向欣欣,張文亮,雷元金

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051)

0 引 言

冷凝水是空氣中水蒸汽液化過(guò)程產(chǎn)生的物質(zhì)。空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)溫度。當(dāng)溫度下降到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，空氣中的水分將達(dá)到飽和狀態(tài)析出，從而在表面上形成冷凝水。冷凝水的產(chǎn)生不僅會(huì)造成金屬部件的銹蝕，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的冷凝水在循環(huán)風(fēng)流的挾帶下進(jìn)入風(fēng)道內(nèi)，還會(huì)降低電氣設(shè)備的絕緣水平，加速電器元件的老化[1]；同時(shí)還會(huì)造成墻皮脫落，給日常工作帶來(lái)不便。因此，有效地減少冷凝水的產(chǎn)生具有重大意義。

水電站地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)主要來(lái)源于組合空調(diào)送風(fēng)和交通洞進(jìn)風(fēng)樓送風(fēng)，其中在交通洞進(jìn)風(fēng)樓送風(fēng)系統(tǒng)測(cè)量室外溫度、濕度為全廠空調(diào)系統(tǒng)共享。通過(guò)分析計(jì)算出各個(gè)設(shè)備在什么樣的溫度和濕度情況下會(huì)產(chǎn)生冷凝水，利用這個(gè)極端條件來(lái)控制廠房空氣的濕度和溫度，從而可以從源頭上減低冷凝水的產(chǎn)生，減少水電站設(shè)備的金屬銹蝕，防止電氣設(shè)備的絕緣損壞；同時(shí)也可以減輕檢修工作，為廠房通風(fēng)系統(tǒng)改造提供數(shù)據(jù)支持，讓該水電站機(jī)電設(shè)備可以安全長(zhǎng)久運(yùn)行。

1 因素分析

根據(jù)物理知識(shí)可知，冷凝水的產(chǎn)生與該環(huán)境下的溫度和濕度有關(guān)。當(dāng)空氣中水汽已達(dá)到飽和時(shí)，氣溫與露點(diǎn)溫度相同；溫度下降到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，空氣中的水分就會(huì)析出；當(dāng)水汽未達(dá)到飽和時(shí)，氣溫一定高于露點(diǎn)溫度。所以露點(diǎn)與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。氣溫降到露點(diǎn)溫度以下是水汽凝結(jié)的必要條件。在壓力一定的情況下，空氣溫度下降到露點(diǎn)溫度，濕空氣中的水蒸汽飽和，從而凝結(jié)成水。溫度、濕度以及露點(diǎn)溫度三者的關(guān)系如下所示(見(jiàn)圖1)。

圖1 焓濕圖

對(duì)某水電站廠房各處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡檢發(fā)現(xiàn)，冷凝水主要集中在主變冷卻水管道、GCB冷卻器、上風(fēng)洞、勵(lì)磁滑環(huán)室、水車室主軸密封供水管道、技供泵房、995廊道以及用水管道等處。

1.1 溫度的影響

該水電站冷凝水的形成主要集中在每年汛期7—11月。雖然廠房?jī)?nèi)全年的空氣溫度沒(méi)有較大變化，但是取自尾水管的技術(shù)供水溫度比其他月份低，與環(huán)境溫差變大，這是冷凝水形成較多的原因之一。

1.2 濕度的影響

該地下廠房?jī)?nèi)進(jìn)風(fēng)樓位于該大壩下游，每年汛期7—11月泄洪頻繁，導(dǎo)致空氣濕度較大。濕度較大的空氣從進(jìn)風(fēng)樓進(jìn)入該地下廠房主層、發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、技術(shù)供水室等處。相同溫度下，空氣濕度越大，冷凝水越容易形成。

1.3 露點(diǎn)溫度的計(jì)算

對(duì)全廠冷凝水進(jìn)行數(shù)據(jù)收集分析得出，風(fēng)洞與主變室比較，主變冷卻器總排水管溫度為20 ℃，沒(méi)有冷凝水形成；但是風(fēng)洞內(nèi)冷卻器冷風(fēng)溫度為30 ℃都有冷凝水形成，這與之前的結(jié)論相悖。我們通過(guò)以下3種方法來(lái)解釋這個(gè)現(xiàn)象。

1.3.1 絕對(duì)含濕度D的計(jì)算

D=0.622×φPPs/(P-φPPs)

(1)

