1 引言     發(fā)電機(jī)房必須維持一定的溫濕度狀態(tài)，才能保證其中的發(fā)電機(jī)組能夠安全正常地運(yùn)行。發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的散熱量很大，因此需要確定合理的通風(fēng)降溫方案，以保證機(jī)房?jī)?nèi)的余熱能夠及時(shí)排除以避免溫度超過允許值。對(duì)發(fā)電機(jī)房來說，如何控制室內(nèi)的溫濕度在要求范圍內(nèi)，從而保證機(jī)組安全高效地運(yùn)行，同時(shí)盡可能降低能源消耗以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，是一個(gè)值得仔細(xì)研究的問題。這個(gè)問題涉及到方案設(shè)計(jì)，設(shè)備選擇，運(yùn)行管理等各個(gè)方面，本文以實(shí)際工程為例對(duì)發(fā)電機(jī)房的通風(fēng)降溫方案進(jìn)行研究。

2 工程概況 

    某發(fā)電機(jī)房處于地下，長(zhǎng)34.5m，寬19.0m，采用大跨度弧形屋頂，凈高12.0m。根據(jù)1＃洞的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求和供電使用要求，設(shè)置3000kW的柴油發(fā)電機(jī)組4臺(tái)。機(jī)房布局如圖1所示。

    平時(shí)供電使用時(shí)，只運(yùn)行一臺(tái)機(jī)組即可滿足要求。消磁工況時(shí)，機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷Q1=3500KW，脈沖負(fù)荷Q2=6400KW，計(jì)算負(fù)荷Q=Q1+(70%~80%)Q2=7980~8260KW，相當(dāng)于三臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行的情況。但在實(shí)際工作時(shí)，通常啟用四臺(tái)機(jī)組以適應(yīng)脈沖負(fù)荷加速性的需求而作相應(yīng)的功率儲(chǔ)備。每臺(tái)機(jī)組額定功率時(shí)散熱機(jī)房的總熱量，累計(jì)為354.1kW。這些散熱量并不包括排煙管的散熱量。

    工程設(shè)計(jì)中采用了直接通風(fēng)和空調(diào)送風(fēng)相結(jié)合的方式，以控制機(jī)房?jī)?nèi)溫濕度要求為最終目的，并從降低運(yùn)行費(fèi)用的角度出發(fā)確定合理的運(yùn)行策略。優(yōu)先考慮采用直接通風(fēng)的方案，即如果直接通入室外新風(fēng)便能夠帶走機(jī)房產(chǎn)熱，不啟用空調(diào)機(jī)房；直接引入室外新風(fēng)量存在一定的上限，當(dāng)采用最大室外新風(fēng)量仍然無法及時(shí)排除室內(nèi)余熱的時(shí)候，啟用空調(diào)系統(tǒng)，向機(jī)房?jī)?nèi)通入冷風(fēng)，幫助帶走機(jī)組產(chǎn)熱。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，允許向機(jī)房?jī)?nèi)進(jìn)行一定的噴霧加濕，利用水在相變過程中的吸熱，輔助降溫。

    根據(jù)設(shè)計(jì)說明，機(jī)房?jī)?nèi)的空氣狀態(tài)要求控制在狀態(tài)點(diǎn)A：=34℃,=70%，；室外設(shè)計(jì)氣象參數(shù)狀態(tài)點(diǎn)W為：=31.3℃,，；空調(diào)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)S：=18℃,=95%，。機(jī)房設(shè)計(jì)最大通風(fēng)量，冷風(fēng)量上限為80000。

