白鶴灘水電站地下廠房通風(fēng)空調(diào)設(shè)計探討

陳典龍 鄭璇 周玉國 李浪

白鶴灘電站裝機容量16000 MW，多年平均發(fā)電量625.21 億kW·h，保證出力5500 MW。電站水庫總庫容206.27 億m3，調(diào)節(jié)庫容可達104.36 億m3，防洪庫容75.0 億m3。左、右岸地下廠房由主副廠房、主變洞、尾水管檢修閘門室、尾水洞檢修閘門室四大洞室組成。左、右岸出線系統(tǒng)由其自身洞室及與其相通的小洞室組成。地下廠房作為一個相對封閉的空間，不管是對設(shè)備的安全運行，還是人員工作環(huán)境的舒適性和保障性，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)都發(fā)揮著極其重要的作用。提供足夠的新風(fēng)以滿足人員的需要，調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度以保障設(shè)備的運行，同時把熱濕空氣及污濁氣體排放到室外以防聚積產(chǎn)生不良影響，由此可見通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是地下廠房不可或缺的重要組成部分。

1 通風(fēng)空調(diào)設(shè)計參數(shù)的確定

1.1 室外氣象資料

金沙江流域地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，冬季受西風(fēng)環(huán)流、夏季受偏南季風(fēng)影響，季節(jié)變化明顯，且有較明顯的干熱河谷特性。白鶴灘水電站位于云南省巧家縣城下游約42 km 的金沙江峽谷河段上，華東院自1993 年起在巧家縣大寨鄉(xiāng)白鶴灘村設(shè)立氣象站，測站高程675 m，距金沙江約0.5 km，有1994～2009 年較詳細的氣象統(tǒng)計資料。同時，電站所在地巧家縣和寧南縣分別設(shè)有氣象站，也記錄歷年來的氣象統(tǒng)計資料。

白鶴灘電站所在地巧家縣、寧南縣、白鶴灘鎮(zhèn)氣象站的參數(shù)進行統(tǒng)計和分析，據(jù)分析，三個氣象站參數(shù)由于位置差異，氣象參數(shù)略有不同，白鶴灘氣象站的氣象特性更能代表白鶴灘地下廠房及主要進風(fēng)通道所在金沙江河谷下部區(qū)域的情況。

白鶴灘氣象站1994～2009 年參數(shù)如表1：

表1 白鶴灘氣象站1994～2009 年參數(shù)

1.2 室內(nèi)空氣設(shè)計參數(shù)

白鶴灘地下廠房各場所設(shè)計參數(shù)主要依據(jù)NB/T 35040-2014《水力發(fā)電廠供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》的要求[1]，參照西南地區(qū)大型地下廠房設(shè)計經(jīng)驗和已建地下廠房實際運行情況，并結(jié)合本電站的環(huán)境條件及實際運行要求[2]，確定白鶴灘電站地下廠房各場所采用的空氣設(shè)計參數(shù)，如表2。

表2 地下廠房各場所采用的空氣設(shè)計參數(shù)

2 地下廠房通風(fēng)方式的確定

白鶴灘電站左右岸的主副廠房洞、母線洞、主變洞土建及機電布置基本相同，左右岸出線洞高度略有不同，右岸出線高度略大于左岸。

2.1 發(fā)熱量計算

由于地下廠房埋件較深，受外界氣候的直接影響較小，廠房內(nèi)的發(fā)熱量主要來自于發(fā)電機、大電流封閉母線、變壓器以及各類配電設(shè)備、照明、電纜等，鑒于白鶴灘本階段還無法獲得詳實的發(fā)熱量計算基礎(chǔ)資料，參照類似電站的經(jīng)驗，對機電設(shè)備發(fā)熱量進行了估算[3]，其結(jié)果見表3。

表3 地下廠房各場所的發(fā)熱量

2.2 壁面?zhèn)鳠崃坑嬎?/h3>

白鶴灘電站地下廠房屬于地下深埋建筑，按地下廠房各洞室的巖體結(jié)構(gòu)和襯砌特點，對左岸各洞室的圍巖傳熱量進行初步計算，左岸各洞室洞壁的傳熱量計算結(jié)果見表4。由于巖體的吸、放熱量受多種因素影響，為一不穩(wěn)定值。特別是在地下廠房運行一段時期后，巖體溫度有一個緩慢上升過程，吸放熱效應(yīng)大為降低，而且，巖體的溫度變化較環(huán)境溫度有一定延時，若不考慮蓄熱效應(yīng)，將導(dǎo)致廠房先冷后熱。因此，在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，把巖體的吸、放熱量做為設(shè)計安全余量考慮。

表4 地下廠房各洞室的壁面?zhèn)鳠崃?/p>

2.3 散濕量計算

由于白鶴灘地下洞室群受圍巖裂隙、斷層等影響，巖體的滲水量很難估計，廠房周邊雖有排水設(shè)施，部分廠房壁也做了襯砌和離壁襯砌，要準確計算廠房各部位的散濕量仍相當(dāng)困難。從已建電站看，盡管都進行了散濕量計算和相應(yīng)的除濕設(shè)計，但實際運行時廠房潮濕問題依舊存在。本階段對各洞室圍護結(jié)構(gòu)散濕量進行了初步計算，各洞室圍護結(jié)構(gòu)表面散濕量計算結(jié)果見表5，表中散濕量僅供廠房除濕系統(tǒng)設(shè)計時參考，而整個地下廠房的防潮和除濕應(yīng)從設(shè)計到施工，從土建到機電，從方案到細節(jié)，全面得到重視。

