柴油發(fā)電機組機房通風降溫方案研究

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

2 工程概況 

    某發(fā)電機房處于地下，長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)電機組4臺。機房布局如圖1所示。

    平時供電使用時，只運行一臺機組即可滿足要求。消磁工況時，機組穩(wěn)定負荷Q1=3500KW，脈沖負荷Q2=6400KW，計算負荷Q=Q1+(70%~80%)Q2=7980~8260KW，相當于三臺機組同時運行的情況。但在實際工作時，通常啟用四臺機組以適應(yīng)脈沖負荷加速性的需求而作相應(yīng)的功率儲備。每臺機組額定功率時散熱機房的總熱量，累計為354.1kW。這些散熱量并不包括排煙管的散熱量。

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

    根據(jù)設(shè)計說明，機房內(nèi)的空氣狀態(tài)要求控制在狀態(tài)點A：=34℃,=70%，；室外設(shè)計氣象參數(shù)狀態(tài)點W為：=31.3℃,，；空調(diào)送風狀態(tài)點S：=18℃,=95%，。機房設(shè)計最大通風量，冷風量上限為80000。

3 機組輸出功率和散熱量的關(guān)系分析    發(fā)電機組處在不同的運行工況下，其散熱量必然有所不同，而機組的散熱量直接決定了機房內(nèi)的熱負荷，進而會對通風降溫的運行方式產(chǎn)生重大影響。通常，機組散熱量Q取決于其負荷狀態(tài)，也就是機組輸出功率P。機組的散熱量分為三個部分：柴油機輻射熱、柴油機對流熱以及發(fā)電機散熱。發(fā)電機散熱可以認為基本恒定，柴油機輻射熱和對流熱則都和機組表面溫度有關(guān)，根據(jù)傳熱學的相關(guān)理論，存在如下關(guān)系：

    輻射熱

    對流熱

    式中，—機組表面溫度,；

    —機房平均溫度，；

    —機房各壁面表面溫度，包括墻體和設(shè)備，；

    —機組對于各壁面的角系數(shù)；

    —機組的發(fā)射率；

    —機組外表渺幡巍懟啤笑桅痞兀，；

    —機組與周圍空氣的對流換熱系數(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。機組表面溫度可以認為正比于排氣溫度，即。測定機組不同輸出功率P時對應(yīng)的排氣溫度，就可以得到相應(yīng)的機組表面溫度。

    由此，便可以預測非額定工況下單臺機組向機房內(nèi)的散熱量，包括柴油機輻射熱和柴油機對流熱，再加上固定不變的發(fā)電機散熱量，就能得到相應(yīng)負荷條件下的機組向機房內(nèi)的總散熱量，表1給出了單臺機組處于典型輸出功率時的散熱量。

表1 單臺機組處于典型輸出功率時的散熱量

輸出功率比（）

60%

70%

80%

90%

100%

實際輸出功率(kW)

1800

2100

2400

2700

3000

散熱量(kW)

322.65

334.51

345.14

351.8

354.10

4 機房通風降溫策略    現(xiàn)有的四臺柴油發(fā)電機組有兩種工作模式：通常用于普通供電，機組負荷較小；有時用于消磁供電，瞬時脈沖負荷很大，需要多臺機組聯(lián)合運行保證電力需求。

    4.1普通工作模式的通風降溫策略

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

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

    一臺機組的額定散熱量，顯然。也就是說，只需通入室外新風，同時配合室內(nèi)噴霧加濕，利用水的汽化潛熱，就足以帶走機房余熱。這時存在著兩套可供選擇的通風降溫方案：Ⅰ 通風換氣量隨負荷而變，Ⅱ 在變化的負荷條件下，機房的通風換氣量不變，取最大設(shè)計風量。新風進入機房后的狀態(tài)變化過程見圖2。

方案Ⅰ

方案Ⅱ

圖2 直接通風模式下新風狀態(tài)變化圖

    方案Ⅰ：新風通入機房后，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，達到中間狀態(tài)點B。此時，空氣溫度，含濕量，。隨后，機房內(nèi)送入34℃的飽和水進行噴霧處理，空氣隨之經(jīng)歷等溫加濕過程，從狀態(tài)點B變化到室內(nèi)狀態(tài)點A。計算得到不同負荷下所需通入的新風量和噴霧量見表2。

表2 普通供電時的通風降溫模式（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A’點的相對濕度會小于設(shè)計值70%。表3列出了機組運行在不同輸出功率時，實際的室內(nèi)狀態(tài)點A’的焓值以及相對含濕量，可見隨著機組運行狀態(tài)的改變室內(nèi)狀態(tài)點A的偏移很小，基本上能夠滿足設(shè)計要求。計算機房內(nèi)的噴霧加濕量，得到方案Ⅱ?qū)?yīng)的通風降溫運行模式（見表4）。

表3 不同輸出功率下的實際室內(nèi)狀態(tài)點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 普通供電時的通風降溫模式（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

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

    4.2 消磁工作模式的通風降溫策略

    進行消磁供電時，負荷較大，為了適應(yīng)脈沖負荷加速性的需求，機房內(nèi)四臺3000kW的機組均投入運行以進行功率儲備。考慮到機組散熱遠遠大于其它設(shè)備、照明以及人員產(chǎn)熱，因此可以忽略其它熱源，認為機房的熱負荷全部來自于發(fā)電機組。表5列出了功率P從60%增加到100%額定出力時所對應(yīng)的機房熱負荷Q。

