水电站厂房通风除湿设计探讨

水电站厂房通风除湿设计探讨

庞琦

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安710065

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，水电站建设越来越多。结合结露原理，对水电站厂房内冷表面温度变化及室内空气状态点变化特性进行分析，得出影响水电站内冷表面结露的主要因素为室内空气的露点温度，提出了减少水电站内结露现象的通风设计要点，通风除湿设计中应避免使得室内空气温度升高、湿度增加。本文首先分析通风空调设计方案，其次探讨结露原理及影响因素分析，最后就水电站厂房通风除湿设计进行研究，应根据不同地区的湿度情况进行技术经济比较后再选择相应的通风除湿方式。

关键词：水电站；通风；除湿

引言

水电站发电厂房特别是水轮机层、蜗壳层等大多处于地下，若通风系统运行效果不佳，厂房内夏季容易产生闷热潮湿的感觉，影响设备运行以及运维人员的舒适度。为能及时排出厂内产生的热湿空气，在老旧电站新增通风系统或对已陈旧老化的通风系统进行重新改造很有必要。相比于新建电站，旧水电站厂房通风系统改造时，机电设备已安装完成，厂房空间较为局促，若按传统做法新增送排风风管，往往空间受限，难以布置。诱导通风系统无需增设风管，具有安装灵活、不受空间限制、占用位置少等优点，可适用于发电厂房内的通风系统改造。

1通风空调设计方案

地下厂房充分利用进风道天然的夏季降温去湿、冬季预热作用，降低通风空调系统能耗，采用以机械通风为主，空调和除湿为辅的通风空调方案。利用进厂交通洞作为地下厂房的主进风道，洞内设置射流风机作为进风接力风机，另将厂区进风洞作为地下厂房的辅助进风道。利用厂区排风洞作为地下厂房的主排风道，将出线竖井作为地下厂房和出线道的排风道，地下厂房形成“两进两排”的气流组织。

2结露原理及影响因素分析

2.1水电站内冷表面温度变化分析

当冷表面温度低于室内空气露点温度时，即可发生结露现象。对于水电站中的水轮机层、蝶阀层等，夏季由于水电站内地下维护结构的蓄热特性，表面温度一般较低，同时，在水轮机层、蝶阀层内水管路和用水设备较多，同样使得管路和设备表面温度亦容易低于室内空气温度。当墙壁表面或管路设备表面温度低于室内空气露点温度时，即会发生表面结露现象。墙壁表面温度主要与地下维护结构特性及传热状态等有关，水管路表面温度主要与输送介质有关，在电站运行过程中，维护结构特性及管道内介质温度可视为不变，故冷表面温度可视为不变，是否结露主要取决于室内空气自身露点温度的高低变化。

2.2诱导风机应用关键影响因素分析

不同于常规通风系统采用管道系统进行气流的汇集，诱导风机利用射流原理诱导室内气流向指定方向流动，并通过前后风机之间的“接力”使得气流向前推进，如何保证气流的连续性是影响风机应用效果的关键。由式（1）可知，射流轴心速度随着射流距离增大而降低，卷吸能力减弱，若两台风机纵向接力间距较远，风机可能无法接力；另一方面，根据射流圆断面直径计算式（3）结合图1，诱导气流随着射流距离的增大，气流直径将会不断增大，若在射流向前推进过程中，射流下方受到障碍物的遮挡，将会对射流的向前传播造成阻碍，影响射流推进效果。以上两点，均可能减弱气流向前推进的作用或阻断气流的连续流动，使得诱导风机的作用降低。

2.3冷表面结露影响因素分析

冷表面发生结露主要是因为冷表面温度低于露点温度，而由2.1节分析可知冷表面温度在电站建设完成后一般保持稳定状态，为定值。因此，是否会结露主要与室内空气温度的露点温度高低有关。当室内空气状态点发生变化，露点温度升高时，冷表面温度会更容易低于露点温度而造成结露现象。为减少室内空气接触冷表面而发生结露的现象，应尽量避免室内空气状态点的变化造成露点温度的升高。由2.2节分析可知，当室内空气湿度不变，温度上升，或室内空气温度不变，湿度增加时，对应的露点温度均会升高，故为减少冷表面结露，应避免室内空气状态点温度升高或湿度增加。

3水电站厂房通风除湿设计

减少室内空气在室内冷表面结露，应避免空气露点温度的升高，即要避免室内空气状态点温度升高或湿度增加。在水电站通风设计中，可从以下几方面进行考虑：

3.1主机间通风空调系统

主机间需进行通风空调系统设计的区域自上而下分别为发电机层、水轮机房和球阀层。主机间采用串联式通风系统，空气取自进厂交通洞，由安装于副厂房的两台水冷单元式空调机组处理空气后，气流通过主机间拱顶网架上的空调送风管顶送至发电机层，而后通过夹墙风管及壁式轴流风机将发电机层的大部分空气分别送至水轮机层和球阀层，球阀层的空气在进行通风换气和吸热吸湿后，汇总至水轮机层。由于主机间发电机层及水轮机层设备发热量较大，仅通风系统无法满足夏季厂内温湿度设计要求，因此需要增设空调系统。主机间发电机层采用两台的水冷单元式空调机组供冷，通过发电机层拱顶空调送风管顶送至发电机层。水轮机层设置水冷单元式空调机组，安装于发热量大的电气设备附近。发电机层和水轮机层的水冷单元式空调机组的冷却水均取自全厂公用冷却供水管，冷却水经空调设备换热后排至尾水洞。此外，对水轮机层和球阀层的散湿量较大区域，按机组段设置除湿机进行除湿，除湿机的冷凝水均排至夹墙排水沟。

