1、1察汗乌苏水电站蝶阀层作为厂房通风系统冷源的可行性分析及实践【摘要】 本文通过对察汗乌苏水电站蝶阀层热交换功率的计算和分析，说明了蝶阀层作为厂房通风系统冷源的可行性。并介绍了将蝶阀层冷风引至厂房断路器室的技术改造的成功经验。 【关键词】 察汗乌苏水电站蝶阀层冷源可行性 中图分类号：TM622 文献标识码：A 文章编号： 一、前言 察汗乌苏水电站位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州境内，是开都河中游河段水电规划九个梯级中的第七个梯级电站，该电站距库尔勒市 152km，距和静县城 92km。工程主要任务是发电，兼顾下游防洪要求。电站属引水式水力发电站，发电用水由水库流经位于右岸山体发电引水隧洞引
2、至厂房，发电支洞出口接压力钢管，压力钢管在厂房上游侧分成三条支管接进水蝶阀后分别引入三台 103MW 立轴混流式水轮发电机组，总装机 309MW。察汗乌苏水电站地处新疆南部，南疆为暖温带大陆性干旱气候，夏季气温一般在 30以上，湿度一般在 13%至 16%之间。电站厂房内在夏季除部分设备间安装有空调可以满足设备降温需要外，其它设备间的通风系统无法满足设备降温的需求，不仅缩短了设备的寿命还严重影响设备的安全稳定运行，因此亟待解决厂房设备间夏季温度过2高的问题。 二、蝶阀层作为厂房通风系统冷源的可行性 察汗乌苏水电站发电用水主要来源为高山冰雪融水加山区降水，常年水温较低，当水流流经蝶阀层压力钢管时
3、，3 个直径为 4.2 米的引水管道带走大量热量，使得蝶阀层的温度维持在 16左右，由于其水流量基本保持在 60 m3/s -80m3/s，流量大，使得压力钢管内水温基本保持不变，相当于一个中央空调的冷源。中央空调的基本工作过程是：室外的制冷机组对冷媒水进行制冷降温，然后由水泵将降温后的冷媒水输送到安装在室内的风机盘管机组中，由风机盘管机组采取就地回风的方式与室内空气进行热交换实现对室内空气制冷处理的目的。 （如下图） 图 1 中央空调工作原理 察汗乌苏水电站设备间的通风系统是由通风机将设备间的热空气排出厂房，室内空气与环境空气交换，由于夏季环境温度较高，一般为30，因此无法满足设备降温的要求
4、。蝶阀层的环境温度维持在 16左右，为了使蝶阀层的管道避免结露，蝶阀层的冷空气由三台轴流排风机经通风管道排出厂房，使蝶阀层的冷空气白白流失。而厂房其它设备间的夏季温度维持在 35左右，可以考虑将蝶阀层排出的冷风送至高温设备间，以达到了设备降温的效果。 （如下图） 3图 2 蝶阀层作为冷源的示意图 三、蝶阀层热交换功率的计算和分析 通过实地测量，夏季尾水温度 14.5，蝶阀层压力钢管表面的平均温度为 14.6，蝶阀本体的温度为 15.2，蝶阀层的温度维持在 1617之间（排风机在运行状态） 。 测得蝶阀层的空间为: 长 47.4m，宽6.6m，高7m； 蝶阀的直径 4.68m，宽 2m； 压力钢
5、管直径为 4.2m； 由上述参数，计算得： 压力钢管（包括蝶阀）的体积为： V1=（6.6-2）2.342+22.12=106.8m3 蝶阀层空气的体积为： V=47.46.67- 3106.8=1869.48 m3 除去其他物体、建筑物所占的体积，其空气体积约为 1800m3。 单机压力钢管及蝶阀的表面积为： A1=3.144.24.6+3.144.682=90 m2， 因此由蝶阀层 3 台机组压力钢管及蝶阀组成的整个制冷系统的表面积为 270 m2（不包括蝶阀铸造曲面） 。 当蝶阀层的三台轴流排风机运行时，带走低温气体，这时水轮机层的空气（温度为 28）进入蝶阀层，与压力钢管形成热对流，进
6、行热量交换。由于钢材传热速度以及水流速度很快，吸收的热量迅速被带走，4使得压力钢管表面温度始终维持在 15（考虑压力钢管表面的温度为14.6和蝶阀本体的温度为 15.2，为了计算方便，温度取做同一个值15） 。 蝶阀层的进气与压力钢管的热交换形式主要是对流传热，根据对流换热公式（也称牛顿冷却定律）Q=h?A?T Q:为面积 A 上的传热量，单位 W h:为表面对流传热系数，单位 W/(m2K) A:为热对流有效接触面积，单位 m2 T:为固体表面与区域流体之间的温度差，单位是 K 或 h 的大小反应了对流换热的强弱，在不同的情况下，传热强度受诸多因数影响，它的取值直接影响计算的准确性，结合人们
