暖通專業在風冷式柴油發電機房設計中的幾個問題

張敏敏

(天廈建筑設計(廈門)有限公司　福建廈門　361000)

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暖通專業在風冷式柴油發電機房設計中的幾個問題

張敏敏

(天廈建筑設計(廈門)有限公司福建廈門361000)

文章論述了暖通專業在風冷式柴油發電機房設計中的幾個問題，包括風冷柴油發電機組冷卻方式的工作原理、機房通風量的計算、平時通風系統、機房進風系統、油罐通氣管的設計，并對設計中數據的選取、計算方法、規范要求進行了詳細的介紹。

風冷式柴油發電機組；通風量；進風系統；油罐通氣管

0　引言

柴油發電站是為了當市電檢修或故障時啟動內部電源,保證工程應急用電設備能正常運行。目前民用建筑中柴油發電機房的位置較多設計在地下室，且采用風冷的形式冷卻。即采用表面式風冷散熱器，冷卻水冷卻柴油機后，進入柴油機前端的表面式風冷散熱器，冷卻風扇由柴油機主軸帶動，設在散熱器和柴油機端頭之間。冷卻水的熱量由風速吹動的空氣帶走，冷卻后再回到柴油機，不斷循環。所以電站內適宜的空氣環境是確保機組正常運行的前提。

為了保證柴油機正常工作，并保持好的熱效率，一般柴油機的進水溫度為40℃～60℃，出水溫度為55℃～85℃，最高不超過90℃。所以風冷系統中控制機房環境的空氣溫度就足夠將柴油機的冷卻水閉式循環系統冷卻。但柴油發電機機頭散熱器的排風量在環境溫度不同時，所需排風量也會不同，所以在查樣本的排風量時也要根據設計中所控制的機房溫度進行選擇。

上述只是對機組的冷卻方式進行介紹，當然對于暖通專業來說對柴油發電機房的設計內容中還包括機組的降溫、煙囪的設計、消聲的設計、油罐的通氣管等等。這些在設計中都需經過詳細計算、遵循相應的規范等來確定。筆者對目前設計中幾個常見問題的數據選取、計算方法、規范要求進行詳細的介紹。

1　柴油發電機房通風量的計算

根據GB50038-2005《人民防空地下室設計規范》中5.7.2.1條規定：“當柴油發電機房采用空氣冷卻時，按消除柴油發電機內余熱計算進風量”，5.7.2.3條規定：“排風量取進風量減去燃燒空氣量”[1]。且根據全國民用建筑工程設計技術措施/防空地下室(2009年版)的規定：“如果柴油機機頭散熱器熱量由直接和散熱器連接的排風管排至室外，機房余熱量還是按柴油機散熱量、發電機散熱量和排煙管散熱量三部分計算。這時機房進風量應分別考慮機頭散熱器排風量和排除機房余熱進風量的大小。哪個大取哪個。”[2]

筆者認為，如果機頭散熱器的排風量達不到消除機房余熱量，則機房的室溫達不到所控制的溫度，這樣機頭散熱器的環境溫度可能會達不到設計的工況，即無法滿足機組散熱的要求。所以在通風量的取值中還是要根據機頭散熱器的排風量和排除機房余熱進風量進行對比，哪個風量比較大取哪個值。現以位于廈門的某項目1臺150kW的柴油發電機組舉例說明計算過程。

1.1設計參數

根據柴油發電機組廠家的樣本、國家標準圖集04DX101-1《建筑電氣常用數據》、全國民用建筑工程設計技術措施/防空地下室(2009年版)及相關規范，確定設計的基本參數如下：

發電機額定輸出功率P=150kW；發電效率η2=92.4%；柴油機額定功率Ne=176.5kW；柴油機工作時的散熱系數η1=4.2%；排煙溫度：ty=551℃；排煙流量：Vy=1306.8m3/h；排煙管在機房內架空敷設的長度：L=10m；燃燒空氣量：Lr=518.4m3/h；冷卻空氣量(40℃環境散熱量)：Lq=19044m3/h；機房內設計空氣溫度(人員隔室操作)：tn=40℃；室外夏季通風計算溫度(參考廈門)：tw=31.3℃。

1.2煙囪直徑的確定

煙囪的直徑計算和管路設計也是通風量計算中非常重要的一部分。當煙囪出口煙氣流速小于等于當地風速時，流出 煙囪的煙氣不能形成向上浮動的氣柱，而呈旋流形成下沉，即形成“下沉”現象，這會使煙囪產生抽力的幾何高度實際被降低，不利于煙氣的排放，所以在可能條件下應盡量選取高的煙氣流速，當然也必須兼顧到環保的要求。而且高的煙氣流速可減少煙囪直徑，能消除煙囪出口煙氣流“下沉”現象，能有效地減少煙囪內部灰塵的沉積量[3]。

