白鹤滩水电站地下厂房通风空调设计探讨

陈典龙 郑璇 周玉国 李浪

白鹤滩电站装机容量16000 MW，多年平均发电量625.21 亿kW·h，保证出力5500 MW。电站水库总库容206.27 亿m3，调节库容可达104.36 亿m3，防洪库容75.0 亿m3。左、右岸地下厂房由主副厂房、主变洞、尾水管检修闸门室、尾水洞检修闸门室四大洞室组成。左、右岸出线系统由其自身洞室及与其相通的小洞室组成。地下厂房作为一个相对封闭的空间，不管是对设备的安全运行，还是人员工作环境的舒适性和保障性，通风空调系统都发挥着极其重要的作用。提供足够的新风以满足人员的需要，调节环境温湿度以保障设备的运行，同时把热湿空气及污浊气体排放到室外以防聚积产生不良影响，由此可见通风空调系统是地下厂房不可或缺的重要组成部分。

1 通风空调设计参数的确定

1.1 室外气象资料

金沙江流域地处亚热带季风区，冬季受西风环流、夏季受偏南季风影响，季节变化明显，且有较明显的干热河谷特性。白鹤滩水电站位于云南省巧家县城下游约42 km 的金沙江峡谷河段上，华东院自1993 年起在巧家县大寨乡白鹤滩村设立气象站，测站高程675 m，距金沙江约0.5 km，有1994～2009 年较详细的气象统计资料。同时，电站所在地巧家县和宁南县分别设有气象站，也记录历年来的气象统计资料。

白鹤滩电站所在地巧家县、宁南县、白鹤滩镇气象站的参数进行统计和分析，据分析，三个气象站参数由于位置差异，气象参数略有不同，白鹤滩气象站的气象特性更能代表白鹤滩地下厂房及主要进风通道所在金沙江河谷下部区域的情况。

白鹤滩气象站1994～2009 年参数如表1：

表1 白鹤滩气象站1994～2009 年参数

1.2 室内空气设计参数

白鹤滩地下厂房各场所设计参数主要依据NB/T 35040-2014《水力发电厂供暖通风与空气调节设计规范》的要求[1]，参照西南地区大型地下厂房设计经验和已建地下厂房实际运行情况，并结合本电站的环境条件及实际运行要求[2]，确定白鹤滩电站地下厂房各场所采用的空气设计参数，如表2。

表2 地下厂房各场所采用的空气设计参数

2 地下厂房通风方式的确定

白鹤滩电站左右岸的主副厂房洞、母线洞、主变洞土建及机电布置基本相同，左右岸出线洞高度略有不同，右岸出线高度略大于左岸。

2.1 发热量计算

由于地下厂房埋件较深，受外界气候的直接影响较小，厂房内的发热量主要来自于发电机、大电流封闭母线、变压器以及各类配电设备、照明、电缆等，鉴于白鹤滩本阶段还无法获得详实的发热量计算基础资料，参照类似电站的经验，对机电设备发热量进行了估算[3]，其结果见表3。

表3 地下厂房各场所的发热量

2.2 壁面传热量计算

白鹤滩电站地下厂房属于地下深埋建筑，按地下厂房各洞室的岩体结构和衬砌特点，对左岸各洞室的围岩传热量进行初步计算，左岸各洞室洞壁的传热量计算结果见表4。由于岩体的吸、放热量受多种因素影响，为一不稳定值。特别是在地下厂房运行一段时期后，岩体温度有一个缓慢上升过程，吸放热效应大为降低，而且，岩体的温度变化较环境温度有一定延时，若不考虑蓄热效应，将导致厂房先冷后热。因此，在通风空调系统设计时，把岩体的吸、放热量做为设计安全余量考虑。

