某地下發(fā)電廠房除濕改造實(shí)踐

石茸 李運(yùn)江

1 宜昌市建筑節(jié)能辦公室

2 三峽大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)研究所

0 引言

水庫大壩地下廠房是一種大體積的地下建筑物，內(nèi)設(shè)有發(fā)電機(jī)組、中央控制室等功能廊道空間，同時地下廠房也有運(yùn)行維護(hù)人員，各種機(jī)電設(shè)備及動力電源等電氣設(shè)備。由于受到巖石的包圍，空間封閉，通風(fēng)率較低，容易造成地下空間潮濕、缺氧等問題。特別是在夏秋和天氣急劇變化時，會造成地下工程嚴(yán)重潮濕，致使金屬銹蝕、電器絕緣降低或喪失、儀器失靈，對工作人員安全健康和工程的正常使用造成很大的危害，有必要加以研究和解決。

1 江埡電站地下廠房現(xiàn)存問題分析

1.1 地下廠房現(xiàn)存問題

江埡水利樞紐工程電站裝機(jī)容量 3×100 MW，由碾壓混凝土攔河壩，右岸地下廠房，地面升壓站和左岸升船機(jī)等建筑物組成。江埡大壩建基面高程為114 m，最 大凈壩高 131m，是當(dāng)今世界上已建成的最高的全斷面碾壓混凝土重力壩。主廠房為地下式廠房，整個地下廠房三維模型參見圖1。

圖1 江埡電站地下廠房三維模型

現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)主要為：主變洞右側(cè)的 2臺送風(fēng)機(jī)從進(jìn)廠交通洞中抽取 20.7×104m3/h 新風(fēng)，送入主廠房上游側(cè)的夾墻風(fēng)道，再從上游墻上設(shè)置的送風(fēng)口，向發(fā)電機(jī)層送10.5×104m3/h、母線層 8.9×104m3/h、水輪機(jī)層0.5×104m3/h 的新風(fēng)，通過送風(fēng)管向地下副廠房送0.8×104m3/h的新風(fēng)。吸收余熱余濕后的空氣經(jīng)由發(fā)電機(jī)層和母線層下游側(cè)的3條母線廊道和廊道下游端頂部的排風(fēng)豎井，被布置在主變洞拱頂?shù)呐棚L(fēng)機(jī)吸入并排至拱頂，再由主變洞左側(cè)的3臺總排風(fēng)機(jī)排出廠外。發(fā)電機(jī)層另有一部分空氣（4.3×104m3/h）由主廠房拱頂排風(fēng)機(jī)排出廠外，該排風(fēng)機(jī)在發(fā)生火災(zāi)時兼做主廠房排煙用。

根據(jù)現(xiàn)場探勘以及和運(yùn)行人員溝通，將現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問題歸納如下：

1）主廠房、水輪機(jī)層、母線層等部位濕度偏高，結(jié)露現(xiàn)象嚴(yán)重。

2）主廠房及部分洞室氣流組織不合理，有氣流短路和滯留現(xiàn)象。

3）中控室、計算機(jī)房和部分廊道空氣流通不暢，有缺氧現(xiàn)象。

4）高壓電纜豎井與主變洞的交通連廊、底層電梯前室結(jié)露現(xiàn)象嚴(yán)重。

另外，據(jù)現(xiàn)工作人員反映，在夏季整個通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時，整個地下廠房內(nèi)水霧彌漫，潮濕現(xiàn)象非常嚴(yán)重。將通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉后，潮濕現(xiàn)象反而有所改善。由于送風(fēng)系統(tǒng)的停運(yùn)，因此加重了地下廠房內(nèi)的氣悶、缺氧情況。

1.2 現(xiàn)存問題分析

地下工程潮濕的原因主要有工程滲漏散濕，人員散濕，自由水面，結(jié)露及外界濕熱空氣進(jìn)入等，這些構(gòu)成了地下工程除濕設(shè)備的濕負(fù)荷[1]。通過對江埡電站地下廠房現(xiàn)存問題的分析，認(rèn)為洞室空氣結(jié)露是潮濕的主要成因，即外界濕熱空氣進(jìn)入洞室后，與低溫的地下廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面接觸產(chǎn)生溫降，當(dāng)溫度降至露點(diǎn)溫度以下時，空氣無法容納原有的水蒸氣，其中一部分便凝結(jié)成水珠（露水）從空氣中析出，亦即冷凝受潮。此外，由于隔斷不完全和通風(fēng)系統(tǒng)缺陷，造成尾水調(diào)壓室高濕空氣進(jìn)入其它洞室，也是造成地下廠房潮濕原因之一。

