某大型水电站厂房冷凝水成因分析与应对措施研究

向欣欣,张文亮,雷元金

(雅砻江流域水电开发有限责任公司，四川 成都 610051)

0 引 言

冷凝水是空气中水蒸汽液化过程产生的物质。空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度称为露点温度。当温度下降到露点温度以下时，空气中的水分将达到饱和状态析出，从而在表面上形成冷凝水。冷凝水的产生不仅会造成金属部件的锈蚀，发电机内部的冷凝水在循环风流的挟带下进入风道内，还会降低电气设备的绝缘水平，加速电器元件的老化[1]；同时还会造成墙皮脱落，给日常工作带来不便。因此，有效地减少冷凝水的产生具有重大意义。

水电站地下厂房通风系统的进风主要来源于组合空调送风和交通洞进风楼送风，其中在交通洞进风楼送风系统测量室外温度、湿度为全厂空调系统共享。通过分析计算出各个设备在什么样的温度和湿度情况下会产生冷凝水，利用这个极端条件来控制厂房空气的湿度和温度，从而可以从源头上减低冷凝水的产生，减少水电站设备的金属锈蚀，防止电气设备的绝缘损坏；同时也可以减轻检修工作，为厂房通风系统改造提供数据支持，让该水电站机电设备可以安全长久运行。

1 因素分析

根据物理知识可知，冷凝水的产生与该环境下的温度和湿度有关。当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；温度下降到露点温度以下时，空气中的水分就会析出；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。气温降到露点温度以下是水汽凝结的必要条件。在压力一定的情况下，空气温度下降到露点温度，湿空气中的水蒸汽饱和，从而凝结成水。温度、湿度以及露点温度三者的关系如下所示(见图1)。

图1 焓湿图

对某水电站厂房各处进行现场巡检发现，冷凝水主要集中在主变冷却水管道、GCB冷却器、上风洞、励磁滑环室、水车室主轴密封供水管道、技供泵房、995廊道以及用水管道等处。

1.1 温度的影响

该水电站冷凝水的形成主要集中在每年汛期7—11月。虽然厂房内全年的空气温度没有较大变化，但是取自尾水管的技术供水温度比其他月份低，与环境温差变大，这是冷凝水形成较多的原因之一。

1.2 湿度的影响

该地下厂房内进风楼位于该大坝下游，每年汛期7—11月泄洪频繁，导致空气湿度较大。湿度较大的空气从进风楼进入该地下厂房主层、发电机层、水轮机层、技术供水室等处。相同温度下，空气湿度越大，冷凝水越容易形成。

1.3 露点温度的计算

对全厂冷凝水进行数据收集分析得出，风洞与主变室比较，主变冷却器总排水管温度为20 ℃，没有冷凝水形成；但是风洞内冷却器冷风温度为30 ℃都有冷凝水形成，这与之前的结论相悖。我们通过以下3种方法来解释这个现象。

1.3.1 绝对含湿度D的计算

D=0.622×φPPs/(P-φPPs)

(1)

式中,P为空气压力(Pa)；Ps为水蒸汽饱和压力(Pa)；φp为相对湿度(%)。

厂房内空气压力P约为90 000 Pa(海拔1 000 m对应约为90 000 Pa)。

水蒸汽在湿度达到100%时，水分将会变成冷凝水析出。将绝对含湿量计算中的P、D保持不变，将φp变为100%后代入公式(1)即可得到Ps的值。根据计算结果，查表1得出相应温度下饱和水蒸汽压力(见表1)，再根据饱和水蒸汽压力查表2露点温度与主要湿度换算表得对应的温度即为露点温度(见表2)。

1.3.2 风洞内空冷器露点温度计算

根据现场测量的数据，计算6号机组空冷器露点温度。现场采用湿度计测量6号机风洞内相对湿度φp=33%，并以此作为计算露点温度的条件。查表1可得：57 ℃(CCS上空冷器热风温度)水蒸汽饱和压力Ps=17 334.97 Pa，相对湿度φp=33%；代入公式计算得到D=0.042 2 kg/kg。然后将D=0.042 2 kg/kg、φp=100%再次代入公式(1)，经计算得到Ps=5 858.87 Pa。查表2得对应的温度为35.6 ℃，该温度即为露点温度。由此可以看出，空冷器进风的露点温度为35.6 ℃，进水侧管壁温度为17.5 ℃，低于露点温度，因此必然会引起结露，与实际现象一致。

表1 不同温度下饱和水蒸汽压力 (来自国家标准GB/T 11605—2005)

表2 露点温度与主要湿度换算 (来自国家标准GB/T 11605—2005)