式中,P為空氣壓力(Pa)；Ps為水蒸汽飽和壓力(Pa)；φp為相對(duì)濕度(%)。

廠房?jī)?nèi)空氣壓力P約為90 000 Pa(海拔1 000 m對(duì)應(yīng)約為90 000 Pa)。

水蒸汽在濕度達(dá)到100%時(shí)，水分將會(huì)變成冷凝水析出。將絕對(duì)含濕量計(jì)算中的P、D保持不變，將φp變?yōu)?00%后代入公式(1)即可得到Ps的值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，查表1得出相應(yīng)溫度下飽和水蒸汽壓力(見(jiàn)表1)，再根據(jù)飽和水蒸汽壓力查表2露點(diǎn)溫度與主要濕度換算表得對(duì)應(yīng)的溫度即為露點(diǎn)溫度(見(jiàn)表2)。

1.3.2 風(fēng)洞內(nèi)空冷器露點(diǎn)溫度計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)，計(jì)算6號(hào)機(jī)組空冷器露點(diǎn)溫度?，F(xiàn)場(chǎng)采用濕度計(jì)測(cè)量6號(hào)機(jī)風(fēng)洞內(nèi)相對(duì)濕度φp=33%，并以此作為計(jì)算露點(diǎn)溫度的條件。查表1可得：57 ℃(CCS上空冷器熱風(fēng)溫度)水蒸汽飽和壓力Ps=17 334.97 Pa，相對(duì)濕度φp=33%；代入公式計(jì)算得到D=0.042 2 kg/kg。然后將D=0.042 2 kg/kg、φp=100%再次代入公式(1)，經(jīng)計(jì)算得到Ps=5 858.87 Pa。查表2得對(duì)應(yīng)的溫度為35.6 ℃，該溫度即為露點(diǎn)溫度。由此可以看出，空冷器進(jìn)風(fēng)的露點(diǎn)溫度為35.6 ℃，進(jìn)水側(cè)管壁溫度為17.5 ℃，低于露點(diǎn)溫度，因此必然會(huì)引起結(jié)露，與實(shí)際現(xiàn)象一致。

表1 不同溫度下飽和水蒸汽壓力 (來(lái)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11605—2005)

表2 露點(diǎn)溫度與主要濕度換算 (來(lái)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11605—2005)

1.3.3 主變室露點(diǎn)溫度計(jì)算

主變室空氣溫度為27 ℃，查表1可得：27 ℃水蒸汽飽和壓力Ps=3 567.892 Pa，相對(duì)濕度φp=65%(經(jīng)過(guò)濕度計(jì)測(cè)量得到)，以同樣的方法計(jì)算得出D=0.015 kg/kg；然后將D=0.001 5 kg/kg、φp=100%再次代入公式(1)，經(jīng)計(jì)算得到Ps=2 090 Pa。查表2得對(duì)應(yīng)的溫度為18.3 ℃，該溫度即為主變室大氣的露點(diǎn)溫度。該露點(diǎn)溫度驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，即機(jī)組帶400 MW，供水管水溫為17 ℃，排水管水溫為20 ℃，此時(shí)供水管處有冷凝水，排水管處無(wú)冷凝水；機(jī)組備用，供水管水溫為17 ℃，排水管水溫為18 ℃，此時(shí)供排水管處均有冷凝水。

1.3.4 干球溫度法求露點(diǎn)溫度

Td=23φ+0.84t-19.2[2]

(2)

式中，φ為相對(duì)濕度(%)；t為空氣溫度(℃)；Ta為露點(diǎn)溫度(℃)。

將風(fēng)洞內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式(2)中，可得露點(diǎn)溫度為36 ℃。將主變室相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式(2)中，可得露點(diǎn)溫度為18.4 ℃。與上述計(jì)算方法結(jié)果相近，解釋了溫度低不一定會(huì)產(chǎn)生冷凝水的物理現(xiàn)象。

1.3.5 讀圖求露點(diǎn)溫度

除了利用上述公式可以計(jì)算出露點(diǎn)溫度之外，已知溫度和相對(duì)濕度也可以利用焓濕圖近似讀出露點(diǎn)溫度。為了便于說(shuō)明利用焓濕圖近似讀取露點(diǎn)溫度的方法，繪制了簡(jiǎn)易焓濕圖(見(jiàn)圖2)。在圖2中找到當(dāng)前溫度和相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)的點(diǎn)A，向下做垂線，與相對(duì)濕度為100%曲線的交點(diǎn)B所對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)C及為露點(diǎn)溫度。利用該方法讀出的6號(hào)機(jī)組上風(fēng)洞露點(diǎn)溫度在34.5 ℃左右，主變露點(diǎn)溫度在19 ℃左右，與計(jì)算結(jié)果接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了露點(diǎn)溫度計(jì)算的正確性。

圖2 簡(jiǎn)易焓濕圖

1.3.6 小結(jié)