7、在工作中对 h 取值的经验以及查阅常见传热过程的 h 值取值范围，如下： 空气自然对流（525）W/(m2K)；气体强制对流（20100）W/(m2K)；气体气体（1030）W/(m2K)；气体有机物（1040）W/(m2K)，气体水（1060）W/(m2K)； 1、按自然对流最小值估算取 h=5W/（m2K） 。 A=270m3 T=28-15=13 热交换功率 Q=5W/（m2K）270m313 =17550W 2、按气体强制对流最大值估算取 h=100W/（m2K） 。 A=270m3 5T=28-15=13 热交换功率 Q=100W/（m2K）270m313 =351000W 将蝶阀层
8、看做一个恒定的制冷系统(换热器)，其进风温度（水轮机层温度）为 28，出口温度为 16（风机进口温度） ，制冷系统的热交换功率为 17550W 351000W 之间，在换热过程中，忽略热损失，流体在换热过程中无相变，仅靠物理显热进行热交换，根据热交换公式 qm：为质量流量，单位 kg/s C：为流体进出口平均温度下的比热，单位 kg*k，取标态下的空气定压比热容，为 1.004kJ/(kg*k) 流体进出换热器的温度 因此 当按自然对流最小值估算取 h=5W/（m2K）时： 单位质量流量 qm=17550/(121004)=1.45（kg/s） 取 20时空气的密度，为 1.205kg/m3，
9、 将质量流量换算成体积流量： L=(1.45/1.205)x3600=4351m3/h 当按气体强制对流最大值估算取 h=100W/（m2K）时： 单位质量流量 qm=351000/(121004)=29.13（kg/s） 取 20时空气的密度，为 1.205kg/m3， 将质量流量换算成体积流量： L=(29.13/1.205)x3600=87027m3/h 即蝶阀层的总出冷风量为 435187027m3/h。 6以上计算只是理想状态下的总出风量，即进风直接经过压力钢管冷却后再由排风机排出，而在实际中，由于进风口、压力钢管和排风口的相对位置不同，也会对进风的热交换效果产生一定的影响，但蝶阀层
10、的空间较大（空气体积 1800 m3） ，保证“制冷系统”中有充足的冷空气，对热交换起到一定的缓冲作用。 四、厂房断路器室通风系统的成功改造及分析 察汗乌苏水电站三台断路器设备间在夏季温度基本在 35以上，为了实践蝶阀层作为厂房通风系统冷源的论述，我们将蝶阀层原有的三台轴流排风机的排风管道经过改装，将蝶阀层的冷风引至厂房断路器室，三台断路器设备间的通风机停止运行，改造八小时后三台断路器设备间的温度由原来的 35降低为 25.7。下面对厂房断路器室通风系统改造进行计算分析。 1、通过断路器室空气的热交换估算排风机的风量： 简化房间内热传递过程，经实地测量风管出口处的风温度为 20，20的风与封闭
11、母线表面进行热交换，温差T=35-20=15，封闭母线的对流有效接触面积 A=3.140.85m6m3=48 m3,取铁与空气表面热自然对流传热系数 h=7 W/(m2K)，则由对流换热公式（也称牛顿冷却定律）Q=h?A?T 得，Q=7W/（m2K）48m315 =5040W。将断路器间看做一个热交换器（一个整体） ，进气（排风机出风）温度为 20，出气温度为房间室温 26，由热交换公式，得单位质量流量 qm=5040/(61004)=0.836（kg/s） 将质量流量换算成体积流量： 7L=(0.836/1.205)x3600=2499m3/h 每个断路器室的进风量为 2499m3/h，三个
12、断路器房间总的进风量为7498 m3/h。 2、通过计算通风管路损失估算风管出口风量（断路器室进风量）： 从蝶阀层通风机到断路器室，排风机的风管,经过了 1 个 450mm 的弯头钢管，12 米 450mm 的钢管，1 个 450mm 到 320200 的变径，6米 320200 的石棉风管，2 个 90 度弯头，通过上述参数计算断路器室风管出口的风量。 风管内空气流动的阻力有两种，一种是由于空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而产生的沿程能量损失，称为摩擦阻力或沿程阻力；另一种是空气流经风管中的管件及设备时，由于流速的大小和方向变化以及产生涡流造成比较集中的能量损失，称为局部阻力。通常直管中以
