海外重油电站主厂房通风及冷却系统设计浅析 —以塞内加尔某重油发电站项目为例

黄立志1 蒋琛2 周业培3

中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南省长沙市 中国 410000

摘要：简要介绍了某重油电站项目主厂房及空冷散热器的布置，理论分析了电站主厂房通风及主机冷却系统的设计要点，阐述了海外重油电站主厂房通风方式、通风装置及主机冷却设备设计的选取。为类似项目提供参考。

关键词：重油电站、主厂房、通风设计

1.前言

能源是人类赖以生存和发展的基础。随着人类文明进步和社会发展，人类对能源的需求越来越大。以煤炭、石油和天然气为代表的化石能源在能源消费中的主体地位仍不可撼动。自第二次工业革命以来，化石能源的消费量急剧上涨，起初形成了以煤炭为主的消费格局。进入20世纪以后，尤其是第二次世界大战以来，石油和天然气的消费量持续增加，石油取代煤炭成为最主要的能源。迄今为止，石油仍然是最重要的能源^[1]。

重油是原油提取汽油、柴油后的剩余重质油，其特点是分子量大、黏度高。重油的比重一般在0.82～0.95，热值在10.000～11.000 kcal/kg。其成分主要是碳氢化合物，另外含有部分的硫黄及微量的无机化合物。随着世界经济快速发展和对石油需求的不断增长，常规石油储量日益减少，有着巨大勘探潜力和广阔发展前景的重油成为21世纪重要的能源资源之一。

在重油资源富裕的中东及非洲国家重油价格较低，采用重油发电较经济。重油发电机组不仅运行稳定、可靠且可连续运行，同时又能充分利用废气制冷。经多年运行实践证明，重油电站能够产生可观经济效益，并实现能源综合利用效率的提高。对于改善当地经济发展条件、提高人民生活水平，具备积极的促进作用。

鉴于通风方式、装置及主机冷却系统的选取均与工程所在地环境、气象条件有关，故本文以55MW塞内加尔某重油发电站项目为例，浅析国外重油电站主厂房的通风方式、通风装置及主机冷却设备设计的选取，为类似海外项目提供一定的参考。

2.项目概况

项目位于塞内加尔，新建一座55MW级重油电站，主要由6台柴油发电机组和辅助系统组成。重油为主燃料，轻柴油为启动燃料。

项目所在地为非洲热带气候，具体气候条件如下：全年日平均最高气温：33.9 ℃；全年日平均最低气温：20.2 ℃；全年最低气温：7.5 ℃；全年最高气温：47.0 ℃。

3.主厂房布置形式

项目主厂房布置6台重油发电机组及相应的辅助系统，主厂房布置如下：

图
1 主厂房平面布置图

6台机组竖向布置，辅助系统和主机一一对应，辅助系统统一布置在A轴外侧，同时，主厂房左右两侧及发电机组头部预留检修通道。

4.通风量计算

主厂房通风量计算主要是需要确定主厂房设备及管道的散热量和散湿量。设备散热量宜按工艺专业提供的数据确定，如工艺专业无法提供数据时，确定方法包括单位面积法、热平衡法（通风法）、机组效率法和设备散热量线算图法^[2]。

本工程通风量计算采用的机组效率法。

主厂房内的设备及管道散热量主要包括发电机组本体的发电机、发动机部分、保温排烟管道及其他辅助设备的散热量。

1. 发动机散热量

发动机的散热量通常由主机厂家根据当地气候参数提供详细的散热量，本项目MAN主机厂家提供参数，考虑室外最不利环境，当室外环境干球温度为47℃，发动机出力为9450kW（机组100%出力）时，发动机本体的辐射散热量Q₁为247kW，此时考虑发动机所在主厂房的温度为57℃。

2. 发电机散热量

机组的发电总出力 为9450kW，发电效率 为97.8%，发电机的散热量可按下式计算：

根据上式计算，发电机散热量为207.9kW。

3. 保温排烟管道散热量

保温排烟管散热量计算公式如下：

式中：Q_3.1—排烟管散热量（kW）；

L_y—排烟管长度（m），取12m；

式中：t_y—烟气温度（℃），取366℃；

T_in—周围空气温度（℃），取33.9℃；

λ—导热系数（W/（m·℃）），取0.0648；

D— 保温层外径（m），取1.42；

d—排烟管外径（m），取1.22；

α—外表面放热系数（W/（m·℃）），取1.22；

经上式计算，排烟管散热量约为9.95kW。

4. 其余辅助设备散热量

主厂房其余的辅助设备主要包括以下几个部分：润滑油辅助模块、喷嘴冷却模块、缸套水预热模块、油污分离器、HT冷却/预热泵等设备，这些辅助设备的散热量可根据辅助设备的电动率及电机效率来估算确定。本工程单台机组所配套的辅助设备散热量估算如下：

1. 润滑油辅助模块：耗电功率：45kW；散热量：2.25kW；

2. 喷嘴冷却模块：耗电功率：5.5kW；散热量：0.3kW；

3. 缸套水预热模块：耗电功率：12kW；散热量：0.6kW；

4. 油污分离器模块：耗电功率：25kW；散热量：1.25kW；

5. 助推器模块：耗电功率：2kW；散热量：0.1kW；

6. HT冷却/预热泵模块：耗电功率：23kW；散热量：1.15kW。

根据以上统计数据分析，机组辅助系统的总散热量约5.65kW

5. 主厂房总散热量

通过以上计算，该项目单台机组本体部分的散热量为470.5kW。同时考虑主厂房围护结构的辐射得热Q₄。辐射得热按照主厂房与外界的接触面积进行指标估算，围护结构传热系数拟取2W/m²▪℃，主厂房长×宽×高：53.26×30×12.7（m×m×m）。围护结构辐射得热约31.80kW。

