春场坝抽水蓄能电站通风空调及排烟设计

王 静 泓, 乔 琪

(中国电建集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072)

0 引 言

春厂坝抽水蓄能电站位于小金川河支流沃日河干流下游,距吉斯沟汇口下游约1.58 km,厂房位于小金川河干流小金县上游约1.93 km,当装机容量为5 MW时,汛期电量约为735万kW·h,平枯期发电量为530万kW·h。厂房包括位于2 294.90 m高程地面的安装层以及位于2 253.63 m高程的竖井井底的主机层,井深达41.00 m。

1 设计参数

1.1 室外气象参数

小金川流域位于青藏高原以东的高山峡谷区域,具有典型的高原型季风气候特征。冬季时间较长、气温较低、降水量少、气候寒冷且干燥,夏季则时间短,雨天多,气候相对凉爽。此外,该流域的日照时间长,昼夜温差较大,有风速大、黄沙大等特点。

据该流域内小金县气象站1961—1990年气象统计:多年平均气温11.9 ℃,极端最高气温35.9 ℃,极端最低温度-11.7 ℃,多年平均相对湿度51%。

根据《水力发电厂供暖通风与空气调节设计规范》NB/T 35040-2014[1]中的有关室外空气计算参数统计方法的规定,以盖玉气象站的气象统计资料进行修正[2],确定该电站通风空调系统设计计算的室外空气参数,室外空气设计参数见表1。

表1 室外空气设计参数

1.2 室内空气设计参数

室内空气设计参数按《水力发电厂供暖通风与空气调节设计规范》NB/T 35040-2014的取值范围选用,同时参考并且对照国、内外已建造完成的水电站中、大型地面厂房与地下厂房的设计标准和实际运行情况,并结合该电站的运行环境条件及实际运行的要求,最终确定该电站的厂房各层对应采用的空气设计参数列,厂房各部位室内温、湿度设计参数见表2。

表2 厂房各部位室内温、湿度设计参数[2]

2 通风空调设计方案

2.1 主机层主要设备发热量计算

(1)盖板的发热量

Q1=n×F×K(tr-tn) kcal/h

(1)

式中n为发电机机组台数(台),n=1;F为发电机盖板的传热面,m2,F=22.4;K为发电机盖板的传热系数,一般取:k=5.5(kcal/m2·h·℃);tr为发电机盖板内的平均温度,℃,一般取:tr=40～42 ℃;tn为主机层的设计温度,℃,tn=30 ℃。

Q1=1×22.4×5.5×(41-30)=0.135 4×104kcal/h

(2)发电机漏风发热量

Q2=βL×VL×C×R×(tL-tN)×nkcal/h

(2)

式中βL为漏风系数,钢盖扳:βL=0.3%;VL为发电机冷却循环风量(m3/h)。

VL=860×[N×(1-η)]/(0.24×Δt×r×η)]m3/h;C为空气比热(kcal/kg·℃),取C=0.24 kcal/kg·℃;

式中r为空气容重(kg/m3),r=1.2 kg/m3;N为发电机额定功率,kW,N=500 kW;tN为主机层的设计温度,℃,tN=30 ℃;tL为发电机漏风温度,℃,取tL=35～40 ℃;n为发电机机组台数(台),n=1;η为发电机效率,%,η=98.4%;Δt为发电机冷却器前后的空气温差,一般取:Δt=20～25 ℃;tL为发电机漏风温度℃,一般取:tL=37 ℃。

VL=860×[500×(10.984)]/[(0.24×23×1.2×0.98)]=0.106×104m3/h

Q2=0.3%×0.106×104×0.24×1.2×(40-34)×3=0.001 64×104kcal/h

(3)机旁保护控制屏发热量

Q3=860×EZ×YZ×PZ×nkcal/h

(3)

式中EZ为利用系数,EZ=0.4;YZ为实用系数,YZ=0.5;PZ为室内低压配电盘功率损耗,PZ=2.2;n为控制屏台数,n=4台。

Q3=860×0.4×0.5×1.1×4=0.151 4×104kcal/h

(4)高低压电缆发热量

Q4=0.86×nd×YL×PL×Ldkcal/h

(4)

式中nd为电缆束中的电缆根数(单根),nd=6;YL为电缆束的散热系数,YL=0.8～0.9;PL为气温为32 ℃时电缆功率损耗(W/m),PL=33.2 W/m;Ld为电缆束的长度(m),Ld=75 m;

Q4=0.86×6×0.8×33.2×75=1.028×104kcal/h

(5)球阀油压装置的发热量

Q5=860×n×X×e×(1-η)/η×Pkcal/h

(5)

式中n为电动机运行台数,n=2台;X为实耗系数,一般X=0.7～0.9;e为利用系数,e=0.4;η为电动机效率,η=87%;P为电动机额定功率,P=6.2 kW;

Q5=860×2×0.8×0.4×(1-0.87) /0.87×6.2=0.051×104kcal/h

(6)检修排水泵的发热量

Q6=860×n×X×e×(1-η)/η×Pkcal/h

(6)

式中n为电动机运行台数,n=2台;X为实耗系数,一般X=1;e为利用系数,e=0.9;η为电动机效率,η=92%;P为电动机额定功率,P=15 kW。

Q6=860×2×1×0.9×(1-0.92)/0.92×15=0.201 8×104kcal/h

(7)高低压电缆发热量

Q7=0.86×nd×YL×PL×Ldkcal/h

(7)

式中nd为电缆束中的电缆根数(单根),nd=1;YL为电缆束的散热系数,YL=0.8～0.9;PL为气温为32 ℃时电缆功率损耗(W/m),PL=22.6 W/m;Ld为电缆束的长度,m,Ld=75 m;