表5 消磁工作模式下的機房熱負荷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

    這時必須啟用空調(diào)設(shè)備以帶走額外的熱負荷，從而保證機房內(nèi)的溫濕度要求，使得發(fā)電機組得以安全穩(wěn)定地運行。假定冷風量達到上限值8萬m3/h，同時機房處于最大的通風換氣量條件下，即引入室外新風16萬m3/h，則此時所能帶走的最大室內(nèi)負荷為1560KW，大于四臺機組最大出力時候的機房散熱量。因此，實際運行時，可以適當增大室外新風在總通風量中的比重，以減小空調(diào)機房的負擔，盡可能地減少能耗和降低運行費用。圖3表示的是送入機房內(nèi)的空氣的狀態(tài)變化過程。

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

    根據(jù)發(fā)電機組的實際輸出功率P，確定機房熱負荷Q，確定最優(yōu)的通風降溫模降溫方案，包括直接通風量，空調(diào)送風量以及機房內(nèi)的噴霧量。機組在不同出力情況下所需的機房通風量以及加濕量計算結(jié)果見表6。

表6 消磁工況時的通風降溫模式

P/P額定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

冷風量GAUH（萬m3/h）

5.94

6.31

6.63

6.83

7.20

室外引風Gw（萬m3/h）

18.06

17.69

17.37

17.17

16.80

機房噴霧量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降溫策略

    除了開啟一臺機組用于供電的情況，還需要考慮某些特殊情形下兩臺或者三臺機組同時開啟的工況。

    4.3.1 開啟兩臺機組

    兩臺機組運行在不同輸出功率P時，機房內(nèi)的熱負荷見表7。

表7 兩臺機組運行在不同工況時的機房熱負荷

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給機房降溫所能帶走的室內(nèi)余熱上限值為512KW。表7顯示，即使機組以最低功率運行(60%額定輸出值)，其散熱量仍然大于直接通風方式對應(yīng)的室內(nèi)最大允許熱負荷。因此，當開啟的發(fā)電機組臺數(shù)超過一臺時，必須啟用空調(diào)設(shè)備以帶走額外的熱負荷，從而保證機房內(nèi)的溫濕度要求，使得發(fā)電機組得以安全穩(wěn)定地運行。

    實際運行時，以節(jié)能為出發(fā)點確定最優(yōu)的通風降溫方案。根據(jù)以上分析，在不得不啟用空調(diào)機房的情況下，應(yīng)當適當增大室外新風在總通風量中的比重，以減小空調(diào)送風量，降低空調(diào)機房的負擔，盡可能地減少能耗和運行費用。確定最優(yōu)的通風降溫方案，包括直接通風量，空調(diào)送風量以及機房內(nèi)的噴霧量。計算結(jié)果如表8所示。

表8 開啟兩臺機組時的通風降溫模式

P/P額定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

冷風量GAUH（萬m3/h）

1.02

1.20

1.36

1.51

1.64

室外引風Gw（萬m3/h）

22.98

22.80

22.64

22.49

22.36

機房噴霧量Mw（kg/h）

525.3

547.0

566.5

584.2

600.4

    4.3.2 開啟三臺機組

    用同樣的思路，可以確定開啟三臺機組時的機房負荷和最優(yōu)通風降溫模式，見表9。

表9 開啟三臺機組時的通風降溫模式

P/P額定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

冷風量GAUH（萬m3/h）

3.48

3.75

3.99

4.22

4.42

室外引風Gw（萬m3/h）

20.52

20.25

20.01

19.78

19.58

機房噴霧量Mw（kg/h）

820.9

853.5

882.7

909.2

933.6

5 結(jié)論    對比機組選擇不同的運行臺數(shù)時，空調(diào)送風量，機房直接通風量以及機房內(nèi)的噴霧量，可以發(fā)現(xiàn)其隨著機組實際輸出功率而變化的規(guī)律：

    ①當機組運行臺數(shù)超過一臺，如果給定機組運行臺數(shù)，則空調(diào)送風量隨著機組輸出功率的增加基本呈現(xiàn)線性增長的趨勢，但增加的幅度不大。但是如果在運行過程中突然增加開啟的機組臺數(shù)，則空調(diào)送風量會有明顯的增加。

    ②只開啟一臺機組時，由于沒有開啟空調(diào)機房，完全依靠室外新風降溫，因此，隨著機組輸出功率的增加，機房的熱負荷變大，從而所要求的通風量隨之增大。當開啟的機組超過一臺，通風量隨著機組輸出功率的增加反而減少。

    ③給定機組運行臺數(shù)，則機房內(nèi)的噴霧加濕量隨著機組輸出功率的增加呈現(xiàn)線性增長的趨勢，但增長比較緩慢。

    另外，需要指出的是本文是在當室外氣象參數(shù)=31.3℃,，時，對機組不同開啟臺數(shù)時的通風降溫方案得到的結(jié)論。然而，室外氣象條件不是一成不變的，而是每時每刻都在發(fā)生著變化，這就導致引入機房的新風的溫濕度參數(shù)會有相應(yīng)的波動，從而影響降溫能力，對于室外氣象臨界狀態(tài)點的探討本文沒有進行。