主厂房总散热量计算公式如下：

式中：Q—主厂房总散热量（kW）；

Q₁—发动机本体散热量（kW），单台发电机组取247kW；

Q₂—发动机本体散热量（kW），单台发电机组取247kW；

Q_3.1—排烟管散热量（kW），单台发电机组取9.95kW；

Q_3.2—辅助设备散热量（kW）；

Q₄—主厂房辐射散热量（kW）；

通过计算，主厂房散热量约为2854.86kW。

6. 通风量计算

主厂房通风量按照排除余热所需风量和满足主厂房通风换气次数30次/h的较大值确定^[3]，

为保证机组安全运行，根据设计最不利条件，进风温度T_in取全年最高气温：47.0 ℃；排风温度T_out取T_in+10℃。通风量计算公式如下：

式中：L—主厂房通风量（m³/h）；

C—空气比热容（kJ/(kg*℃)）；

—空气密度（kg/m³）；

根 据以上公式进行计算，主厂房内单台机组散热所需风量约159139m³/h，主厂房满足设备散热要求所需总通风量所需约954834m³/h。

同时根据2019 ASHRAE HANDBOOK手册要求，主厂房的通风换气次数不少于30次/h，主厂房建筑长宽高尺寸分别为：53.26×30×12.7（m×m×m）,所需通风量为608761m³/h。

根据上述计算，通风量取排除散热及满足通风换气次数要求的两者较大值，主厂房满足要求所需总通风量不小于954834m³/h。

5.通风气流组织设计

从通风方式初投资、运行成本、运行管理及运行效果等角度考虑，同时由于项目所在地室外空气含尘量较为严重，主厂房内尽量保持微正压。项目采用机械进风、自然排风的通风方式。考虑，良好的通风气流组织，具体布置如下：

图 2 0.00m层通风设备布置图

主厂房主要设备散热量为发电机组的发动机部分和发电机部分，两者散热元件均位于发电机组的机头侧，因此，0.00m层A排柱外，每台发电机对应设置2台轴流风机箱（每台风机L=60000m³/h，H=250Pa）。E排柱外，辅助设备用房墙外，每台柴油发电机对应设置1台轴流风机箱（每台风机L=60000m³/h，H=250Pa）。0.00m层共设置18轴流风机作为机械送风设备。

考虑门窗等渗透排风及保证室内微正压的要求，设计排风量为进风量的80%，排风量约为86400m³/h。排风通过设置在屋顶层的成品屋顶自然通风器排出，通过计算，成品屋顶自然通风器喉部尺寸4.5m，总长度45m。布置于主厂房屋顶屋脊位置。保证在每台机组的证上空位置。

室外空气通过布置于主厂房0m层两侧的轴流送风机进入主厂房内，送风口靠近散热量大的设备区域，带走设备散热，同时通过热压和风压作用，热空气从屋顶自然通风器排出。形成较好房间气流组织，顺利排出室内余热，

图 3 通风气流组织剖面图

6.空冷散热器布置与选型

图 4 主厂房与空冷散热器相对位置平面图

国外重油电站地处偏僻，水源往往比较匮乏，因此空冷常成为主机冷却系统的首选。在本项目中，6组散热器一一对应6台重油发电机组，每组散热器由4台独立的散热器组成。散热器与主厂房纵向布置在一条中心线上。散热器与主厂房之间布有烟囱、余热锅炉等配套设备。散热器与主厂房之间冷却水管同排烟管协同布置。

在设计过程中，空冷散热器的选取是根据主机厂家提供的高、低温冷却水量、温度、散热量及环境温度计算出换热面积，然后依据主厂房的布置位置推出整套散热器的布置形式并完成选型。

7.结论

海外重油电站主厂房通风主要考虑是主厂房设备布置形式及设备散热的分布情况。主厂房的散热量分布主要位于发电机组本体的发电机侧（约占总散热量40%），发动机侧（约占总散热量50%）及辅助系统侧（约占总散热量10%）。而空冷散热器的布置形式基本与主机的布置方式保持一致，并且在主机冷却方面相对湿冷约可节约65%的用水量^[4]。

根据主厂房内部设备的散热量分布，合理布置通风机的风量和位置，送风风机布置宜直接直吹散热量大的位置。根据这一原则，机组机头侧0.000m层位置布置2台送风风机（占总风量的2/3），机组尾部0.000m层位置布置1台送风风机（占总风量的1/3）。同时利用热压和风压共同作用，通过屋顶布置的成品通风器，排出热空气，形成较好的气流组织，保证机组的正常运行。

本文以塞内加尔某55MW重油发电站项目为例，对海外重油电站的主厂房设备散热量分布及通风设计进行简要探讨分析，为以后类似海外项目的设计开展提供一定的参考。

参考文献

1 黄立志 ,男，1992.12.07，汉，湖南省邵阳市，硕士研究生，工程师，主要研究方向暖通空调设计，1310659108@qq.com

2 蒋琛，男，1991.06.02，汉，河南省商丘市，硕士研究生，工程师，主要研究方向给排水及水处理设计，

3 周业培，男，1986.11.02，土家族，湖南省怀化市，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向暖通空调设计，

1^] 林卫斌，陈丽娜. 世界能源格局走势分析[J], 开放导报, 2016.05

2^[] 中国电力工程顾问集团有限公司, 电力工程设计手册‘火力发电厂供暖通风与空气调节设计’[M], 中国电力出版社, 2017

3^[] 2019 ASHRAE HANDBOOK, Heating, Ventilating, and Air-Conditioning applications[M], 2019

^[4] 王佩璋，王芳. 空冷散热器及其装置在火电厂上的应用与效果[J], 电站辅机, 2000.12

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