压缩空气在发电厂暖通设计中的拓展应用探讨

陈千凯

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

压缩空气作为一种可靠的动力源，在大中型火力发电厂中主要用于生产设备的检修、维护以及仪表气动操作等，在厂内暖通系统中主要用于机械除尘器滤袋以及空调过滤器的气力除灰。电厂中均设置了独立的压缩空气站及配套管网输送经干燥净化后的压缩空气，管网内压缩空气无毒、品质高，可直接满足人员卫生呼吸用；气体压力高，可进行长距离输送；同时压缩空气具有膨胀制冷性质，可用于区域环境降温。

本文探讨了在常规通风设计受限时，利用厂内压缩空气的这些特性，将之拓展应用于地下电缆隧道通风、防烟加压送风及正压室保护设计中。

1 电厂内压缩空气品质分析

电厂内设有独立的压缩空气站供应全厂用气需求，压缩空气的一般制取流程为：空压机→储气罐→干燥净化装置→用气点。

厂用压缩空气质量要求的依据为《仪表供气设计规范》（HG/T 20510—2014）[1]，《医用气体工程技术规范》（GB 50751—2012）[2]中对部分医用空气的品质也有明确要求。将电厂内压缩空气品质与医用空气进行对比，汇总如表1所示。

将表1中各标准所述要求按照《压缩空气第1部分：污染物净化等级》（GB/T 13277.1—2008）[3]进行等级转换，如表2所示。

表1 各规范压缩空气品质要求

根据表2所示，仪表用气标准[1]略低于医疗用气标准[2]，但工程实际应用中根据厂内各工艺用气点要求，最终经干燥净化后的出气品质高于规范[1]要求，而且净化等级满足医疗用气要求，故将厂用压缩空气直接应用于环境通风换气能够满足人员健康卫生的要求。

表2 各标准压缩空气品质净化等级

2 压缩空气膨胀制冷分析

空气被视为一种理想气体用于热力系统分析，在空气的绝热压缩、膨胀过程中有公式：式中：T1、T2分别为初、终态温度（K）；P1、P2分别为初、终态压力（MPa）；κ为绝热指数，空气的κ=1.4。

压缩空气经末端节气喷嘴[4]快速释放至环境中并膨胀至大气压，其释放过程很快，考虑实际膨胀过程与理想绝热过程有偏差，故引入绝热效率η，值取70%。公式（1）修正为：

根据规范[1]的要求，气源送至装置各界区的压力范围宜为500～700 kPa（G），工程中至用气点的管网压力为P1=0.7 MPa（G）。空压机本体配置冷却措施，T1按冷却后的排气温度46 ℃考虑。P2为压缩空气释放到环境后膨胀至大气压0.1 MPa（A）。将各参数值代入公式（2）中，得T2=251.6 K。

根据T2值可知喷嘴出口能获得较低的出风温度，送至室内环境中完全可以满足区域环境降温要求。

3 压缩空气应用于地下电缆隧道通风设计

电缆隧道是各电压等级电力电缆集中布置区域，电缆在运行中发热量较大，室内通风效果不佳将导致电缆本体过热，影响电缆本体载流量。同时，地下隧道检修、巡视时需要满足人员对空气质量的要求，因此地下电缆隧道通风设计于电厂安全生产十分重要。

地下电缆隧道通风由于风压、热压作用受限，自然通风效果不佳，常规采用的是机械通风方式[5]。

由于厂区内建构筑物比较密集、工艺管道布置复杂，工程设计中经常遇到地上通风竖井布置受限、难以与周围环境相协调等现象，同时隧道路径较长、分支走向较多，容易出现气流组织不佳，如气流短路、通风死角等弊端，最终影响电缆隧道的通风效果。

为解决电缆隧道常规机械通风方式的弊端，根据压缩空气的膨胀制冷特性，将厂用压缩空气应用于地下电缆隧道降温通风设计，并列举工程案例进行具体计算分析。

某电厂位于山东烟台，主厂房B-C轴地下电缆隧道布置有10 kV以下各型电缆，电缆散热量采用估算法[6]，计算式如下：

式中：Q1为电缆总散热量；C1～CN为第1规格～第N规格电缆散热损失系数；n1～nN为第1规格～第N规格电缆数量；q1′～qN′为第1规格～第N规格电缆散热量（W）。

根据公式（3）计算汇总，该电厂主厂房地下电缆隧道总的散热量为Q1≈50 kW。

机械通风量采用排除余热法计算，隧道内环境温度按40 ℃设计[6]，计算式如下：

式中：L为通风量（kg/h）；Q2为围岩散热量（W），可按电缆散热量的30%～40%估算[6]；c为空气定压比热，取1.01 kJ/（kg·℃）；Δt为送排风温差（℃）。

当采用常规机械通风方式，室外进风按当地夏季室外通风计算温度26.9 ℃考虑，代入公式（4）求得室外进风量L1=29 152 kg/h；当采用压缩空气膨胀制冷方式，节气喷嘴出口温度为T2=251.6 K，代入公式（4）求得压缩空气流量L2=6 219 kg/h。

在排除余热相同的情况下，压缩空气膨胀制冷流量L2只占常规机械通风量L1的21%；且只需沿隧道均匀敷设压缩空气管道及节气喷嘴，故布置简单，只需考虑排风竖井，避免了室外占地过多；同时在电缆隧道分支处布置压缩空气支管，解决了通风死角问题。