1.3.3 主变室露点温度计算

主变室空气温度为27 ℃，查表1可得：27 ℃水蒸汽饱和压力Ps=3 567.892 Pa，相对湿度φp=65%(经过湿度计测量得到)，以同样的方法计算得出D=0.015 kg/kg；然后将D=0.001 5 kg/kg、φp=100%再次代入公式(1)，经计算得到Ps=2 090 Pa。查表2得对应的温度为18.3 ℃，该温度即为主变室大气的露点温度。该露点温度验证了现场实际情况，即机组带400 MW，供水管水温为17 ℃，排水管水温为20 ℃，此时供水管处有冷凝水，排水管处无冷凝水；机组备用，供水管水温为17 ℃，排水管水温为18 ℃，此时供排水管处均有冷凝水。

1.3.4 干球温度法求露点温度

Td=23φ+0.84t-19.2[2]

(2)

式中，φ为相对湿度(%)；t为空气温度(℃)；Ta为露点温度(℃)。

将风洞内相关数据带入公式(2)中，可得露点温度为36 ℃。将主变室相关数据带入公式(2)中，可得露点温度为18.4 ℃。与上述计算方法结果相近，解释了温度低不一定会产生冷凝水的物理现象。

1.3.5 读图求露点温度

除了利用上述公式可以计算出露点温度之外，已知温度和相对湿度也可以利用焓湿图近似读出露点温度。为了便于说明利用焓湿图近似读取露点温度的方法，绘制了简易焓湿图(见图2)。在图2中找到当前温度和相对湿度对应的点A，向下做垂线，与相对湿度为100%曲线的交点B所对应的温度点C及为露点温度。利用该方法读出的6号机组上风洞露点温度在34.5 ℃左右，主变露点温度在19 ℃左右，与计算结果接近，进一步验证了露点温度计算的正确性。

图2 简易焓湿图

1.3.6 小结

风洞空气湿度约为33%，主变室空气湿度约为65%；通过上述3种计算都可以得出风洞内露点温度约为35.6 ℃，主变室内露点温度约为18.3 ℃。空冷器出风温度低于风洞内的露点温度，主变总排水管温度高于露点温度，所以风洞内空冷器温度在30 ℃也有冷凝水产生，而主变室在20 ℃的管道上也没有冷凝水的产生。所以，温度和湿度是该水电站冷凝水形成的两个必要条件，控制厂房冷凝水的形成要从这两个方面考虑。

2 应对措施

综合上述分析，水电站地下厂房通风系统的进风主要来源于组合空调送风和交通洞进风楼送风，空气的温度和湿度对厂房冷凝水的产生有着重大影响。为降低冷凝水的产生，应从温度和湿度等方面入手，同时综合考虑现场环境的局限。

2.1 降低空气温度

由上述计算可知，环境湿度相同的条件下，环境温度越高对应的露点温度越高，设备产生冷凝水的条件也越容易满足。由于厂内布置有大量机电设备，对温度的要求比较严苛，且考虑不同区域的特性，地下厂房各设备室环境温度各不相同。在进行进行厂房通风系统整体改造前，目前采用了在部分设备室安装空调或除湿机，降低单个设备室的温度，从而降低露点温度，对抑制冷凝水的产生效果明显。同时，该水电站对部分发电机空冷器进行了更换，风洞内的冷却效果较未更换机组的冷却效果有明显提升，冷凝水的现象也更为严重；后期考虑在不影响机组正常运行的前提下，可适当减少空冷器的进水量，降低空冷器的冷却效果，提高空冷器管表温度[3]。

2.2 降低空气湿度

由上述计算可知，环境温度相同的条件下，环境湿度越高对应的露点温度越高。在湿度方面，湿空气在1 170.3 m高程的厂房进风室里的4台离心风机的作用下，经进风竖井、进风楼、组合空调、厂房拱顶送风道进入地下厂房，可以在送风组合空调处对空气进行除湿处理，从而降低进入厂房的空气湿度，以此达到降低空气露点的目的，在源头上降低冷凝水形成。目前，在该水电站技供泵房加装了除湿机，改善了技供泵室内局部环境的空气湿度，同时降低了环境温度，大大降低了露点温度，加装后冷凝水显著减少。

2.3 涂料和保温材料

在控制环境温度方面，由于现场环境的局限，该水电站风洞和集电环室不具备安装空调或除湿机的条件，采用在管道表面包裹保温材料或喷涂防冷凝水专用涂料等方式来隔离与外界环境的接触，从而降低冷凝水形成。目前，该水电站已有2台机组集电环集水盆底部喷涂了专用材料，目前停机备用时未见冷凝水产生；风洞内裸露的供排水管道包裹保温材料后，管道上冷凝水也显著减少。

3 结 语

为了抑制厂房内设备冷凝水的产生，该水电站目前采用了在管道表面包裹保温材料或涂刷特殊材料、在部分设备室安装除湿机等手段，对冷凝水的形成起到了一定的抑制作用，改造后的两个区间冷凝水大幅减少，机电设备的运行环境得到了较大改善，保证了机组的安全稳定运行。