暖通专业在风冷式柴油发电机房设计中的几个问题

张敏敏

(天厦建筑设计(厦门)有限公司　福建厦门　361000)



暖通专业在风冷式柴油发电机房设计中的几个问题

张敏敏

(天厦建筑设计(厦门)有限公司福建厦门361000)

文章论述了暖通专业在风冷式柴油发电机房设计中的几个问题，包括风冷柴油发电机组冷却方式的工作原理、机房通风量的计算、平时通风系统、机房进风系统、油罐通气管的设计，并对设计中数据的选取、计算方法、规范要求进行了详细的介绍。

风冷式柴油发电机组；通风量；进风系统；油罐通气管

0　引言

柴油发电站是为了当市电检修或故障时启动内部电源,保证工程应急用电设备能正常运行。目前民用建筑中柴油发电机房的位置较多设计在地下室，且采用风冷的形式冷却。即采用表面式风冷散热器，冷却水冷却柴油机后，进入柴油机前端的表面式风冷散热器，冷却风扇由柴油机主轴带动，设在散热器和柴油机端头之间。冷却水的热量由风速吹动的空气带走，冷却后再回到柴油机，不断循环。所以电站内适宜的空气环境是确保机组正常运行的前提。

为了保证柴油机正常工作，并保持好的热效率，一般柴油机的进水温度为40℃～60℃，出水温度为55℃～85℃，最高不超过90℃。所以风冷系统中控制机房环境的空气温度就足够将柴油机的冷却水闭式循环系统冷却。但柴油发电机机头散热器的排风量在环境温度不同时，所需排风量也会不同，所以在查样本的排风量时也要根据设计中所控制的机房温度进行选择。

上述只是对机组的冷却方式进行介绍，当然对于暖通专业来说对柴油发电机房的设计内容中还包括机组的降温、烟囱的设计、消声的设计、油罐的通气管等等。这些在设计中都需经过详细计算、遵循相应的规范等来确定。笔者对目前设计中几个常见问题的数据选取、计算方法、规范要求进行详细的介绍。

1　柴油发电机房通风量的计算

根据GB50038-2005《人民防空地下室设计规范》中5.7.2.1条规定：“当柴油发电机房采用空气冷却时，按消除柴油发电机内余热计算进风量”，5.7.2.3条规定：“排风量取进风量减去燃烧空气量”[1]。且根据全国民用建筑工程设计技术措施/防空地下室(2009年版)的规定：“如果柴油机机头散热器热量由直接和散热器连接的排风管排至室外，机房余热量还是按柴油机散热量、发电机散热量和排烟管散热量三部分计算。这时机房进风量应分别考虑机头散热器排风量和排除机房余热进风量的大小。哪个大取哪个。”[2]

笔者认为，如果机头散热器的排风量达不到消除机房余热量，则机房的室温达不到所控制的温度，这样机头散热器的环境温度可能会达不到设计的工况，即无法满足机组散热的要求。所以在通风量的取值中还是要根据机头散热器的排风量和排除机房余热进风量进行对比，哪个风量比较大取哪个值。现以位于厦门的某项目1台150kW的柴油发电机组举例说明计算过程。

1.1设计参数

根据柴油发电机组厂家的样本、国家标准图集04DX101-1《建筑电气常用数据》、全国民用建筑工程设计技术措施/防空地下室(2009年版)及相关规范，确定设计的基本参数如下：

发电机额定输出功率P=150kW；发电效率η2=92.4%；柴油机额定功率Ne=176.5kW；柴油机工作时的散热系数η1=4.2%；排烟温度：ty=551℃；排烟流量：Vy=1306.8m3/h；排烟管在机房内架空敷设的长度：L=10m；燃烧空气量：Lr=518.4m3/h；冷却空气量(40℃环境散热量)：Lq=19044m3/h；机房内设计空气温度(人员隔室操作)：tn=40℃；室外夏季通风计算温度(参考厦门)：tw=31.3℃。

1.2烟囱直径的确定

烟囱的直径计算和管路设计也是通风量计算中非常重要的一部分。当烟囱出口烟气流速小于等于当地风速时，流出 烟囱的烟气不能形成向上浮动的气柱，而呈旋流形成下沉，即形成“下沉”现象，这会使烟囱产生抽力的几何高度实际被降低，不利于烟气的排放，所以在可能条件下应尽量选取高的烟气流速，当然也必须兼顾到环保的要求。而且高的烟气流速可减少烟囱直径，能消除烟囱出口烟气流“下沉”现象，能有效地减少烟囱内部灰尘的沉积量[3]。