風(fēng)洞空氣濕度約為33%，主變室空氣濕度約為65%；通過(guò)上述3種計(jì)算都可以得出風(fēng)洞內(nèi)露點(diǎn)溫度約為35.6 ℃，主變室內(nèi)露點(diǎn)溫度約為18.3 ℃?？绽淦鞒鲲L(fēng)溫度低于風(fēng)洞內(nèi)的露點(diǎn)溫度，主變總排水管溫度高于露點(diǎn)溫度，所以風(fēng)洞內(nèi)空冷器溫度在30 ℃也有冷凝水產(chǎn)生，而主變室在20 ℃的管道上也沒(méi)有冷凝水的產(chǎn)生。所以，溫度和濕度是該水電站冷凝水形成的兩個(gè)必要條件，控制廠房冷凝水的形成要從這兩個(gè)方面考慮。

2 應(yīng)對(duì)措施

綜合上述分析，水電站地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)主要來(lái)源于組合空調(diào)送風(fēng)和交通洞進(jìn)風(fēng)樓送風(fēng)，空氣的溫度和濕度對(duì)廠房冷凝水的產(chǎn)生有著重大影響。為降低冷凝水的產(chǎn)生，應(yīng)從溫度和濕度等方面入手，同時(shí)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的局限。

2.1 降低空氣溫度

由上述計(jì)算可知，環(huán)境濕度相同的條件下，環(huán)境溫度越高對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度越高，設(shè)備產(chǎn)生冷凝水的條件也越容易滿足。由于廠內(nèi)布置有大量機(jī)電設(shè)備，對(duì)溫度的要求比較嚴(yán)苛，且考慮不同區(qū)域的特性，地下廠房各設(shè)備室環(huán)境溫度各不相同。在進(jìn)行進(jìn)行廠房通風(fēng)系統(tǒng)整體改造前，目前采用了在部分設(shè)備室安裝空調(diào)或除濕機(jī)，降低單個(gè)設(shè)備室的溫度，從而降低露點(diǎn)溫度，對(duì)抑制冷凝水的產(chǎn)生效果明顯。同時(shí)，該水電站對(duì)部分發(fā)電機(jī)空冷器進(jìn)行了更換，風(fēng)洞內(nèi)的冷卻效果較未更換機(jī)組的冷卻效果有明顯提升，冷凝水的現(xiàn)象也更為嚴(yán)重；后期考慮在不影響機(jī)組正常運(yùn)行的前提下，可適當(dāng)減少空冷器的進(jìn)水量，降低空冷器的冷卻效果，提高空冷器管表溫度[3]。

2.2 降低空氣濕度

由上述計(jì)算可知，環(huán)境溫度相同的條件下，環(huán)境濕度越高對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度越高。在濕度方面，濕空氣在1 170.3 m高程的廠房進(jìn)風(fēng)室里的4臺(tái)離心風(fēng)機(jī)的作用下，經(jīng)進(jìn)風(fēng)豎井、進(jìn)風(fēng)樓、組合空調(diào)、廠房拱頂送風(fēng)道進(jìn)入地下廠房，可以在送風(fēng)組合空調(diào)處對(duì)空氣進(jìn)行除濕處理，從而降低進(jìn)入廠房的空氣濕度，以此達(dá)到降低空氣露點(diǎn)的目的，在源頭上降低冷凝水形成。目前，在該水電站技供泵房加裝了除濕機(jī)，改善了技供泵室內(nèi)局部環(huán)境的空氣濕度，同時(shí)降低了環(huán)境溫度，大大降低了露點(diǎn)溫度，加裝后冷凝水顯著減少。

2.3 涂料和保溫材料

在控制環(huán)境溫度方面，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的局限，該水電站風(fēng)洞和集電環(huán)室不具備安裝空調(diào)或除濕機(jī)的條件，采用在管道表面包裹保溫材料或噴涂防冷凝水專用涂料等方式來(lái)隔離與外界環(huán)境的接觸，從而降低冷凝水形成。目前，該水電站已有2臺(tái)機(jī)組集電環(huán)集水盆底部噴涂了專用材料，目前停機(jī)備用時(shí)未見(jiàn)冷凝水產(chǎn)生；風(fēng)洞內(nèi)裸露的供排水管道包裹保溫材料后，管道上冷凝水也顯著減少。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了抑制廠房?jī)?nèi)設(shè)備冷凝水的產(chǎn)生，該水電站目前采用了在管道表面包裹保溫材料或涂刷特殊材料、在部分設(shè)備室安裝除濕機(jī)等手段，對(duì)冷凝水的形成起到了一定的抑制作用，改造后的兩個(gè)區(qū)間冷凝水大幅減少，機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境得到了較大改善，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。