压缩空气在喷嘴处快速释放，在室内形成诱导卷吸气流，大大增强了室内气流组织效果，无须因隧道路径过长而与机械通风方式一样额外设置诱导风机。

同时压缩空气的净化品质满足检修人员的卫生需求，由此可以看出，压缩空气膨胀制冷能够适用于地下电缆隧道的通风设计。

压缩空气膨胀制冷的应用目前仅限于煤矿井道内降温[7]，缺少在其他领域的应用实例。在常规机械通风方式无法布置时，将压缩空气拓展延伸运用于地下电缆隧道通风亦为暖通设计领域提供了新的设计方法和思路。

4 压缩空气应用于防烟加压送风设计

厂内各建筑物防烟排烟设计中，防烟楼梯间、封闭楼梯间等需进行防烟设计以保证人员安全疏散。

无外窗的封闭楼梯间防烟采用机械加压送风方式，该设计需布置独立机房及竖直井道，根据《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 51251—2017）[8]，机房、风道大小及布置均有严格要求。

工程中经常遇到送风竖井影响楼梯间功能、送风机房布置受限等问题；同时超高层建筑为保证送风均匀性，还需进行加压送风系统的分段设计，增加了系统的复杂性。

根据压缩空气的膨胀特性，将厂用压缩空气引入加压送风设计中，能以较小的流量和简单的系统设计满足防烟要求，现以压缩空气运用于电厂封闭楼梯间防烟设计进行计算、分析。

某电厂集控楼高12 m，封闭楼梯间共2层，无外窗，采用加压送风进行防烟设计。常规的机械加压送风量计算按照标准[8]公式进行计算，设计排烟量为27 216 m3/h，相应配置的加压送风机风量28 000 m3/h、风压500 Pa，风机功率为15 kW，占用的机房平面尺寸为4 m×3.5 m；送风管道风速按不大于20 m/s设计，管道截面尺寸为1 000 mm×500 mm。

当采用压缩空气进行防烟设计时，加压送风量28 000 m3/h折算成0.7 MPa（G）的压缩空气流量为10 kg/s，按压缩空气流速15 m/s设计考虑，引入楼梯间的压缩空气管径为DN300，管材为金属材质。

主管入户后，沿楼梯间竖直布置，在每层支管处设置有自力式减压阀、电动关断阀及送风口，主要功能包括：压缩空气经减压阀调试减压至设计压力后固定阀门开度，以防变动，电动关断阀平时常闭并接收消防联动信号开启，送风口平时常开并控制风速不大于7 m/s，配套风量调节装置。

在正压送风量相同的情况下，压缩空气输送管道截面仅为机械送风管道面积的14%，占用的井道面积大大减小；且气源接自厂内压缩空气站，无须额外占用独立机房；压缩空气管道内平时为高压状态，接收到火灾信号便能立即响应进行正压送风；压缩空气输送距离更远，即使建筑物高度超过100 m，无分段系统也能保证送风均匀性；同时压缩空气来源于厂内压缩空气站，净化品质高，能够避免受着火建筑的烟气影响。由此可以看出，在常规加压送风布置受限时，压缩空气能够适用于建筑物的防烟系统设计。

5 压缩空气应用于正压室设计

石油、化工园区中建设的自备电厂，若辅助及附属建筑中的一些电气室、仪表控制室和分析室布置在爆炸危险区域内，这些工艺房间须依据《石油化工采暖通风与空气调节设计规范》（SH/T 3004—2011）[9]要求设计成正压室以保护室内设备及人员的安全。

由于石油化工行业的特性，在事故时正压室周围空气中可能含有毒有害、爆炸性气体，当采用常规正压送风时无法保证入口周围的新风品质。为解决常规机械正压送风存在的隐患，利用厂内压缩空气净化品质高及输送距离远的特点，将压缩空气引入正压室的正压通风设计。

压缩空气经管网输送至正压室内，在各工艺房间支管上设置有自力式减压阀、电动关断阀及送风口，减压阀后压力经调试至设计值后固定阀门开度。当厂区发生事故时，电动关断阀接收消防联动信号开启，压缩空气即送至正压室内，压缩空气用量为保证室内正压值所需及人员新风量之和，风量大小由风量调节阀控制。

同时，为保证压缩空气的供给安全与稳定，厂内总图布置采取以下措施：厂内集中压缩空气站布置在爆炸危险区域外，即使生产区发生事故也不会影响压缩空气站的正常工作；压缩空气站布置在污染区的上风侧，能够保证空压机吸入口空气不被有毒有害气体污染。

在采用常规正压送风无法满足空气品质要求时，厂内压缩空气气源安全可靠、系统配置简单，能够满足保证正压室内设备安全运行以及人员人身健康的要求。

6 结语

厂用压缩空气具有膨胀制冷、空气品质高、输送距离远的特点，相较于常规通风方式，其在地下电缆隧道通风、加压送风及正压室的设计应用中具有系统配置简单、高效、响应快等优势，具有一定的可行性，拓展了其在暖通设计领域应用的新方法、新思路，在遇到实际工程常规通风设计严重受限时，可结合现行国家规程规范进行具体实施。

但同时因压缩空气制取成本较高、设备投资大，在实际项目中同样应该考虑其应用的经济性。