水电站地下厂房潮湿成因及除湿策略

虞少嵚，张 楠，贺婷婷

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙410014）

1 水电站地下厂房潮湿的成因分析

国内已建的老水电站地下厂房普遍存在潮湿的问题，潮湿主要发生在水轮机层及蜗壳层。造成厂房潮湿的主要原因有下面几个：一是室外空气本身潮湿未经处理进到厂房带来湿气；二是岩体表面渗水；三是管路连接处漏水；四是水管表面及墙面（以下简称冷表面）结露。我们着重分析结露问题。

大气是由干空气和水蒸汽两部分组成的，通常将干空气和水蒸汽的混合气体称为湿空气。湿空气中的水蒸汽含量很少，但其变化会引起湿空气干、湿程度的改变，进而对人体感觉、产品质量、工艺过程和设备维护等都有直接影响。在一定温度下，湿空气所含的水蒸汽量有一个最大限度，超过这一限度，多余的水蒸汽就会从湿空气中凝结出来。这种含有最大限度水蒸汽量的湿空气称为饱和空气，饱和空气所具有的水蒸汽分压力叫该温度下的饱和水蒸汽分压力。空气的相对湿度φ，就是空气中水蒸汽分压力和同温度下饱和空气的水蒸汽分压力之比，人体感觉舒适的空气相对湿度一般在40%～70%左右；含湿量d就是指每公斤干空气所含有的水蒸汽重量。相对湿度φ能够表示空气的饱和程度，但不能表示水蒸汽的含量，而含湿量d与之相反，能表示水蒸汽的含量，却不能表示空气的饱和程度。

空气的相对湿度随着空气温度的下降而增加。从图1可以看出，把不饱和状态的空气A（t=26℃，φ=70%）沿等含湿量线冷却，随着空气温度的下降，实际的含湿量并没有变化，但空气的相对湿度增大，当温度下降到20.11℃时（即B点），相对湿度达到100%，这时空气本身的含湿量已经达到饱和，如果继续冷却，则会产生凝结水。这个空气沿等含湿量冷却，最终达到饱和时的温度就是露点温度。换句话说，也就是空气A（t=26，φ=70%）如果遇到露点温度20.11℃以下的冷表面，就会产生结露。

由于水电站地下厂房一般都深埋地下，进水管和尾水管都在水下较深的位置，技术供水取水管也一般采用埋管，致使供水管温度和水轮机层以下的墙壁壁面温度与厂房环境温度之间存在一定的温差。对于南方电站，尤其是在冬春交替的时候，空气温度已经上来了，但水温地温都还很低，这个时候，空气的露点温度肯定比水温地温高，此时厂房内的水管表面和水轮机层以下的墙壁壁面（下面简称冷表面）就会产生结露的现象。比如上面分析的工况，假设厂内空气温度为26℃，相对湿度为70%（见图1A点），而此时水轮机层以下的墙壁壁面温度和水管表面温度在20.11℃（见图1B点）以下，那么这些冷表面一定会产生结露现象。根据《水力发电厂采暖通风和空气调节设计技术规程》的要求，厂房内水轮机层的相对湿度必须控制在75%以内。而此时，空气的相对湿度为70%，是完全满足水电站规程要求的。又比如，另一个工况，假设厂内空气温度为25℃，相对湿度为50%（见图2D点），但此时水轮机层以下的墙壁壁面温度和水管表面温度如果在13.86℃（见图2E点）以下，这个时候，空气本身已经相当干燥了，但还是会结露，从而使得冷表面潮湿。

从上面的叙述我们可以知道，水电站的潮湿问题，其实不一定是空气的问题。空气潮湿和厂房潮湿其实是两个完全不同的概念。结露仅取决于两个因素，即环境空气的露点温度和冷表面的温度（空气的露点温度与厂房内管道内水温及墙壁壁温度的差值越大，则冷表面的结露现象就越严重。空气的露点温度越低于周围环境的温度，结露的可能性就越小，也就意味着空气越干燥。结露现象的产生与空气的相对湿度无直接关系，即使空气的相对湿度达到70%或者更低，满足运行人员舒适度要求和设备安全运行要求时，但只要冷表面温度低于环境空气的露点温度，空气中的水分子就会在冷表面凝结，出现结露现象。结露本身使得厂房变潮湿，却使得空气更干燥了。