2 改造方案

為達(dá)到減小投資、縮短工期的目的。確定了對現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)和洞室設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整，不做重大變動的改造原則。本次改造范圍包括：地下廠房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，尾水調(diào)壓室通風(fēng)系統(tǒng)，電梯及疏散樓梯間除濕，地 下廠房管道保溫以及增設(shè)密封門。

2.1 地下廠房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)改造

實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，6～9 月份技術(shù)供水水溫在18～19.5 ℃之間（參見表1），與風(fēng)機(jī)房入口處新風(fēng)溫差不大，若直接利用技術(shù)供水對新風(fēng)降溫除濕效果不明顯，故需增設(shè)制冷機(jī)組對新風(fēng)進(jìn)行降溫除濕處理。根據(jù)現(xiàn)場具體情況，選擇水源熱泵機(jī)組，施工簡便，而且造價合理。

表1 江埡電站夏季水溫統(tǒng)計

改造還涵蓋以下內(nèi)容：

1）將原風(fēng)機(jī)房兩臺 1×104m3/h風(fēng)機(jī)僅保留一臺，并進(jìn)行變頻改造，使其變頻降低風(fēng)速運(yùn)行，春夏季低速運(yùn)行，運(yùn)行風(fēng)量 5×104m3/h。秋冬季根據(jù)廠內(nèi)需要人工調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)低速或高速運(yùn)行。

2）將原總排風(fēng)機(jī)三臺 9.5×104m3/h 風(fēng)機(jī)其中一臺進(jìn)行變頻改造，運(yùn)行風(fēng)量降為6.5×104m3/h，其余兩臺維持不變。

3）從風(fēng)機(jī)房至主廠房送風(fēng)口之間設(shè)置通風(fēng)管道，由靜壓箱通過風(fēng)管分別送至主廠房安裝場、中 控室、母線層和水輪機(jī)層避免通風(fēng)廊道內(nèi)濕氣進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)。為保持送排風(fēng)風(fēng)量平衡。

2.2 尾水調(diào)壓室通風(fēng)系統(tǒng)改造

尾水調(diào)壓室目前存在的問題是尾水洞高濕空氣通過主變洞下游側(cè)夾墻經(jīng)拱頂排至主排風(fēng)道，造成主變洞下游側(cè)墻溫度低于空氣露點(diǎn)溫度，墻面結(jié)露嚴(yán)重。另外，由于發(fā)電時水位最大落差為3m，變化劇烈，造成調(diào)壓室隔斷門經(jīng)常被氣流損壞。為獲得抗風(fēng)壓門參數(shù)，先確定氣壓變化值。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可計算封閉狀態(tài)下尾水洞水位上升后室內(nèi)大氣壓強(qiáng)變化，其壓強(qiáng)為[2]：

式中：p為絕對壓強(qiáng)，Pa；v為比體積，m3/kg；n是非負(fù)數(shù)值，取 決于氣體變化狀態(tài)（氣體作等溫變化時n=1，氣體做等熵變化時n=1.4，在本算例中取n=1.4）。

本次模擬邊界條件：考慮重力，假設(shè)尾水洞內(nèi)墻壁為固體無滑移壁面，其壁面參數(shù)設(shè)置為絕熱狀態(tài)。流場模擬的計算區(qū)域?yàn)榻ㄖ锸覂?nèi)空間尺寸，在笛卡爾坐標(biāo)系下，計算網(wǎng)格劃分采用1 m均勻網(wǎng)格。假設(shè)尾水洞內(nèi)進(jìn)水流量為140 m3/s，即尾水洞內(nèi)水面每秒上升0.5 m。

江埡水電站尾水調(diào)壓室風(fēng)壓及風(fēng)速模擬結(jié)果如圖2至圖3所示?？梢钥闯觯谖菜催M(jìn)行調(diào)壓工作時，尾 水洞內(nèi)氣壓上升（下降）1 9.73 Pa，風(fēng) 速在1.6 m/s到2.4 m/s之間。由此可以進(jìn)行密閉門、通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計和選型。

