春場壩抽水蓄能電站通風空調及排煙設計

王 靜 泓, 喬 琪

(中國電建集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

0 引 言

春廠壩抽水蓄能電站位于小金川河支流沃日河干流下游,距吉斯溝匯口下游約1.58 km,廠房位于小金川河干流小金縣上游約1.93 km,當裝機容量為5 MW時,汛期電量約為735萬kW·h,平枯期發電量為530萬kW·h。廠房包括位于2 294.90 m高程地面的安裝層以及位于2 253.63 m高程的豎井井底的主機層,井深達41.00 m。

1 設計參數

1.1 室外氣象參數

小金川流域位于青藏高原以東的高山峽谷區域,具有典型的高原型季風氣候特征。冬季時間較長、氣溫較低、降水量少、氣候寒冷且干燥,夏季則時間短,雨天多,氣候相對涼爽。此外,該流域的日照時間長,晝夜溫差較大,有風速大、黃沙大等特點。

據該流域內小金縣氣象站1961—1990年氣象統計:多年平均氣溫11.9 ℃,極端最高氣溫35.9 ℃,極端最低溫度-11.7 ℃,多年平均相對濕度51%。

根據《水力發電廠供暖通風與空氣調節設計規范》NB/T 35040-2014[1]中的有關室外空氣計算參數統計方法的規定,以蓋玉氣象站的氣象統計資料進行修正[2],確定該電站通風空調系統設計計算的室外空氣參數,室外空氣設計參數見表1。

表1 室外空氣設計參數

1.2 室內空氣設計參數

室內空氣設計參數按《水力發電廠供暖通風與空氣調節設計規范》NB/T 35040-2014的取值范圍選用,同時參考并且對照國、內外已建造完成的水電站中、大型地面廠房與地下廠房的設計標準和實際運行情況,并結合該電站的運行環境條件及實際運行的要求,最終確定該電站的廠房各層對應采用的空氣設計參數列,廠房各部位室內溫、濕度設計參數見表2。

表2 廠房各部位室內溫、濕度設計參數[2]

2 通風空調設計方案

2.1 主機層主要設備發熱量計算

(1)蓋板的發熱量

Q1=n×F×K(tr-tn) kcal/h

(1)

式中n為發電機機組臺數(臺),n=1;F為發電機蓋板的傳熱面,m2,F=22.4;K為發電機蓋板的傳熱系數,一般取:k=5.5(kcal/m2·h·℃);tr為發電機蓋板內的平均溫度,℃,一般取:tr=40～42 ℃;tn為主機層的設計溫度,℃,tn=30 ℃。

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

(2)發電機漏風發熱量

Q2=βL×VL×C×R×(tL-tN)×nkcal/h

(2)

式中βL為漏風系數,鋼蓋扳:βL=0.3%;VL為發電機冷卻循環風量(m3/h)。

VL=860×[N×(1-η)]/(0.24×Δt×r×η)]m3/h;C為空氣比熱(kcal/kg·℃),取C=0.24 kcal/kg·℃;

式中r為空氣容重(kg/m3),r=1.2 kg/m3;N為發電機額定功率,kW,N=500 kW;tN為主機層的設計溫度,℃,tN=30 ℃;tL為發電機漏風溫度,℃,取tL=35～40 ℃;n為發電機機組臺數(臺),n=1;η為發電機效率,%,η=98.4%;Δt為發電機冷卻器前后的空氣溫差,一般取:Δt=20～25 ℃;tL為發電機漏風溫度℃,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)機旁保護控制屏發熱量

Q3=860×EZ×YZ×PZ×nkcal/h

(3)

式中EZ為利用系數,EZ=0.4;YZ為實用系數,YZ=0.5;PZ為室內低壓配電盤功率損耗,PZ=2.2;n為控制屏臺數,n=4臺。

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

(4)高低壓電纜發熱量

Q4=0.86×nd×YL×PL×Ldkcal/h

(4)

式中nd為電纜束中的電纜根數(單根),nd=6;YL為電纜束的散熱系數,YL=0.8～0.9;PL為氣溫為32 ℃時電纜功率損耗(W/m),PL=33.2 W/m;Ld為電纜束的長度(m),Ld=75 m;

Q4=0.86×6×0.8×33.2×75=1.028×104kcal/h

(5)球閥油壓裝置的發熱量

Q5=860×n×X×e×(1-η)/η×Pkcal/h

(5)

式中n為電動機運行臺數,n=2臺;X為實耗系數,一般X=0.7～0.9;e為利用系數,e=0.4;η為電動機效率,η=87%;P為電動機額定功率,P=6.2 kW;

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

(6)檢修排水泵的發熱量

Q6=860×n×X×e×(1-η)/η×Pkcal/h

(6)

式中n為電動機運行臺數,n=2臺;X為實耗系數,一般X=1;e為利用系數,e=0.9;η為電動機效率,η=92%;P為電動機額定功率,P=15 kW。

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

(7)高低壓電纜發熱量

Q7=0.86×nd×YL×PL×Ldkcal/h

(7)

式中nd為電纜束中的電纜根數(單根),nd=1;YL為電纜束的散熱系數,YL=0.8～0.9;PL為氣溫為32 ℃時電纜功率損耗(W/m),PL=22.6 W/m;Ld為電纜束的長度,m,Ld=75 m;

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

(8)主機層的總發熱量:

Q=1.700×104kcal/h

2.2 排除主機層余熱所需通風量計算

G=q/[c×r(tp-tj)] m3/h

(8)