3 機(jī)組輸出功率和散熱量的關(guān)系分析    發(fā)電機(jī)組處在不同的運(yùn)行工況下，其散熱量必然有所不同，而機(jī)組的散熱量直接決定了機(jī)房?jī)?nèi)的熱負(fù)荷，進(jìn)而會(huì)對(duì)通風(fēng)降溫的運(yùn)行方式產(chǎn)生重大影響。通常，機(jī)組散熱量Q取決于其負(fù)荷狀態(tài)，也就是機(jī)組輸出功率P。機(jī)組的散熱量分為三個(gè)部分：柴油機(jī)輻射熱、柴油機(jī)對(duì)流熱以及發(fā)電機(jī)散熱。發(fā)電機(jī)散熱可以認(rèn)為基本恒定，柴油機(jī)輻射熱和對(duì)流熱則都和機(jī)組表面溫度有關(guān)，根據(jù)傳熱學(xué)的相關(guān)理論，存在如下關(guān)系：

    輻射熱

    對(duì)流熱

    式中，—機(jī)組表面溫度,；

    —機(jī)房平均溫度，；

    —機(jī)房各壁面表面溫度，包括墻體和設(shè)備，；

    —機(jī)組對(duì)于各壁面的角系數(shù)；

    —機(jī)組的發(fā)射率；

    —機(jī)組外表渺幡巍懟啤笑桅痞兀，；

    —機(jī)組與周圍空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，。

    其中，以及均為定值，假定各壁面與空氣換熱良好，即各壁面溫度。機(jī)組表面溫度可以認(rèn)為正比于排氣溫度，即。測(cè)定機(jī)組不同輸出功率P時(shí)對(duì)應(yīng)的排氣溫度，就可以得到相應(yīng)的機(jī)組表面溫度。

    由此，便可以預(yù)測(cè)非額定工況下單臺(tái)機(jī)組向機(jī)房?jī)?nèi)的散熱量，包括柴油機(jī)輻射熱和柴油機(jī)對(duì)流熱，再加上固定不變的發(fā)電機(jī)散熱量，就能得到相應(yīng)負(fù)荷條件下的機(jī)組向機(jī)房?jī)?nèi)的總散熱量，表1給出了單臺(tái)機(jī)組處于典型輸出功率時(shí)的散熱量。

表1 單臺(tái)機(jī)組處于典型輸出功率時(shí)的散熱量

輸出功率比（）

60%

70%

80%

90%

100%

實(shí)際輸出功率(kW)

1800

2100

2400

2700

3000

散熱量(kW)

322.65

334.51

345.14

351.8

354.10

4 機(jī)房通風(fēng)降溫策略    現(xiàn)有的四臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組有兩種工作模式：通常用于普通供電，機(jī)組負(fù)荷較??；有時(shí)用于消磁供電，瞬時(shí)脈沖負(fù)荷很大，需要多臺(tái)機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行保證電力需求。

    4.1普通工作模式的通風(fēng)降溫策略

    機(jī)組用作普通供電時(shí)，機(jī)房?jī)?nèi)只有一臺(tái)3000kW的機(jī)組處于工作狀態(tài)，可能工作在額定狀態(tài)，也可能以部分負(fù)荷運(yùn)行。機(jī)房?jī)?nèi)其它設(shè)備和人員產(chǎn)熱很小，基本可以忽略，因此機(jī)房的熱負(fù)荷全部來自于發(fā)電機(jī)組。功率P從60%增加到100%額定出力時(shí)所對(duì)應(yīng)的機(jī)房熱負(fù)荷Q見表1。此時(shí)，可以啟用空調(diào)系統(tǒng)，向機(jī)房?jī)?nèi)送入冷風(fēng)以有效降溫，也可以直接引入室外新風(fēng)，利用室內(nèi)外空氣的焓差帶走機(jī)組產(chǎn)熱。從節(jié)能和降低運(yùn)行費(fèi)用的角度出發(fā)，希望盡可能多地利用室外新風(fēng)，在能保證機(jī)房溫濕度要求的前提下，減少空調(diào)機(jī)房的啟用時(shí)間和空調(diào)送風(fēng)量。