根据化工工艺设计手册(第四版)中的烟囱出口烟气流速要求如表1所示：

表1　烟囱出口烟气流速　m/s

注：流速选用时，考虑到以后改造负荷增大的可能，故不应取上限值。但为防止空气倒灌，出口最小流速不宜小于2.5～3m/s。

经过以上分析，确定烟囱的出口烟气速度为18m/s。且根据化工工艺设计手册(第四版)中烟囱直径计算公式：

(1)

式中：Vy——额定负荷下的烟气流量(m3/h)；

w——烟囱出口烟气流速(m/s)；

d——烟囱的内直径(m)。求得d之后进行圆整，取常用的圆筒规格尺寸。

通过计算确定取公称直径为DN150带衬里的不锈钢管，壁厚为4.5mm。

1.3柴油机的散热量计算

根据全国民用建筑工程设计技术措施/防空地下室(2009年版)的计算公式如下：

Q1=η1qNeB/3 600=0.042×41 870×176.5×0.23/3 600=19.83kW

(2)

式中：Q1——柴油机的散热量(kW)；

η1——柴油机工作时向周围空气散热的热量系数(%)；

q——柴油机燃料热值，可取q=41870kJ/kg

Ne——柴油机额定功率(kW)；

B——柴油机的耗油量[kg/(kW·h)]。

1.4发电机的散热量计算

根据全国民用建筑工程设计技术措施/防空地下室(2009年版)的计算公式如下：

(3)

式中：Q2——发电机工作时的散热量(kW)；

η2——发电效率(%)；

P——发电机额定输出功率(kW)。

1.5柴油发电机排烟管的散热量

标准图集15D202-2《柴油发电机组设计与安装》中排烟管保温厚度选择表已经列出保温厚度的取值。根据本项目排烟温度为551℃，公称直径为DN150可直接选取保温层及厚度。保温层采用2层，即接触管壁的1层为硅酸铝纤维毡，厚度为40mm，导热系数λ1=0.14W/(m·K)；外包1层岩棉毡，厚度为60mm，导热系数λ2=0.03W/(m·K)。

由以上已知条件可得排烟管单位长度散热量为：

(4)

式中：qe——排烟管单位长度散热量(W/m)；

ty——排烟管内的烟气计算温度(℃)；

tn——排烟管周围空气温度，即机房内温度(℃)；

λ1——排烟管第1层保温材料导热系数[W/(m·K)]；

λ2——排烟管第2层保温材料导热系数[W/(m·K)]；

D1——排烟管第1层保温层外径(m)；

D2——排烟管第2层保温层外径(m)；

d——排烟管外径(m)；

α——排烟保温层外表面向周围空气的放热系数[W/(m2·K)]。

即排烟管的散热量为：

Q3= L×qe=10×0.462=4.62kW

(5)

式中：Q3——排烟管的散热量(kW)；

L——排烟管在机房内架空敷设的长度(m)。

1.6排除机房内余热的通风量

排除机房内余热的通风量按下式进行计算：

13 107m3/h

(6)

式中：Lyu——排除机房内余热所需通风量(m3/h)；

c——空气比热容(1.01kJ/kg·℃)；

ρ——空气密度(kg/m3)。

1.7柴油发电机房通风量

由上述计算，排除机房内余热的通风量为Lyu=13 107m3/h，但从样本上查询到在40℃环境散热量所需的冷却空气量：Lq=19 044m3/h。即柴油发电机组的机头散热器排风量大于排风机房余热进风量，这时机房进风量应按机头散热器排风量计算，即：

Lj=Lq=19 044m3/h

(7)

式中：Lj——柴油发电机房进风量(m3/h)。

同时根据规范，机房的排风量应为进风量与燃烧空气量的差值，且柴油发电机房是产生有害气体的房间，要求负压排风，所以柴油发电机房的设计排风量应考虑10%～20%的附加系数[2]。即机房的排风量为：

Lp=(Lj-Lr)×1.15

=(19 044-518.4) ×1.15=21 304m3/h

(8)

式中：Lp——柴油发电机房排风量(m3/h)；

Lr——柴油机燃烧空气量(m3/h)。

由上述计算出的进风量和排风量即可选型风机。

2　平时通风系统的设计

柴油发电机组平时均不运行，只有市电检修或故障时才开启。故应设置机房平时通风系统，在机组不运行时，间歇开启，对机房内进行通风降温及防潮。

根据火力发电厂采暖通风与空气设计技术规程中6.16.2条规定：“连机式风冷排热型柴油发电机室设置的机械通风系统，其排风可由柴油发电机本体的排热系统和设在柴油发电机室上部排风机共同保证，同时设在柴油发电机室上部排风机的排风量保证房间换气次数不少于每小时10次。”[4]且规程中6.16.5条规定：“柴油发电机室通风系统的通风机及电机应为防爆型的，并应直接连接。”标准图集15D202-2中说明：“柴油发电机房位于地下时平时通风不少于12次；储油间换气次数不少于6次”。