通风空调系统可以通过控制空气的潮湿，从而减少厂房的潮湿，但要完全靠通风空调系统而使得厂房完全干燥是不现实也不经济）。因为如果要保证空气不结露，就必须将送到厂房内的全部空气的露点温度处理至冷表面的温度以下，从表1可以看出，同一温度下，相对湿度越低则露点温度越低，反过来也就是说如果冷表面温度越低，空气就必须处理得越干燥才能使其不结露。

图1 26℃，70%空气等湿冷却示意图

图2 25℃，50%空气等湿冷却示意图

对于北方电站，有时结露的问题会更加严重，也更难通过空气处理来解决。比如北方某抽水蓄能电站，在3月份的时候实测水管表面温度仅为3.2℃，这个时候想将空气的露点温度处理到3.2℃以下，常规的冷冻除湿是根本无法做到的，就算采取其他的方法（如固体除湿、溶液除湿、转轮除湿等）将空气的露点温度处理到3.2℃以下，此时的空气由于过分干燥，容易产生静电，对电站设备的运行也是一个不安全因素。

表1 同一温度下不同相对湿度的露点温度

很多电站运行人员认为，在厂房潮湿的时候应该加强厂内通风，而实际上由于室外空气与厂房冷表面存在温差，在很多时间（冬季除外）室外空气进到厂内，遇到冷表面就会结露，在这种情况下，通风量越大，则结露越厉害，厂内越潮湿。

2 厂房除湿策略

针对上述潮湿的前面三个成因，主要应对措施是：将室外空气除湿处理后再送到厂房；加强岩壁有序排水，查漏堵漏；保证水管路连接处的密封完好。最难处理也是最重要的潮湿成因就是第四种情况，冷表面结露。

为防止空气结露现象的产生，从原理上讲比较简单，解决的渠道也只有两条：一是提高冷表面温度，将冷表面温度提高到空气露点温度以上，二是降低空气露点温度，使得空气露点温度处理到冷表面温度以下。但实际中，一年四季空气露点温度是个变值，冷表面温度也有一定的变化，二者之间的温差也是个变值，单独采用任何一种方法都可能难以实现或者伴生其他问题。例如仅采用第1条，提高冷表面温度，对于管道可以采用保温措施，但对于壁面保温就比较难以实施，由于面积太大，实施起来造价也高，目前还没有任何一个厂房采取了该项措施。如果仅采用第2条，当冷表面温度很低时，将空气露点温度处理到冷表面温度以下代价就比较大，由于要考虑全年的最不利工况，设备的配置将非常耗能，而且还可能导致空气的相对湿度太低，产生静电问题，影响电气设备安全运行。

另外，冷表面结露还和空气的流动情况相关。假定水轮机层和蜗壳层是一个相对密闭的空间，如果冷表面温度低于空气温度，冷表面与空气进行持续的热交换后，冷表面结露，空气中的水份析出，空气含湿量下降，这时，在除湿机容量足够大的条件下，由于除湿机在不断除湿，不断降低空气中的含湿量，普通除湿机会散热，此时冷表面温度也将逐步提高，最终将导致环境空气露点温度达到或低于冷表面温度，此时冷表面结露现象将消失。但实际上，水轮机层和蜗壳层的空气是流动的，实际设计中一般都在上下游壁面设有轴流风机，轴流风机不断地将上部发电机层的空气补充进水轮机层和蜗壳层，此时，即使原来水轮机层和蜗壳层的空气已不再使冷表面结露，新进空气又会开始结露，这是一个循环反复的动态过程。因此，相对密闭的空间更有利于防止结露。