式中q為廠內發熱量(kcal/h);c為空氣比熱(kcal/kg·℃),一般取:c=0.24 kcal/kg·℃;tp為排風溫度(℃),tp=26 ℃;r=0.870 kg/m3;tj為送風溫度(℃),tj=20.7 ℃。

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

2.3 通風系統選型

主機層位于2 253.63 m高程,采用2臺斜流風機經預埋風管送至豎井井底的工作面,采用機械送風方式通過風機和風管送風至井底主機層工作面,排風通過井內、外的壓力差排出井外。斜流風機布置于2 294.90 m高程地面安裝層,主機層總送風風量為20 000 m3/h。

廠房總通風量為27 200 m3/h(S-1送風系統+S-2送風系統+室外自然進風7 200 m3/h)。

地面安裝層外墻設置4臺軸流風機排風(P-1排風系統),總排風量27 200 m3/h,安裝層進風由室外空氣經地面門窗自然進入[3]。通風排煙系統圖見圖1。

圖1 通風排煙系統圖

2.4 采暖系統

機電設備運行時的散熱量是水電站地面式廠房在冬季時冷負荷的主要來源,廠房冬季采暖方案為:采用減少廠房通風量并利用機組發電時機電設備發熱進行自采暖,不額外設置采暖設備對地面廠房及地下豎井進行供暖,從而達到節能降耗的目的。

2.5 空調系統

位于地面以下豎井內壁圍護結構的表面散濕量以及機電設備表面形成的凝結水是廠房內主要的散濕量,影響設備表面產生凝結水的因素有很多,主要有電站廠房所處的地質條件與季節、圍護結構的形式、設備的構成材料與厚度等[4]。根據相關設計手冊及春場壩抽蓄電站的廠房結構特點,地面安裝層的各區域不考慮散濕量,濕度過大會影響機電設備的正常運行。

2.5.1 空氣除濕處理過程計算

除濕機設計選型按名義除濕量10 kg/h來計算。除濕機的送風風量按照3 000 m3/h來取值,除濕機壓縮機一般采用5HP渦旋式,蒸發溫度8 ℃、冷凝溫度40 ℃設計,制冷量為17.2 kW。整個除濕過程以焓濕圖為基礎,除濕機空氣處理過程圖見圖2。進風時的空氣參數(狀態點1)名義工況,根據國家標準規定,干球溫度為27.6 ℃,濕球溫度為21.8 ℃,露點溫度為18.9 ℃,相對濕度為62%,焓值為62.434 kJ/kg干空氣,絕對含濕量為13.857 6 g/kg干空氣;經蒸發器冷卻處理后的空氣處于機械露點狀態點2[5],此點的焓值為:

圖2 除濕機空氣處理過程圖

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

狀態點1經過蒸發器冷卻處理后到狀態點2所析出的凝結水的量則是除濕機的除濕量[6]:

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

豎井井底主機層設置2臺除濕量為10 kg/h的升溫型除濕機對工作面的設備運行環境進行除濕,除濕機內置的風扇將潮濕需處理的空氣從機器下部回風口吸入機內,經過熱交換器的處理,潮濕空氣中的水分子便冷凝成水珠,經過處理過程后的干燥空氣通過機器上部的送風口送至室內,經過這些循環過程使室內的濕度能夠保持在適宜的相對濕度范圍內[7]。

3 排煙設計方案

根據規范《建筑防煙排煙系統技術標準》GB 51251 (2018版),需對廠房采取排煙措施。主機層設置機械排煙系統,平時送風用的1臺混流風機(S-1送風系統)兼作事故補風機,排煙風機(Y-1排煙系統)和補風機均設置于安裝層外2 294.90 m高程風機室內,火災時排煙風機和補風機同時運行。排煙系統排煙量為18 000 m3/h,補風量為10 000 m3/h。

事故排煙系統的消防控制邏輯和控制要求為:

(1)火災確認后,需要在15 s內由火災自動報警系統聯動且開啟排煙風機進風管道式排煙閥、排煙風機及補風機(補風機、排煙風機進風管280 ℃排煙防火閥和補風機出風管70 ℃防火閥始終保持常開)。并且應該在30 s內由火災自動報警系統控制下自動關閉與常規通風系統有關的4臺軸流風機(P-1排風系統);

(2)補風機出風管70 ℃防火閥在管內空氣達到70 ℃時自動熔斷,并且立即反饋關閉信號給消防控制中心,關閉補風機,停止風機補風;

(3)排煙風機進風管280 ℃防火閥在管內煙氣達到280 ℃時自動熔斷,并反饋關閉信號給消防控制中心,關閉排煙風機;

(4)常閉管道式排煙閥可手動開啟,無論手動開啟還是消防控制中心自動開啟,其開啟信號均應與排煙風機聯動;

(5)排煙用補風機與排煙風機需要在方便人工操作的地方設置一套緊急啟動按鈕,并且按鈕需要具有明顯的指示標志與防止非火災時誤操作的保護裝置。

4 結 語

抽水蓄能機組統一進行打捆國際招標是中國在政策上支持民族工業的發展、促進中國抽水蓄能電站機組的相關設備國產化的一項重要措施[8]。針對不同的廠房的特點選取相應的通風空調系統設計、排煙系統設計,使廠房內的各項設備滿足安全運行的環境要求,控制溫度、濕度達到對應的標準,保證各類機電設備的穩定通暢運行。