表4 地下厂房各洞室的壁面传热量

2.3 散湿量计算

由于白鹤滩地下洞室群受围岩裂隙、断层等影响，岩体的渗水量很难估计，厂房周边虽有排水设施，部分厂房壁也做了衬砌和离壁衬砌，要准确计算厂房各部位的散湿量仍相当困难。从已建电站看，尽管都进行了散湿量计算和相应的除湿设计，但实际运行时厂房潮湿问题依旧存在。本阶段对各洞室围护结构散湿量进行了初步计算，各洞室围护结构表面散湿量计算结果见表5，表中散湿量仅供厂房除湿系统设计时参考，而整个地下厂房的防潮和除湿应从设计到施工，从土建到机电，从方案到细节，全面得到重视。

表5 地下洞室围护结构表面散湿量

根据各个场所的工作性质和运行规律，结合发热量、散湿量的分析，确定左岸地下厂房各区域的通风空调方式及风量、冷量如表6。

表6 左岸地下厂房各区域通风空调方式及风量、冷量场所发热量

综上，全厂采用通风为主、空调为辅的方式，其中出线洞、主变洞机组段、尾水管检修闸门室、尾水洞检修闸门室基本采用通风方式。而主厂房、母线洞、副厂房部分楼层、主变洞南端/北端副厂房等区域除机械通风外，另辅以空调制冷。而在操作廊道层、蜗壳下层、蜗壳上层、水轮机层、副厂房底层和坝内部分区域设置除湿机，强化除湿。

3 通风系统的气流组织

白鹤滩电站左、右岸厂区主副厂房洞、主变洞、尾水管检修闸门室、尾水洞检修闸门室的主要进风通道共4 条：主副厂房洞的进风通道为1#进风竖井及平洞、通风兼安全洞。主变洞的进风通道为进厂交通洞和2#进风竖井及平洞。尾水管检修闸门室的进风道为2#进风竖井及平洞。尾水洞检修闸门室的进风通道为通风兼安全洞。主要排风通道共3 条：主副厂房洞，主变洞和尾水管检修闸门室排风通道为1#、2#排风竖井及平洞。尾水洞检修闸门室排风道为尾水洞检修闸门室通风兼安全洞。以上对于左、右岸地下厂房四大洞室（主厂房洞、主变洞、尾水管检修闸门室、尾水洞检修闸门室），形成四进三排的进、排风系统。

左、右岸出线系统的进、排风通道由其自身及与其相通的小洞室解决，主要进风通道共2 条：下段进风取自进厂交通洞，由下层排水廊道衔接吸入。上段进风通道为竖井中部的出线交通洞进风道。主要排风通道共2 条：下段排风通道为竖井中部的出线交通洞排风道，上段排风由竖井顶部排风机直接排至竖井顶部室外。

左岸地下厂房通风空调系统主要进、出空气流程如图1 所示，右岸进、出空气流程与左岸相同：

图1 左岸通风空调系统空气流程图

4 空调系统组成[4]

除利用通风系统降温除湿外，地下厂房各场所还采用了机械制冷方式。白鹤滩水轮发电机组采用分层取水方式，空调水系统采用下游尾水管取水作为冷却水水源的方案，冷却水系统采用开式循环，主厂房组合式空调器采用一级表冷，空调主机采用高效螺杆式水源冷水机组，以充分利用水库水资源，减少损耗。

考虑主厂房左右侧空调机房距离较远，空调末端布置也较为分散，高程差异较大，主副厂房洞空调水系统采用异程布置，设置管路平衡阀进行调节。由于空调水系统末端数量较多，且末端启停工况受水轮发电机运行工况制约，从节能角度出发，冷却水及冷冻水系统均采用一次泵变流量运行方式。另外，在副厂房顶部设置膨胀水箱对空调冷冻水循环系统进行高位定压。全厂空调系统主要分为4 种类型：

1）地下副厂房人员集中的通信设备层、主变洞南端/北端副厂房、母线洞和地面中控楼采用直接蒸发式风冷系统，主厂房中间层采用水冷单元式空调机组，主副厂房其它区域采用“水冷冷水机组+卧式组合空调器（或柜式空调器）”的中央空调方式，地面其他单体采用风冷热泵单元式分体空调器。

