳定运行。提供的改进方案简单，成本低廉，且易于推广应用，理论计算的数据可以同类问题的解决提供重要参考。参考文献：1 何运兵，兰善红援浅谈伯努利方程的应用J援山东化工，2015，11（21）：81-82援2 杨成建，王云中，刘伟，等援伯努利方程验证实验及装置改进J援实验技术与管理，2012，29（10）：81-85援3 杨中华，李怀军，梁涛，等援伯努利方程在燃油供给系统中的应用J援装备制造技术，2017，27（10）：132-135援4 徐维铮，吴卫国援基于伯努利方程舱室内爆炸准静态泄压过程研究J援应用力学学报，2019，36（6）：1504-1508援5 郑永令援流体流动状态与伯努利方程J援大学物理，1994，13（8）：1-4援6 于岩斌，芮君援数值实验在流体力学实验教学中的应用探讨J援力学与实践，2019，41（5）：615-619援7 张英.工程流体力学M.北京：中国水利水电出版社，2002.8 郭荣良.流体力学及应用M.北京：机械工业出版社，1996.9 陈卓如.工程流体力学M.北京：高等教育出版社，1992.图 3安装后通风口图 4安装前通风口表 3不同时期积水对比运行时期/month井筒积水/mm2022.06-2022.1052021.06-2021.10173226