由以上所述，所以柴油发电机房平时的通风量可按换气次数12次/h以计算，排风机应为防爆型。

还有柴油发电机房中储油间的排风，由于油的特殊性水专业有时会设置气体灭火系统。暖通专业即需考虑储油间的事故通风。当事故发生时储油间应保证密闭，所以在储油间的排风管上应设置电动防火调节阀，当事故时关闭阀门，事故后可通过机房外电动或者手动开启装置开启阀门。

3　机房进风系统设计

目前民用建筑中的柴油发电机房的进风系统大多采用自然进风的方式，这种方式相对来说较简单。但若柴油发电机组的通风量要求较大，满足规范要求的自然通风风速时则需要的风井面积和通风口面积就会非常大，一般建筑专业很难满足要求。

比如根据标准图集15D202-2 《柴油发电机组设计与安装》中柴油发电机房进排风面积估算，800kW的机组进风口面积需要10m2，使用了百叶窗的进风口再扩大1倍面积。这样一般工程中都无法满足要求，这也会使建筑专业不管暖通专业提资的所需要的面积要求，执意缩小风井面积，这样通风的阻力也必然增加。但图集中还说明当“采用自然通风降温时，机房的进、排风系统总阻力不宜大于125Pa，当通风管道总阻力损失超过125Pa时，应设置机械送排风系统，风机全压应根据风道阻力计算确定。”如果通风阻力过大，热量也将无法即时排出，会使柴油发电机组的效率降低。

且气流组织设计对机组的散热也是重要的一部分，进风口最好设在发电机的端头，从而使空气进入机组后流经整个机组[5]。若气流组织不合理，也会影响发电机组的效率。

所以笔者建议机房的进风系统采用机械进风，这样可大大减少风井的面积，保证通风的阻力要求，也可合理调整风口位置优化气流组织，稳定机组的发电效率。

4　油罐通气管的设计

根据规范GB50016-2014《建筑设计防火规范》中5.4.15.2条强制条文规定：“储油间的油箱应密闭且应设置通向室外的通气管，通气管应设置带阻火器的呼吸阀，油箱的下部应设置防止油品流散的设施。”设置通气管和阻火器的呼吸阀不仅可使罐内压力保持正常状态，防止罐内超压或超真空度，且可减少罐内液体挥发损耗，是不可缺少的安全设施[6]。

目前有些图纸设计中柴油发电机房的油罐通气管的管径标注为DN25，大部分设计师也是不知道为什么是DN25。但标准图集02R11《小型立、卧式油罐图集》中说明：“通气管管口应高出地面4m及以上。沿建筑物的墙(柱)向上敷设的通气管管口，应高出建筑物顶面1.5m及以上。通气管的公称直径不应小于50mm，且应安装阻火器”。

所以笔者建议在设计中通气管的管径应经过计算确定，且不应小于DN50，通过图集可以看出1m3油罐的通气管管径为DN50。

5　结束语

本文主要是通过规范、图集、书籍、样本等资料中的一些数据，对平时设计中一些设计师经常遇到的机房散热的通风量计算、平时通风量选取、进风系统、油罐通气管设计提出笔者的一些观点。当然柴油发电机房对暖通专业来说设计的内容比较多也很关键，这里笔者只列举了几点设计中的问题进行说明，说明不到位的地方请各位指正。

[1]中国建筑标准设计研究院.GB50038-2005 人民防空地下室设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2005

[2]中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施/防空地下室2009[S].北京：中国计划出版社，2009

[3]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册(4版)[M].北京：化学工业出版社，2009

[4]国家电力公司东北电力设计院.火力发电厂采暖通风与空气设计技术规程[S].北京：中国电力出版社，2004

[5]杨子学.民用建筑柴油发电机房通风与冷却设计[J].制冷空调.2010,38-40

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50016-2014 建筑设计防火规范[S].北京：中国计划出版社，2014

张敏敏(1991.01-)，男，本科，助理工程师，主要从事暖通空调方面的工作。

Severalproblemsintheair-cooleddieselgeneratorroominHVACdesign

ZHANG Minmin

(Tianshaarchitecturaldesign(Xiamen)Co.Ltd.,Xiamen361000)

Severalproblemsindesignofair-cooleddieselgeneratorroomHVACprofessionalwerediscussedinthepaper,includingworkingprincipleofair-cooleddieselgeneratorsetcooling,roomventilationratecalculation,apeacetimeventilationroomsystems,airinletsystemandtankventpipedesign.Thedataselection,calculationmethod,thespecificationrequirementsinthedesignareintroducedindetail.

Aircooleddieselgeneratorset;Ventilationrate;Airinletsystem;Tankventpipe

张敏敏(1991.01-)，男，助理工程师。

E-mail:604097187@qq.com

2016-02-21

TU96+2

A

1004-6135(2016)03-0101-04