3.2避免室内空气温度升高

根据大部分水电站的设备布置，一般下部为蝶

阀层、水轮机层，温度较低，上部为出线层、发电机层，由于设备发热等使得空气温度较高，整体来看，厂内空气温度呈现下冷上热的情况。相对湿度一定情况下，可避免由室内空气温度升高造成的空气露点温度升高，从而避免冷表面温度低于空气露点温度而引起结露。因此，在水电站的通风设计中，一方面，可将蝶阀层、水轮机层等温度较低位置的通风与发电机层、主机间等温度较高的部位分开设置，避免不同区域的温度、高低不同的空气混合造成室内空气状态参数朝着露点升高的方向变化；另一方面，若厂房条件不允许，特别是埋深在地下的发电厂房，蝶阀层、水轮机层等一般难以直接设置单独的通风系统，在通风系统的气流组织设计时，应考虑将室内空气由温度较低区域引至温度较高区域，例如可将蝶阀层、水轮机层的低温空气排至母线层等温度较高区域，避免将母线层等温度较高的空气引入蝶阀层、水轮机层而引起蝶阀层、水轮机层位置的空气状态点温度升高，更易引起结露。

3.3诱导风机在水电站通风改造中的应用

（1）对于母线层、中间层等电气设备较多的房间，应尽量在设备间通道或人行通道上方布置诱导风机，从而可避免诱导风机气流受到下方设备的阻断；若两台风机前后之间有障碍设备遮挡，可缩短风机之间的纵向接力间距，再结合实际设备高度和风机间距校核下方空间是否满足要求。（2）对于水轮机层等房间，若电气设备较少，空间较充足，可按10m最大接力间距进行布置，从而减少诱导风机的选用台数，减少设备投资。（3）如图1所示，风机射流断面直径与风机纵向接力间距成正比，风机间距越小，则射流断面直径越小，风机下方净空要求越小。故对于层高较低楼层，可适当缩短诱导风机接力间距，减少最大射流半径，避免层高空间较低对风机的射流传递产生影响。

图1射流断面直径随射流距离增大的变化

3.4通风模式

沿廊道长度方向布置若干自然通风管至坝顶;将加压送风管延伸至廊道,并设置常开电动防火阀,加压送风系统至楼梯间的支管设置常闭电动防火阀;将连通大坝廊道与厂房的连通通道中的安全门设置为电动安全门。廊道通风模式主要有4种:1)模式一:联合自然通风模式。电动安全门处于开启状态,且厂房处于负压状态,关闭加压送风风机、常开电动防火阀和常闭电动防火阀。2)模式二:机械通风和自然通风耦合模式。电动安全门处于开启状态,且厂房处于负压状态,开启加压送风风机和常开电动防火阀,关闭常闭电动防火阀,大坝廊道分别通过连通通道和自然通风管实现与厂房和室外通风;3)模式三:独立自然通风模式。电动安全门处于关闭状态,关闭加压送风风机、常开电动防火阀和常闭电动防火阀。4)模式四:独立机械通风模式:电动安全门处于关闭状态,开启加压送风风机和常开电动防火阀,关闭常闭电动防火阀。常规状态为联合自然通风模式(模式一),厂房在自排风作用下处于负压状态,通过自然通风管将室外空气引入廊道,在廊道冷却后流入厂房,降低厂房空调系统的新风负荷。机械通风和自然通风耦合作用下的通风模式(模式二),开启加压送风风机为廊道送风,可加大进入厂房的通风量。

3.5通风除湿系统的选择原则

通风除湿方式采用引入室外新风，新风的引入会将室外空气湿度带入室内，针对不同室外湿度地区，应根据不同的湿度大小进行除湿方式的选择。（1）室外湿度较高地区。当室外空气含湿量较高，且大于室内设计状态点含湿量，即Δd≤0，此时采用直接引入新风的方式不仅不能消除室内湿负荷，反而还可能造成室内含湿量升高，相对湿度增大，引起露点温度升高，更容易发生结露现象。此时不应直接引入新风，可利用除湿机对新风进行预处理，使其含湿量低于室内空气含湿量后再送入室内。（2）室外空气湿度较低地区。当室外空气含湿量相对较低，小于了室内设计状态点的含湿量，即Δd>0，可直接采用通风方式带走室内湿量，但若室外空气含湿量与室内含湿量差值Δd较小，由式（1）可知计算出通风量G会较大，风量过大会造成通风系统的经济性、舒适性等降低，可行性不高，故此时应综合通风量、系统投资等进行经济性和可行性考虑分析，选择采用直接通风方式除湿或先进行室外空气预处理后再送入室内。（3）干燥地区。当电站位于干燥地区，室外湿度远小于室内设计湿度，则可直接引入室外新风与室内空气混和，达到消除室内湿负荷的目的，使得室内状态点能满足设计要求。