2）主厂房发电机层空调采用“水冷冷水机组+组合式空调器”的方式，冷源由水冷冷水机组提供。主厂房中间层的空调采用单元式水冷空调机组的空调方式，其冷却水由全厂冷却水系统统一提供。

3）副厂房各层功能各不相同，根据设备室、电气室、二次监视室、办公会议室等不同工作特性，副厂房压气机层、照明变配电层、公用变配电层分别设置柜式空调器，其冷源由空调冷水机组提供，而在人员较为集中通信设备层及其它办公场所单独设置变冷媒流量多联空调系统，其冷热源由布置在副厂房拱顶的空调室外机提供。

4）主变洞副厂房和母线洞单独设置变冷媒流量多联空调系统，其冷源则由布置在主变拱顶的室外机提供。

其它各区域设置的水冷除湿机的冷却水均由全厂冷却水循环系统统一提供。

5 地下厂房防潮除湿措施

根据地下厂房散湿量的计算与分析结果，以及参考其它国内类似地下厂房的测试及运行情况[4]，通风空调系统设计时应对地下厂房的潮湿问题引起充分重视。白鹤滩电站除湿系统拟从控制散湿源、减少散湿途径以及设置机械除湿等方面综合进行全厂防潮除湿设计。分别采取了以下措施进行防湿：

1）施工区采取合理的通风系统可使施工余水尽量在施工期间散发。

2）主厂房水轮机层及其以上各层、副厂房各层、主变洞各层均设置了离壁防潮墙，同时，地下厂房各区域衬砌内均设置了围岩渗漏排水系统，有效减少围护结构向厂房内部的散湿。

3）各类低温载体水管及设备拟设置保温措施，防减少低温管/设备壁产生的凝结水造成的工艺设备及地面散水散湿。

4）选择进风口位置和通风空调方案控制外部空气水分带入洞内。

根据计算结果和拟定的通风空调方案，结合已有电站的经验，在仅运行全厂通风空调系统的工况下，主厂房水轮机层及其以下层、副厂房底层、尾水管检修闸门室、尾水洞检修闸门室以及坝内其它泵房等区域仍相对较为潮湿，因此，在上述各场所分别设置了水冷或风冷除湿机进行强化机械除湿，以保证厂内各个场所空气相对湿度控制在设计范围。

6 冬季、过渡季通风空调措施

本地下厂房通风空调系统的季节转换与调节将采用分季节定风量运行的方式[5]。在冬季全部为通风系统运行，一般风机在低速状态下工作，风量约为总风量的一半，经计算并参考已建电站的实际运行经验，可以满足地下厂房环境要求。进入春季或初夏季后，根据各场所的环境温度调节发热量较大区域的通风量，使双速风机投入高速运行。当通风不能满足温度和湿度要求时，可部分启动空调系统进行降温除湿。当进入夏季及初秋季节可根据进风的露点温度部分或全部启动机械制冷系统。由于地下厂房洞室群热效应作用及延时作用，进入秋季后，厂内温度仍可能较高，为减少冷水机组的开启时间，节约厂用电，一般发热量较大的场所通风机均可作高速运行，其余场所风机可根据具体情况作低速运行。

7 结论及分析

白鹤滩水电站地下厂房通风空调设计满足了机电设备正常运行对环境温度的要求、人员的卫生要求和安全要求，总体设计方案简捷、有效，具有较好的经济性。白鹤滩电站通风空调系统通风空调方式以机械通风为主，空调除湿为辅。充分利用已有的洞室和通道织通风流程。尽量减少专用通风通道和竖井的开挖，充分利用进风通道的自然降温去湿效应。具备夏季及冬季两种运行方式。白鹤滩电站正处于建设期，待电站通风空调系统投运后，可再根据厂房各场所的实际温度与设计温度做对比分析，优化运行方式。