因此对于厂房除湿，应该综合考虑各种因素进行处理，主要应对措施有以下几点：

1）主厂房采用空调系统，利用空调设备对新鲜空气进行除湿。

2）主厂房拱顶送风口位置避开机组位置，以防风口在系统运行初期结露滴水到发电机盖板上，同时所有送风口采用防结露植绒铝合金风口，尽量避免风口结露。

3）在水轮机层和蜗壳层设置除湿机就地进行除湿。

4）建立回风渠道，潮湿季节回风运行，避免新风将过多的湿气带入厂房（其他季节为保证厂房空气品质可全新风运行）。潮湿季节送风温度相应降低，以充分利用空调设备的除湿功能。

5）水机管道采用不锈钢管道。水机管道和水轮层机以下墙面进行保温。

6）根据天气情况提前对系统运行方式进行转换（即全新风运行与回风运行的转换）。

7）地面积水及时清理，避免其蒸发到空气中。

8）加强岩壁有序排水，查漏堵漏，防止水管连接处漏水，地沟加盖板，减少水份的蒸发。

3 合理运用通风空调系统，防止厂房结露

下面以某工程实例说明如何合理运用通风空调系统来防止厂房结露。

江苏某抽水蓄能地下厂房，总装机容量1 500 MW。夏季通风室外计算温度32℃，夏季空调室外计算干球温度34.5℃，主厂房采用空调送风，机械排风，送风温度19℃，相对湿度95%，发电机层送风量为212 000 m3/s；母线层、水轮机层及蜗壳层通过上游预埋风管从发电机层取风，水轮机层设计送风量为80 000 m3/s，蜗壳层设计送风量为50 000 m3/s。水轮机层设计有回风道，主厂房空调系统可以全新风运行，也能实现回风运行。经过计算，夏季不同运行方式下，水轮机层及蜗壳层空气露点温度见表2。

表2 水轮机层及蜗壳层空气露点温度 ℃

由表2看出，全厂通风、空调系统全新风运行、空调系统回风运行，三种运行方式中，空调系统回风运行时空气露点温度最低，也就是最不容易发生结露。由此可以得出下面的结论：

1）绝对含湿量主要是新鲜空气带来的，因此当结露发生时，应尽量减少通风，这样更有利于除湿。

2）当水轮机层发生结露时，建议停开水轮机层壁面风机，尽量避免水轮机层进入新鲜空气，同时开启水轮机层除湿机进行除湿。

3）当蜗壳层发生结露时，开启蜗壳层除湿机除湿，同时停运蜗壳层上下游壁面轴流风机，使得蜗壳层处于相对封闭的状态。

4）当厂房内空气品质能满足人员的舒适要求时，主空调系统应尽量采用回风运行。主厂房回风运行的模式最节能，厂房内整体湿度也最低，平均相对湿度仅为63%。

5）当回风运行时水轮机层发生结露时，开启水轮机层除湿机除湿，当冷表面温度低于13.17℃时，不宜采用回风工况，同时停运水轮机层上下游壁面轴流风机，使得水轮机层处于相对封闭的状态（回风道设置在母线层比设置在水轮机层对除湿更有利，本电站由于地质条件差，为减少开挖，没有专门开挖回风道，仅利用现有的施工支洞进行回风，由于施工支洞位于水轮机层，使得回风运行时水轮机层无法实现相对密封）。

6）本电站主空调系统的设计送风温度为19℃，这是系统全新风运行时的设计温度。采用回风运行的时候可将系统送风温度设定为15℃。过渡季节当交通洞末端温度≤15℃时，应停止运行主空调系统的冷水机组，仅运行空气处理机。当15℃＜交通洞末端温度＜26℃时，全新风运行时可适当调低送风温度（即设定15℃＜送风温度＜19℃），送风温度越低，则空调系统的除湿能力越强，但受设备制冷能力及系统设计本身的限制，送风温度不宜低于15℃。

7）完全通过通风空调系统来保证厂房全年任何时间都不结露是非常不经济的，也是不合理的，因为当冷表面温度过低时，完全通过通风空调系统来保证不结露必将造成厂房相对湿度过低，过分干燥的空气将影响电气设备安全运行。