3.6出线竖井通风系统

水电工程的出线竖井通常采用下进上排的通风方式，排除出线竖井的发热量和有害气体。工程220kV出线竖井和中低压电缆井均采用下进上排的通风方式，排风机设置于顶部风机房，进风取自灌排廊道，连接进厂交通洞。由于220kV出线竖井和中低压电缆竖井的高度约280m，竖井内已设置有细水雾灭火系统，因此结合竖井内隔断布置情况，采用防火阀分隔为8个保护区，出线竖井隔断平台典型布置见图2所示。出线竖井平时为串联式通风系统，防火阀均为开启状态；火灾时，自动关闭着火区域上下分隔处的防火阀，停止通风系统；火灾后，打开着火区域上下分隔处的防火阀和顶部排风机进行事故后排风。

图2出线竖井隔断平台典型布置图

3.7方案优化建议

为便于分析,笔者引入“等效节能冷量”,其定义为:相同质量流量的厂房内空气的热量与进入厂房的新风热量的差值。不考虑廊道湿度过大的工况,仅分析新风质量流量与温度带来的等效节能冷量。不同模型下进入厂房的廊道空气流量、温度及等效节能冷量如图3所示。可见:模型C通风管(竖井)至连通通道等效平均距离与原模型接近,但廊道空气流量比原模型增加17%,等效节能冷量比原模型高21%;对于只有1个自然通风管的模型A~模型D,通过连通通道进入厂房的空气质量流量随着自然通风管至连通通道距离的减小而增大,且空气温度随之升高,等效节能冷量随之降低。因此,在自然通风管总横截面积相同的前提下,建议适当减少自然通风管(竖井)数量;在土建条件允许时,建议适当增大自然通风管与厂房连通通道的距离。

图3进入厂房的廊道空气流量、温度及等效节能冷量

3.8风机下方净空要求

射流由出口射出后，卷吸周围空气成为一个直径不断扩大的气柱。紊流系数、出口直径均可视为固定值，射流断面直径与射流距离成正比，随着射流距离的增大，断面直径亦不断增大，射流范围不断扩大。射流距离与射流断面直径的变化风机射流距离最大值为10m，当射流距离为10m时，射流断面直径为5.6m。对于贴附射流，风机下方所能覆盖的范围为射流直径的一半。故当风机纵向布置距离为10m时，为使得诱导风机的自由射流不受干扰或阻断，应满足顶棚下方距离为2.8m的净空空间内无明显障碍物的遮挡。同理，当风机射流距离减小，射流圆断面最大直径减小，射流覆盖范围减小。即当风机布置纵向接力距离缩短，风机下方所需的净空空间相应减小，下方障碍物高度限制可增大。例如若电气设备高度高于顶棚下2.8m的空间，则诱导风机布置时，前后风机的布置的最大距离应小于10m，同时再根据实际的布置间距校核射流的最大直径，确保风机射流不被下方障碍物遮挡。

3.9对大坝廊道通风模式

坝后厂房工程廊道通风系统利用自然通风埋管,形成了联合自然通风模式,既能够为厂房提供温度相对较低的新风,又能够改善廊道空气质量;利用廊道楼梯间加压送风系统可以增大通过廊道进入厂房的新风风量,在一定程度上降低厂房通风空调系统的运行能耗。保证通风管总横截面积一定的前提下,适当减少自然通风管(竖井)数量,可提高等效节能冷量近20%;在土建条件允许时,适当增大自然通风管(竖井)与连通通道的距离。

结语

地下厂房充分利用进风道天然的夏季降温去湿、冬季预热作用，降低通风空调系统能耗，采用以机械通风为主，空调和除湿为辅的通风空调方案。地下厂房通风系统充分利用岩壁夹墙内空间安装通风管道，提出夹墙风管方案，节省厂房内的安装空间。空调系统采用水冷单元式空调机组和多联机空调，布置灵活、节能高效。通风空调系统总体上经济合理、稳定可靠。风机的射流断面直径随射流距离增大而增大，直径越大，风机下方净空要求越大。空间净空较低时，为保证射流不被阻碍，可适当减小风机接力间距来降低净空要求。水、发联轴螺栓预紧力程度不够是机组带负荷后出现水力不平衡的根源，其特点为上机架水平振动和上导摆度中出现一个在转频和2倍转频之间且频率大小变化的振动分量。机组在检修过程中，重要部位的连接螺栓要用专用工具按要求进行预紧；同时做好机组拆解过程重要位置的标识、标记，并作为回装的依据和参考。

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