圖2 尾水洞3#交通洞開口大氣壓變化

圖3 尾水洞3#交通洞開口風(fēng)速分布

在尾水調(diào)壓室與電梯井、主變洞設(shè)置封閉門；在尾水調(diào)壓室至主變洞拱頂排風(fēng)管之間增加風(fēng)管，尾水調(diào)壓室高濕空氣由尾水調(diào)壓室與主變洞之間軸流風(fēng)機(jī)抽至5#排風(fēng)洞，再由主排風(fēng)洞排至室外。位于5#排風(fēng)支洞的三臺軸流總排風(fēng)機(jī)出風(fēng)口側(cè)須加裝止回閥，以避免由于尾水洞水位下降產(chǎn)生負(fù)壓時，導(dǎo)致5#排風(fēng)洞的濕空氣倒流回地下廠房。3#交通洞與尾水調(diào)壓室不設(shè)置封閉門，整個尾水室由于水位波動引起的氣壓變化由3#交通洞承擔(dān)。

2.3 電梯及疏散樓梯間除濕改造

高壓電纜豎井與主變洞的交通連廊、底 層電梯前室潮濕問題主要成因是由于夏季濕熱空氣由于疏散樓梯間熱壓和電梯轎廂風(fēng)壓引入地下廠房而產(chǎn)生結(jié)露。這是該部位潮濕的主要成因。熱濕空氣進(jìn)入地下廠房的主要動力因素是熱壓作用和風(fēng)壓作用。

1）電梯井疏散樓梯間熱壓通風(fēng)及解決方案

電梯井疏散樓梯間熱濕空氣的進(jìn)入主要是熱壓作用而形成的。在夏季，由于濕熱空氣從副廠房樓梯入口處經(jīng)冷卻進(jìn)入疏散樓梯間，冷卻后壓入廠房形成熱壓自然通風(fēng)。其熱壓大小為[2]：

式中：ρe，ρi為室內(nèi)外空氣密度，kg/m3；h為進(jìn)出風(fēng)口中心線的高差，m；pt為熱壓，Pa。

圖4 樓梯間風(fēng)壓分布圖

圖5 樓梯間風(fēng)速分布圖

采用 Phoenics 對電梯井疏散樓梯間風(fēng)壓和風(fēng)速進(jìn)行模擬分析，電 站電梯疏散樓梯間風(fēng)壓自然通風(fēng)的風(fēng)壓和風(fēng)速模擬結(jié)果模擬結(jié)果如圖4和圖5所示。從結(jié)果可以看出，熱 壓通風(fēng)最高壓強(qiáng)為12.5 Pa，樓 梯間進(jìn)出口平均風(fēng)速為1.2 m/s。據(jù)此可以對疏散樓梯間防火門進(jìn)行設(shè)計。

2）電梯轎廂風(fēng)壓通風(fēng)解決方案

電梯轎廂熱壓通風(fēng)貢獻(xiàn)不大，副廠房室外濕熱空氣主要是由于電梯運(yùn)行形成的風(fēng)壓通風(fēng)而帶入地下廠房的。其風(fēng)壓大小由風(fēng)速以及空氣動力系數(shù)而定，其計算公式為[2]：

式中：ρw為風(fēng)壓，Pa；υ為風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；K為空氣動力系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測和仿真計算，電梯前室的空氣流動風(fēng)速為1.2 m/s左右。為避免將副廠房濕熱空氣帶入地下廠房，建議在電梯機(jī)房及電梯轎廂裝設(shè)了壁掛式空調(diào)各一臺，將副廠房進(jìn)入電梯轎廂的空氣做冷卻除濕處理。

3 結(jié)語

地下工程潮濕是一個普遍存在問題，而電站技術(shù)人員又大都來自于水工、電氣等專業(yè)，少有暖通和建筑物理專業(yè)人員介入。本文應(yīng)用建筑技術(shù)諸多手段，通過對造成洞室潮濕的諸多因素進(jìn)行分析，找出了主要成因，對江埡電站地下廠房的通風(fēng)系統(tǒng)和設(shè)施進(jìn)行了改造，為其它類似地下工程潮濕問題提供一個參考。