表5 地下洞室圍護結(jié)構(gòu)表面散濕量

根據(jù)各個場所的工作性質(zhì)和運行規(guī)律，結(jié)合發(fā)熱量、散濕量的分析，確定左岸地下廠房各區(qū)域的通風(fēng)空調(diào)方式及風(fēng)量、冷量如表6。

表6 左岸地下廠房各區(qū)域通風(fēng)空調(diào)方式及風(fēng)量、冷量場所發(fā)熱量

綜上，全廠采用通風(fēng)為主、空調(diào)為輔的方式，其中出線洞、主變洞機組段、尾水管檢修閘門室、尾水洞檢修閘門室基本采用通風(fēng)方式。而主廠房、母線洞、副廠房部分樓層、主變洞南端/北端副廠房等區(qū)域除機械通風(fēng)外，另輔以空調(diào)制冷。而在操作廊道層、蝸殼下層、蝸殼上層、水輪機層、副廠房底層和壩內(nèi)部分區(qū)域設(shè)置除濕機，強化除濕。

3 通風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織

白鶴灘電站左、右岸廠區(qū)主副廠房洞、主變洞、尾水管檢修閘門室、尾水洞檢修閘門室的主要進風(fēng)通道共4 條：主副廠房洞的進風(fēng)通道為1#進風(fēng)豎井及平洞、通風(fēng)兼安全洞。主變洞的進風(fēng)通道為進廠交通洞和2#進風(fēng)豎井及平洞。尾水管檢修閘門室的進風(fēng)道為2#進風(fēng)豎井及平洞。尾水洞檢修閘門室的進風(fēng)通道為通風(fēng)兼安全洞。主要排風(fēng)通道共3 條：主副廠房洞，主變洞和尾水管檢修閘門室排風(fēng)通道為1#、2#排風(fēng)豎井及平洞。尾水洞檢修閘門室排風(fēng)道為尾水洞檢修閘門室通風(fēng)兼安全洞。以上對于左、右岸地下廠房四大洞室（主廠房洞、主變洞、尾水管檢修閘門室、尾水洞檢修閘門室），形成四進三排的進、排風(fēng)系統(tǒng)。

左、右岸出線系統(tǒng)的進、排風(fēng)通道由其自身及與其相通的小洞室解決，主要進風(fēng)通道共2 條：下段進風(fēng)取自進廠交通洞，由下層排水廊道銜接吸入。上段進風(fēng)通道為豎井中部的出線交通洞進風(fēng)道。主要排風(fēng)通道共2 條：下段排風(fēng)通道為豎井中部的出線交通洞排風(fēng)道，上段排風(fēng)由豎井頂部排風(fēng)機直接排至豎井頂部室外。

左岸地下廠房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要進、出空氣流程如圖1 所示，右岸進、出空氣流程與左岸相同：

圖1 左岸通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)空氣流程圖

4 空調(diào)系統(tǒng)組成[4]

除利用通風(fēng)系統(tǒng)降溫除濕外，地下廠房各場所還采用了機械制冷方式。白鶴灘水輪發(fā)電機組采用分層取水方式，空調(diào)水系統(tǒng)采用下游尾水管取水作為冷卻水水源的方案，冷卻水系統(tǒng)采用開式循環(huán)，主廠房組合式空調(diào)器采用一級表冷，空調(diào)主機采用高效螺桿式水源冷水機組，以充分利用水庫水資源，減少損耗。

考慮主廠房左右側(cè)空調(diào)機房距離較遠，空調(diào)末端布置也較為分散，高程差異較大，主副廠房洞空調(diào)水系統(tǒng)采用異程布置，設(shè)置管路平衡閥進行調(diào)節(jié)。由于空調(diào)水系統(tǒng)末端數(shù)量較多，且末端啟停工況受水輪發(fā)電機運行工況制約，從節(jié)能角度出發(fā)，冷卻水及冷凍水系統(tǒng)均采用一次泵變流量運行方式。另外，在副廠房頂部設(shè)置膨脹水箱對空調(diào)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進行高位定壓。全廠空調(diào)系統(tǒng)主要分為4 種類型：

1）地下副廠房人員集中的通信設(shè)備層、主變洞南端/北端副廠房、母線洞和地面中控樓采用直接蒸發(fā)式風(fēng)冷系統(tǒng)，主廠房中間層采用水冷單元式空調(diào)機組，主副廠房其它區(qū)域采用“水冷冷水機組+臥式組合空調(diào)器（或柜式空調(diào)器）”的中央空調(diào)方式，地面其他單體采用風(fēng)冷熱泵單元式分體空調(diào)器。