Q7=0.86×1×0.9×22.6×75=0.131 2×104kcal/h

(8)主机层的总发热量:

Q=1.700×104kcal/h

2.2 排除主机层余热所需通风量计算

G=q/[c×r(tp-tj)] m3/h

(8)

式中q为厂内发热量(kcal/h);c为空气比热(kcal/kg·℃),一般取:c=0.24 kcal/kg·℃;tp为排风温度(℃),tp=26 ℃;r=0.870 kg/m3;tj为送风温度(℃),tj=20.7 ℃。

G=1.700×104/[0.24×0.870×(26-20.7)]=1.881×104m3/h

2.3 通风系统选型

主机层位于2 253.63 m高程,采用2台斜流风机经预埋风管送至竖井井底的工作面,采用机械送风方式通过风机和风管送风至井底主机层工作面,排风通过井内、外的压力差排出井外。斜流风机布置于2 294.90 m高程地面安装层,主机层总送风风量为20 000 m3/h。

厂房总通风量为27 200 m3/h(S-1送风系统+S-2送风系统+室外自然进风7 200 m3/h)。

地面安装层外墙设置4台轴流风机排风(P-1排风系统),总排风量27 200 m3/h,安装层进风由室外空气经地面门窗自然进入[3]。通风排烟系统图见图1。

图1 通风排烟系统图

2.4 采暖系统

机电设备运行时的散热量是水电站地面式厂房在冬季时冷负荷的主要来源,厂房冬季采暖方案为:采用减少厂房通风量并利用机组发电时机电设备发热进行自采暖,不额外设置采暖设备对地面厂房及地下竖井进行供暖,从而达到节能降耗的目的。

2.5 空调系统

位于地面以下竖井内壁围护结构的表面散湿量以及机电设备表面形成的凝结水是厂房内主要的散湿量,影响设备表面产生凝结水的因素有很多,主要有电站厂房所处的地质条件与季节、围护结构的形式、设备的构成材料与厚度等[4]。根据相关设计手册及春场坝抽蓄电站的厂房结构特点,地面安装层的各区域不考虑散湿量,湿度过大会影响机电设备的正常运行。

2.5.1 空气除湿处理过程计算

除湿机设计选型按名义除湿量10 kg/h来计算。除湿机的送风风量按照3 000 m3/h来取值,除湿机压缩机一般采用5HP涡旋式,蒸发温度8 ℃、冷凝温度40 ℃设计,制冷量为17.2 kW。整个除湿过程以焓湿图为基础,除湿机空气处理过程图见图2。进风时的空气参数(状态点1)名义工况,根据国家标准规定,干球温度为27.6 ℃,湿球温度为21.8 ℃,露点温度为18.9 ℃,相对湿度为62%,焓值为62.434 kJ/kg干空气,绝对含湿量为13.857 6 g/kg干空气;经蒸发器冷却处理后的空气处于机械露点状态点2[5],此点的焓值为:

图2 除湿机空气处理过程图

h2=h1-Q0/(ρV)= 62.434-17.3×3 600/(1.2×2 800)=43.898 kJ/kg干空气

状态点1经过蒸发器冷却处理后到状态点2所析出的凝结水的量则是除湿机的除湿量[6]:

D=ρV(d1-d2)=1.2×2 800×(13.857 6-10.426 7)= 9 796 g/h,即9.796 kg/h。

竖井井底主机层设置2台除湿量为10 kg/h的升温型除湿机对工作面的设备运行环境进行除湿,除湿机内置的风扇将潮湿需处理的空气从机器下部回风口吸入机内,经过热交换器的处理,潮湿空气中的水分子便冷凝成水珠,经过处理过程后的干燥空气通过机器上部的送风口送至室内,经过这些循环过程使室内的湿度能够保持在适宜的相对湿度范围内[7]。

3 排烟设计方案

根据规范《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251 (2018版),需对厂房采取排烟措施。主机层设置机械排烟系统,平时送风用的1台混流风机(S-1送风系统)兼作事故补风机,排烟风机(Y-1排烟系统)和补风机均设置于安装层外2 294.90 m高程风机室内,火灾时排烟风机和补风机同时运行。排烟系统排烟量为18 000 m3/h,补风量为10 000 m3/h。

事故排烟系统的消防控制逻辑和控制要求为:

(1)火灾确认后,需要在15 s内由火灾自动报警系统联动且开启排烟风机进风管道式排烟阀、排烟风机及补风机(补风机、排烟风机进风管280 ℃排烟防火阀和补风机出风管70 ℃防火阀始终保持常开)。并且应该在30 s内由火灾自动报警系统控制下自动关闭与常规通风系统有关的4台轴流风机(P-1排风系统);

(2)补风机出风管70 ℃防火阀在管内空气达到70 ℃时自动熔断,并且立即反馈关闭信号给消防控制中心,关闭补风机,停止风机补风;

(3)排烟风机进风管280 ℃防火阀在管内烟气达到280 ℃时自动熔断,并反馈关闭信号给消防控制中心,关闭排烟风机;

(4)常闭管道式排烟阀可手动开启,无论手动开启还是消防控制中心自动开启,其开启信号均应与排烟风机联动;

(5)排烟用补风机与排烟风机需要在方便人工操作的地方设置一套紧急启动按钮,并且按钮需要具有明显的指示标志与防止非火灾时误操作的保护装置。

4 结 语

抽水蓄能机组统一进行打捆国际招标是中国在政策上支持民族工业的发展、促进中国抽水蓄能电站机组的相关设备国产化的一项重要措施[8]。针对不同的厂房的特点选取相应的通风空调系统设计、排烟系统设计,使厂房内的各项设备满足安全运行的环境要求,控制温度、湿度达到对应的标准,保证各类机电设备的稳定通畅运行。