根據化工工藝設計手冊(第四版)中的煙囪出口煙氣流速要求如表1所示：

表1　煙囪出口煙氣流速　m/s

注：流速選用時，考慮到以后改造負荷增大的可能，故不應取上限值。但為防止空氣倒灌，出口最小流速不宜小于2.5～3m/s。

經過以上分析，確定煙囪的出口煙氣速度為18m/s。且根據化工工藝設計手冊(第四版)中煙囪直徑計算公式：

(1)

式中：Vy——額定負荷下的煙氣流量(m3/h)；

w——煙囪出口煙氣流速(m/s)；

d——煙囪的內直徑(m)。求得d之后進行圓整，取常用的圓筒規格尺寸。

通過計算確定取公稱直徑為DN150帶襯里的不銹鋼管，壁厚為4.5mm。

1.3柴油機的散熱量計算

根據全國民用建筑工程設計技術措施/防空地下室(2009年版)的計算公式如下：

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

(2)

式中：Q1——柴油機的散熱量(kW)；

η1——柴油機工作時向周圍空氣散熱的熱量系數(%)；

q——柴油機燃料熱值，可取q=41870kJ/kg

Ne——柴油機額定功率(kW)；

B——柴油機的耗油量[kg/(kW·h)]。

1.4發電機的散熱量計算

根據全國民用建筑工程設計技術措施/防空地下室(2009年版)的計算公式如下：

(3)

式中：Q2——發電機工作時的散熱量(kW)；

η2——發電效率(%)；

P——發電機額定輸出功率(kW)。

1.5柴油發電機排煙管的散熱量

標準圖集15D202-2《柴油發電機組設計與安裝》中排煙管保溫厚度選擇表已經列出保溫厚度的取值。根據本項目排煙溫度為551℃，公稱直徑為DN150可直接選取保溫層及厚度。保溫層采用2層，即接觸管壁的1層為硅酸鋁纖維氈，厚度為40mm，導熱系數λ1=0.14W/(m·K)；外包1層巖棉氈，厚度為60mm，導熱系數λ2=0.03W/(m·K)。

由以上已知條件可得排煙管單位長度散熱量為：

(4)

式中：qe——排煙管單位長度散熱量(W/m)；

ty——排煙管內的煙氣計算溫度(℃)；

tn——排煙管周圍空氣溫度，即機房內溫度(℃)；

λ1——排煙管第1層保溫材料導熱系數[W/(m·K)]；

λ2——排煙管第2層保溫材料導熱系數[W/(m·K)]；

D1——排煙管第1層保溫層外徑(m)；

D2——排煙管第2層保溫層外徑(m)；

d——排煙管外徑(m)；

α——排煙保溫層外表面向周圍空氣的放熱系數[W/(m2·K)]。

即排煙管的散熱量為：

Q3= L×qe=10×0.462=4.62kW

(5)

式中：Q3——排煙管的散熱量(kW)；

L——排煙管在機房內架空敷設的長度(m)。

1.6排除機房內余熱的通風量

排除機房內余熱的通風量按下式進行計算：

13 107m3/h

(6)

式中：Lyu——排除機房內余熱所需通風量(m3/h)；

c——空氣比熱容(1.01kJ/kg·℃)；

ρ——空氣密度(kg/m3)。

1.7柴油發電機房通風量

由上述計算，排除機房內余熱的通風量為Lyu=13 107m3/h，但從樣本上查詢到在40℃環境散熱量所需的冷卻空氣量：Lq=19 044m3/h。即柴油發電機組的機頭散熱器排風量大于排風機房余熱進風量，這時機房進風量應按機頭散熱器排風量計算，即：

Lj=Lq=19 044m3/h

(7)

式中：Lj——柴油發電機房進風量(m3/h)。

同時根據規范，機房的排風量應為進風量與燃燒空氣量的差值，且柴油發電機房是產生有害氣體的房間，要求負壓排風，所以柴油發電機房的設計排風量應考慮10%～20%的附加系數[2]。即機房的排風量為：

Lp=(Lj-Lr)×1.15

=(19 044-518.4) ×1.15=21 304m3/h

(8)

式中：Lp——柴油發電機房排風量(m3/h)；

Lr——柴油機燃燒空氣量(m3/h)。

由上述計算出的進風量和排風量即可選型風機。

2　平時通風系統的設計

柴油發電機組平時均不運行，只有市電檢修或故障時才開啟。故應設置機房平時通風系統，在機組不運行時，間歇開啟，對機房內進行通風降溫及防潮。

根據火力發電廠采暖通風與空氣設計技術規程中6.16.2條規定：“連機式風冷排熱型柴油發電機室設置的機械通風系統，其排風可由柴油發電機本體的排熱系統和設在柴油發電機室上部排風機共同保證，同時設在柴油發電機室上部排風機的排風量保證房間換氣次數不少于每小時10次。”[4]且規程中6.16.5條規定：“柴油發電機室通風系統的通風機及電機應為防爆型的，并應直接連接。”標準圖集15D202-2中說明：“柴油發電機房位于地下時平時通風不少于12次；儲油間換氣次數不少于6次”。