2）主廠房發(fā)電機層空調(diào)采用“水冷冷水機組+組合式空調(diào)器”的方式，冷源由水冷冷水機組提供。主廠房中間層的空調(diào)采用單元式水冷空調(diào)機組的空調(diào)方式，其冷卻水由全廠冷卻水系統(tǒng)統(tǒng)一提供。

3）副廠房各層功能各不相同，根據(jù)設(shè)備室、電氣室、二次監(jiān)視室、辦公會議室等不同工作特性，副廠房壓氣機層、照明變配電層、公用變配電層分別設(shè)置柜式空調(diào)器，其冷源由空調(diào)冷水機組提供，而在人員較為集中通信設(shè)備層及其它辦公場所單獨設(shè)置變冷媒流量多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)，其冷熱源由布置在副廠房拱頂?shù)目照{(diào)室外機提供。

4）主變洞副廠房和母線洞單獨設(shè)置變冷媒流量多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)，其冷源則由布置在主變拱頂?shù)氖彝鈾C提供。

其它各區(qū)域設(shè)置的水冷除濕機的冷卻水均由全廠冷卻水循環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)一提供。

5 地下廠房防潮除濕措施

根據(jù)地下廠房散濕量的計算與分析結(jié)果，以及參考其它國內(nèi)類似地下廠房的測試及運行情況[4]，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)對地下廠房的潮濕問題引起充分重視。白鶴灘電站除濕系統(tǒng)擬從控制散濕源、減少散濕途徑以及設(shè)置機械除濕等方面綜合進行全廠防潮除濕設(shè)計。分別采取了以下措施進行防濕：

1）施工區(qū)采取合理的通風(fēng)系統(tǒng)可使施工余水盡量在施工期間散發(fā)。

2）主廠房水輪機層及其以上各層、副廠房各層、主變洞各層均設(shè)置了離壁防潮墻，同時，地下廠房各區(qū)域襯砌內(nèi)均設(shè)置了圍巖滲漏排水系統(tǒng)，有效減少圍護結(jié)構(gòu)向廠房內(nèi)部的散濕。

3）各類低溫載體水管及設(shè)備擬設(shè)置保溫措施，防減少低溫管/設(shè)備壁產(chǎn)生的凝結(jié)水造成的工藝設(shè)備及地面散水散濕。

4）選擇進風(fēng)口位置和通風(fēng)空調(diào)方案控制外部空氣水分帶入洞內(nèi)。

根據(jù)計算結(jié)果和擬定的通風(fēng)空調(diào)方案，結(jié)合已有電站的經(jīng)驗，在僅運行全廠通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的工況下，主廠房水輪機層及其以下層、副廠房底層、尾水管檢修閘門室、尾水洞檢修閘門室以及壩內(nèi)其它泵房等區(qū)域仍相對較為潮濕，因此，在上述各場所分別設(shè)置了水冷或風(fēng)冷除濕機進行強化機械除濕，以保證廠內(nèi)各個場所空氣相對濕度控制在設(shè)計范圍。

6 冬季、過渡季通風(fēng)空調(diào)措施

本地下廠房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的季節(jié)轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)將采用分季節(jié)定風(fēng)量運行的方式[5]。在冬季全部為通風(fēng)系統(tǒng)運行，一般風(fēng)機在低速狀態(tài)下工作，風(fēng)量約為總風(fēng)量的一半，經(jīng)計算并參考已建電站的實際運行經(jīng)驗，可以滿足地下廠房環(huán)境要求。進入春季或初夏季后，根據(jù)各場所的環(huán)境溫度調(diào)節(jié)發(fā)熱量較大區(qū)域的通風(fēng)量，使雙速風(fēng)機投入高速運行。當(dāng)通風(fēng)不能滿足溫度和濕度要求時，可部分啟動空調(diào)系統(tǒng)進行降溫除濕。當(dāng)進入夏季及初秋季節(jié)可根據(jù)進風(fēng)的露點溫度部分或全部啟動機械制冷系統(tǒng)。由于地下廠房洞室群熱效應(yīng)作用及延時作用，進入秋季后，廠內(nèi)溫度仍可能較高，為減少冷水機組的開啟時間，節(jié)約廠用電，一般發(fā)熱量較大的場所通風(fēng)機均可作高速運行，其余場所風(fēng)機可根據(jù)具體情況作低速運行。

7 結(jié)論及分析

白鶴灘水電站地下廠房通風(fēng)空調(diào)設(shè)計滿足了機電設(shè)備正常運行對環(huán)境溫度的要求、人員的衛(wèi)生要求和安全要求，總體設(shè)計方案簡捷、有效，具有較好的經(jīng)濟性。白鶴灘電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)方式以機械通風(fēng)為主，空調(diào)除濕為輔。充分利用已有的洞室和通道織通風(fēng)流程。盡量減少專用通風(fēng)通道和豎井的開挖，充分利用進風(fēng)通道的自然降溫去濕效應(yīng)。具備夏季及冬季兩種運行方式。白鶴灘電站正處于建設(shè)期，待電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)投運后，可再根據(jù)廠房各場所的實際溫度與設(shè)計溫度做對比分析，優(yōu)化運行方式。