13、摩擦阻力为主，而弯管以局部阻力阻力为主。 沿程压力损失: pm=v2l/(de2) 式中 -摩擦阻力系数; -空气密度,kg/m3，20大气压的空气 =1.2 de-风管当量直径,m 对于圆形风管: de=d=0.45m 对于矩形风管: de=2ab/(a+b)=0.246 管道摩擦阻力系数 的取值，一般是可以近似地用下式来计算： =0.0125+0.0011/D 8所以 Pm=（0.0125+0.0011/0.45）V121.212/(0.452)+ （0.0125+0.0011/0.246）V221.26/(0.2462)=0.24V12+0.25 V22 （V1 为薄钢板风管内平均风速，
14、 V2 为石膏风管内平均风速） 局部压力损失： Pj=V2/2 -管道固有阻力系数 v-流速, m/s -气体的密度,kg/m3，20大气压的空气 =1.2 如果知道管道的阻力系数，则可计算压力损失，即可计算为静压下所能达到的风量。 查各种管道的阻力系数表得： 450mm 的弯管钢管1=0.75，450mm12 米的直钢管变径 2=0.0212/0.45=0.53，变径3=0.15， 2 个石棉弯管 24=2*1=2，3 个石棉管直管 35=30.022/0.246=0.487，风管出口6=1。 由压力总损失为 pj=（0.75+0.53）v121.2/2+（0.15+2+0.487）v221
15、.2/2=0.768 v12+1.58 v22 蝶阀层通风机参数如下： pd: 动压，单位 Pa 9：气体密度，单位 kg/m3,取密度为 1.20kg/m3 ：气体的速度，单位 m/s 将流量 5210m3/h 换算成 1.45m3/s,风机出风速度（450mm 弯头钢管进风速度）为 v=1.45/(3.140.2252)=9.1m/s 则 pd=1.209.12/2=49.686 Pa 因此风机的全压 p= pd+P=49.89+204=253.686 Pa 由于轴流风机的全压效率一般为 70%左右，由公式 (L/3600) p70%=v13.14(0.45/2)2P 全 V1 P 全 V
16、1=v22/2+ pm+ pj pm=0.24 v12+0.25 v22 pj=0.768 v12+1.58 v22 v13.14（0.45/2）2= v20.320.2 由上述 5 个公式可求得 v1=4.6m/s， v2=11.54m/s 所以风管出口风量为 L=11.54m/s0.32m0.2m3600=2658 m3/h 在实际管路中，由于通风管道安装以及连接处漏风等情况，风管内的风量要比理论计算的小一些。通过以上两种推算，风管内的风量大致为 2499 m3/h2658 m3/h 之间。由于风机的额定风量为 L=5210m3/h，可见，风管造成的能量损失比较大。 在厂房断路器室通风管道
17、改造后，经三周的观察，三台断路器设备间基本维持在 26左右，有效的降低了厂房高温设备间的温度，不仅有效的延长了设备的使用寿命、改善了工作人员的工作环境，而且使三台10断路器设备间的通风机停止运行，降低了厂用电率，为企业节约生产成本发挥了显著作用。 五、结论 通过对察汗乌苏水电站蝶阀层热交换功率的计算、分析和对厂房断路器室的技术改造的成功经验的介绍，说明了蝶阀层可以作为厂房通风系统的冷源。目前蝶阀层安装的轴流排风机的额定总排风量为 15630 m3/h，不能满足更多设备间的冷却风量，从以上计算分析中得出，蝶阀层还可以增加 89 倍的排冷风量。今后可以考虑增大蝶阀层排风机的额定功率，以增大排风量为更多的厂房设备间提供冷风，为厂房安装一台“绿色中央空调” 。 参考文献： 通风与空调工程施工质量验收规范GB502432002 通风管道技术规程JGJ1412004 制冷技术及其应用建筑工业出版社