    因此，首先需要校核自然降溫方式所能帶走的最大熱負(fù)荷。假定直接引入室外新風(fēng)，不啟用空調(diào)設(shè)備，由于設(shè)計(jì)機(jī)房的最大通風(fēng)換氣量為，因此新風(fēng)量最大可以取，在這種通風(fēng)量條件下，所能帶走的室內(nèi)余熱為512KW。

    一臺(tái)機(jī)組的額定散熱量，顯然。也就是說，只需通入室外新風(fēng)，同時(shí)配合室內(nèi)噴霧加濕，利用水的汽化潛熱，就足以帶走機(jī)房余熱。這時(shí)存在著兩套可供選擇的通風(fēng)降溫方案：Ⅰ 通風(fēng)換氣量隨負(fù)荷而變，Ⅱ 在變化的負(fù)荷條件下，機(jī)房的通風(fēng)換氣量不變，取最大設(shè)計(jì)風(fēng)量。新風(fēng)進(jìn)入機(jī)房后的狀態(tài)變化過程見圖2。

方案Ⅰ

方案Ⅱ

圖2 直接通風(fēng)模式下新風(fēng)狀態(tài)變化圖

    方案Ⅰ：新風(fēng)通入機(jī)房后，吸收室內(nèi)余熱，由于室內(nèi)沒有濕源，因此空氣溫度升高，但含濕量不變，達(dá)到中間狀態(tài)點(diǎn)B。此時(shí)，空氣溫度，含濕量，。隨后，機(jī)房?jī)?nèi)送入34℃的飽和水進(jìn)行噴霧處理，空氣隨之經(jīng)歷等溫加濕過程，從狀態(tài)點(diǎn)B變化到室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)A。計(jì)算得到不同負(fù)荷下所需通入的新風(fēng)量和噴霧量見表2。

表2 普通供電時(shí)的通風(fēng)降溫模式（方案Ⅰ）

P/P額定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Gw（萬m3/h）

15.12

15.69

16.18

16.49

17.05

Mw（kg/h）

254.1

263.43

271.80

277.04

286.38

    方案Ⅱ：與方案Ⅰ相比，由于增加了通風(fēng)量，因此室內(nèi)噴霧加濕量必然相應(yīng)減少。因此，一般來說，此時(shí)A’點(diǎn)的相對(duì)濕度會(huì)小于設(shè)計(jì)值70%。表3列出了機(jī)組運(yùn)行在不同輸出功率時(shí)，實(shí)際的室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)A’的焓值以及相對(duì)含濕量，可見隨著機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的改變室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)A的偏移很小，基本上能夠滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算機(jī)房?jī)?nèi)的噴霧加濕量，得到方案Ⅱ?qū)?yīng)的通風(fēng)降溫運(yùn)行模式（見表4）。

表3 不同輸出功率下的實(shí)際室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)A’（方案Ⅱ）

P/P額定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

（）

91.4

91.9

92.5

92.9

93.2

（）

22.4

22.5

22.7

22.9

23.0

66.3%

66.8%

67.4%

67.9%

68.2%

表4 普通供電時(shí)的通風(fēng)降溫模式（方案Ⅱ）

P/P額定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Gw（萬m3/h）

24.0

24.0

24.0

24.0

24.0

Mw（kg/h）

57.6

86.4

144.0

201.6

230.4

    對(duì)比兩種通風(fēng)降溫方案，不難發(fā)現(xiàn)方案Ⅰ的通風(fēng)量減小，但是噴霧量相對(duì)較大，而方案Ⅱ則正好相反。

    4.2 消磁工作模式的通風(fēng)降溫策略

    進(jìn)行消磁供電時(shí)，負(fù)荷較大，為了適應(yīng)脈沖負(fù)荷加速性的需求，機(jī)房?jī)?nèi)四臺(tái)3000kW的機(jī)組均投入運(yùn)行以進(jìn)行功率儲(chǔ)備。考慮到機(jī)組散熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它設(shè)備、照明以及人員產(chǎn)熱，因此可以忽略其它熱源，認(rèn)為機(jī)房的熱負(fù)荷全部來自于發(fā)電機(jī)組。表5列出了功率P從60%增加到100%額定出力時(shí)所對(duì)應(yīng)的機(jī)房熱負(fù)荷Q。