由以上所述，所以柴油發電機房平時的通風量可按換氣次數12次/h以計算，排風機應為防爆型。

還有柴油發電機房中儲油間的排風，由于油的特殊性水專業有時會設置氣體滅火系統。暖通專業即需考慮儲油間的事故通風。當事故發生時儲油間應保證密閉，所以在儲油間的排風管上應設置電動防火調節閥，當事故時關閉閥門，事故后可通過機房外電動或者手動開啟裝置開啟閥門。

3　機房進風系統設計

目前民用建筑中的柴油發電機房的進風系統大多采用自然進風的方式，這種方式相對來說較簡單。但若柴油發電機組的通風量要求較大，滿足規范要求的自然通風風速時則需要的風井面積和通風口面積就會非常大，一般建筑專業很難滿足要求。

比如根據標準圖集15D202-2 《柴油發電機組設計與安裝》中柴油發電機房進排風面積估算，800kW的機組進風口面積需要10m2，使用了百葉窗的進風口再擴大1倍面積。這樣一般工程中都無法滿足要求，這也會使建筑專業不管暖通專業提資的所需要的面積要求，執意縮小風井面積，這樣通風的阻力也必然增加。但圖集中還說明當“采用自然通風降溫時，機房的進、排風系統總阻力不宜大于125Pa，當通風管道總阻力損失超過125Pa時，應設置機械送排風系統，風機全壓應根據風道阻力計算確定。”如果通風阻力過大，熱量也將無法即時排出，會使柴油發電機組的效率降低。

且氣流組織設計對機組的散熱也是重要的一部分，進風口最好設在發電機的端頭，從而使空氣進入機組后流經整個機組[5]。若氣流組織不合理，也會影響發電機組的效率。

所以筆者建議機房的進風系統采用機械進風，這樣可大大減少風井的面積，保證通風的阻力要求，也可合理調整風口位置優化氣流組織，穩定機組的發電效率。

4　油罐通氣管的設計

根據規范GB50016-2014《建筑設計防火規范》中5.4.15.2條強制條文規定：“儲油間的油箱應密閉且應設置通向室外的通氣管，通氣管應設置帶阻火器的呼吸閥，油箱的下部應設置防止油品流散的設施。”設置通氣管和阻火器的呼吸閥不僅可使罐內壓力保持正常狀態，防止罐內超壓或超真空度，且可減少罐內液體揮發損耗，是不可缺少的安全設施[6]。

目前有些圖紙設計中柴油發電機房的油罐通氣管的管徑標注為DN25，大部分設計師也是不知道為什么是DN25。但標準圖集02R11《小型立、臥式油罐圖集》中說明：“通氣管管口應高出地面4m及以上。沿建筑物的墻(柱)向上敷設的通氣管管口，應高出建筑物頂面1.5m及以上。通氣管的公稱直徑不應小于50mm，且應安裝阻火器”。

所以筆者建議在設計中通氣管的管徑應經過計算確定，且不應小于DN50，通過圖集可以看出1m3油罐的通氣管管徑為DN50。

5　結束語

本文主要是通過規范、圖集、書籍、樣本等資料中的一些數據，對平時設計中一些設計師經常遇到的機房散熱的通風量計算、平時通風量選取、進風系統、油罐通氣管設計提出筆者的一些觀點。當然柴油發電機房對暖通專業來說設計的內容比較多也很關鍵，這里筆者只列舉了幾點設計中的問題進行說明，說明不到位的地方請各位指正。

[1]中國建筑標準設計研究院.GB50038-2005 人民防空地下室設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2005

[2]中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施/防空地下室2009[S].北京：中國計劃出版社，2009

[3]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設計手冊(4版)[M].北京：化學工業出版社，2009

[4]國家電力公司東北電力設計院.火力發電廠采暖通風與空氣設計技術規程[S].北京：中國電力出版社，2004

[5]楊子學.民用建筑柴油發電機房通風與冷卻設計[J].制冷空調.2010,38-40

[6]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50016-2014 建筑設計防火規范[S].北京：中國計劃出版社，2014

張敏敏(1991.01-)，男，本科，助理工程師，主要從事暖通空調方面的工作。

Severalproblemsintheair-cooleddieselgeneratorroominHVACdesign

ZHANG Minmin

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

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

Aircooleddieselgeneratorset;Ventilationrate;Airinletsystem;Tankventpipe

張敏敏(1991.01-)，男，助理工程師。

E-mail:604097187@qq.com

2016-02-21

TU96+2

A

1004-6135(2016)03-0101-04