表5 消磁工作模式下的機(jī)房熱負(fù)荷Q

P/P額定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Q (kW)

1290.6

1338.0

1380.6

1407.2

1416.4

    這時(shí)必須啟用空調(diào)設(shè)備以帶走額外的熱負(fù)荷，從而保證機(jī)房?jī)?nèi)的溫濕度要求，使得發(fā)電機(jī)組得以安全穩(wěn)定地運(yùn)行。假定冷風(fēng)量達(dá)到上限值8萬m3/h，同時(shí)機(jī)房處于最大的通風(fēng)換氣量條件下，即引入室外新風(fēng)16萬m3/h，則此時(shí)所能帶走的最大室內(nèi)負(fù)荷為1560KW，大于四臺(tái)機(jī)組最大出力時(shí)候的機(jī)房散熱量。因此，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可以適當(dāng)增大室外新風(fēng)在總通風(fēng)量中的比重，以減小空調(diào)機(jī)房的負(fù)擔(dān)，盡可能地減少能耗和降低運(yùn)行費(fèi)用。圖3表示的是送入機(jī)房?jī)?nèi)的空氣的狀態(tài)變化過程。

    混合通風(fēng)降溫模式下，空調(diào)機(jī)房的通風(fēng)換氣量一部分來自室外新風(fēng)，一部分來自于空調(diào)機(jī)組送風(fēng)。理論計(jì)算時(shí)，可以認(rèn)為兩股空氣送入機(jī)房后，先充分混合達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)C，然后吸收機(jī)組產(chǎn)熱溫度升高，達(dá)到中間狀態(tài)點(diǎn)B，最后經(jīng)過等溫加濕達(dá)到室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)A。

    根據(jù)發(fā)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率P，確定機(jī)房熱負(fù)荷Q，確定最優(yōu)的通風(fēng)降溫模降溫方案，包括直接通風(fēng)量，空調(diào)送風(fēng)量以及機(jī)房?jī)?nèi)的噴霧量。機(jī)組在不同出力情況下所需的機(jī)房通風(fēng)量以及加濕量計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 消磁工況時(shí)的通風(fēng)降溫模式

P/P額定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

冷風(fēng)量GAUH（萬m3/h）

5.94

6.31

6.63

6.83

7.20

室外引風(fēng)Gw（萬m3/h）

18.06

17.69

17.37

17.17

16.80

機(jī)房噴霧量Mw（kg/h）

1116.4

1159.9

1198.8

1223.2

1266.7

    4.3 其它工作模式下的通風(fēng)降溫策略

    除了開啟一臺(tái)機(jī)組用于供電的情況，還需要考慮某些特殊情形下兩臺(tái)或者三臺(tái)機(jī)組同時(shí)開啟的工況。

    4.3.1 開啟兩臺(tái)機(jī)組

    兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行在不同輸出功率P時(shí)，機(jī)房?jī)?nèi)的熱負(fù)荷見表7。

表7 兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行在不同工況時(shí)的機(jī)房熱負(fù)荷

P/P額定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Q (kW)

645.30

669.02

690.28

703.60

708.20

    假設(shè)在不啟用空調(diào)設(shè)備的情況下，單純依靠通入室外新風(fēng)給機(jī)房降溫所能帶走的室內(nèi)余熱上限值為512KW。表7顯示，即使機(jī)組以最低功率運(yùn)行(60%額定輸出值)，其散熱量仍然大于直接通風(fēng)方式對(duì)應(yīng)的室內(nèi)最大允許熱負(fù)荷。因此，當(dāng)開啟的發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)超過一臺(tái)時(shí)，必須啟用空調(diào)設(shè)備以帶走額外的熱負(fù)荷，從而保證機(jī)房?jī)?nèi)的溫濕度要求，使得發(fā)電機(jī)組得以安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

    實(shí)際運(yùn)行時(shí)，以節(jié)能為出發(fā)點(diǎn)確定最優(yōu)的通風(fēng)降溫方案。根據(jù)以上分析，在不得不啟用空調(diào)機(jī)房的情況下，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增大室外新風(fēng)在總通風(fēng)量中的比重，以減小空調(diào)送風(fēng)量，降低空調(diào)機(jī)房的負(fù)擔(dān)，盡可能地減少能耗和運(yùn)行費(fèi)用。確定最優(yōu)的通風(fēng)降溫方案，包括直接通風(fēng)量，空調(diào)送風(fēng)量以及機(jī)房?jī)?nèi)的噴霧量。計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 開啟兩臺(tái)機(jī)組時(shí)的通風(fēng)降溫模式

P/P額定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

冷風(fēng)量GAUH（萬m3/h）

1.02

1.20

1.36

1.51

1.64

室外引風(fēng)Gw（萬m3/h）

22.98

22.80

22.64

22.49

22.36

機(jī)房噴霧量Mw（kg/h）

525.3

547.0

566.5

584.2

600.4

    4.3.2 開啟三臺(tái)機(jī)組

    用同樣的思路，可以確定開啟三臺(tái)機(jī)組時(shí)的機(jī)房負(fù)荷和最優(yōu)通風(fēng)降溫模式，見表9。

表9 開啟三臺(tái)機(jī)組時(shí)的通風(fēng)降溫模式

P/P額定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

冷風(fēng)量GAUH（萬m3/h）

3.48

3.75

3.99

4.22

4.42

室外引風(fēng)Gw（萬m3/h）

20.52

20.25

20.01

19.78

19.58

機(jī)房噴霧量Mw（kg/h）

820.9

853.5

882.7

909.2

933.6

5 結(jié)論    對(duì)比機(jī)組選擇不同的運(yùn)行臺(tái)數(shù)時(shí)，空調(diào)送風(fēng)量，機(jī)房直接通風(fēng)量以及機(jī)房?jī)?nèi)的噴霧量，可以發(fā)現(xiàn)其隨著機(jī)組實(shí)際輸出功率而變化的規(guī)律：

    ①當(dāng)機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)超過一臺(tái)，如果給定機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，則空調(diào)送風(fēng)量隨著機(jī)組輸出功率的增加基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但增加的幅度不大。但是如果在運(yùn)行過程中突然增加開啟的機(jī)組臺(tái)數(shù)，則空調(diào)送風(fēng)量會(huì)有明顯的增加。

    ②只開啟一臺(tái)機(jī)組時(shí)，由于沒有開啟空調(diào)機(jī)房，完全依靠室外新風(fēng)降溫，因此，隨著機(jī)組輸出功率的增加，機(jī)房的熱負(fù)荷變大，從而所要求的通風(fēng)量隨之增大。當(dāng)開啟的機(jī)組超過一臺(tái)，通風(fēng)量隨著機(jī)組輸出功率的增加反而減少。

    ③給定機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，則機(jī)房?jī)?nèi)的噴霧加濕量隨著機(jī)組輸出功率的增加呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)比較緩慢。

    另外，需要指出的是本文是在當(dāng)室外氣象參數(shù)=31.3℃,，時(shí)，對(duì)機(jī)組不同開啟臺(tái)數(shù)時(shí)的通風(fēng)降溫方案得到的結(jié)論。然而，室外氣象條件不是一成不變的，而是每時(shí)每刻都在發(fā)生著變化，這就導(dǎo)致引入機(jī)房的新風(fēng)的溫濕度參數(shù)會(huì)有相應(yīng)的波動(dòng)，從而影響降溫能力，對(duì)于室外氣象臨界狀態(tài)點(diǎn)的探討本文沒有進(jìn)行。