白蓮河抽水蓄能電站地下廠房通風(fēng)能效測試及評價分析

楊曉峰，楊志剛，丁 帥，劉 英，郭順國，高小攀，李安桂

（1.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；3.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 羅田 438600）

國務(wù)院 “十一五”、 “十二五”節(jié)能減排文件相繼提出了堅持降低能源消耗強度、減少主要污染物排放量、合理控制能源消費量相結(jié)合的方針政策。而在地下電站運行過程中，合適的環(huán)境參數(shù)是保障地下廠房機電設(shè)備安全運行及作業(yè)人員身體健康、提高工作效率的前提條件[1]。因此，在滿足環(huán)境質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，減少能源消耗已變得越來越重要。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗在地下廠房總能耗中占據(jù)相當(dāng)大的比例，是能耗控制的重要方面。空調(diào)系統(tǒng)能效比 （包括設(shè)計能效比和運行能效比）是判斷空調(diào)工程是否節(jié)能的指標(biāo)，運行能效比是指運行過程中空調(diào)系統(tǒng)實際供冷 （或熱）量與空調(diào)設(shè)備實際耗電量的比值，對于判斷在實際運行過程中空調(diào)系統(tǒng)是否節(jié)能具有十分重要的意義[2]。為了解白蓮河抽水蓄能電站地下廠房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能效情況，促進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能運行，對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合效能的測試工作，本文對測試結(jié)果進(jìn)行了分析與評價。

1 工程概況

白蓮河抽水蓄能電站安裝4臺300 MW單級單轉(zhuǎn)速可逆混流式水泵水輪發(fā)電機組。通過761 m長的進(jìn)廠交通洞進(jìn)入地下廠房，整個廠房為一個龐大的洞室群，包括平行布置的尾水閘門室、主變洞、主廠房、球閥室、4個聯(lián)系主廠房及主變洞的母線洞、1個廠用配電洞及高壓電纜出線洞。

電站處于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，庫區(qū)多年平均氣溫16.2℃。7月最熱，月平均氣溫22.5～28.7℃；1月最冷，月平均氣溫0.2～3.9℃；極端最高、最低氣溫分別為41.2、-12.5℃；多年平均降雨量1 360.3 mm，降雨主要集中在5月～7月。

2 電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)概況

白蓮河電站通風(fēng)設(shè)計上將主機洞與主變洞分為兩個系統(tǒng)。主機洞采用全空調(diào)，主變洞采用機械通風(fēng)。根據(jù)廠房布置情況，擬定由進(jìn)廠交通洞分4路進(jìn)風(fēng)：一路經(jīng)主機洞空調(diào)室引至主機洞拱頂，下送至發(fā)電機層，經(jīng)母線層、水輪機層、母線道重復(fù)使用后排至廠外；一路直接引到主變搬運道，經(jīng)主變室及電纜層使用后排至廠外；另兩路直接引到球閥室及尾水閘門廊道使用后排至廠外。主廠房空調(diào)機房設(shè)在主廠房安裝場端。進(jìn)廠交通洞除直接通到主機洞、主變洞及尾閘室外，同時通過3號施工支洞連到球閥洞室，從3號施工支洞打一短豎井并開挖一岔洞連通到主廠房安裝場端，主廠房空調(diào)機房設(shè)在岔洞內(nèi)，通過風(fēng)道送風(fēng)到主廠房拱頂?shù)娘L(fēng)管內(nèi)[3]。電站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備包括1個主廠房空調(diào)系統(tǒng)、11個單獨通風(fēng)系統(tǒng) (如透平油庫通風(fēng)系統(tǒng)等)、4個廠內(nèi)輔助通風(fēng)系統(tǒng) （主廠房母線層、水輪機層、廠用配電洞和空壓機室）和2個排煙系統(tǒng) （主廠房排煙系統(tǒng)和主變運輸廊道排煙系統(tǒng)）。

3 通風(fēng)能效測試試驗及能效分析

3.1 測試試驗

為深入貫徹節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境基本國策，促進(jìn)我國水電開發(fā)建設(shè)健康有序發(fā)展，加強節(jié)能降耗的源頭管理，進(jìn)一步完善水電工程節(jié)能評估與能源管理體系標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范水電工程 （含抽水蓄能）節(jié)能效果及技術(shù)，根據(jù) 《中華人民共和國節(jié)約能源法》、《中華人民共和國可再生能源法》、 《國務(wù)院關(guān)于加強節(jié)能工作的決定》、 《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃的通知》等有關(guān)法律法規(guī)的規(guī)定，以及GB/T 23331—2009《能源管理體系要求》、GB/T 15587—2008《工業(yè)企業(yè)能源管理導(dǎo)則》、GB/T 50649—2011《水利水電工程節(jié)能設(shè)計規(guī)范》和DL/T 5020—2007《水電工程可行性研究報告編制規(guī)程》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇2013年4月這個過渡季節(jié)時段，對白蓮河電站進(jìn)行了通風(fēng)工況下的通風(fēng)與空調(diào)工程系統(tǒng)負(fù)荷的綜合能效現(xiàn)場測試試驗。測試過程中電站各發(fā)電機組的運行狀況見表1。

表1 測試過程中電站機組的運行狀況

試驗測定內(nèi)容包括[4]：①進(jìn)、排風(fēng)口空氣狀態(tài)參數(shù)；②空氣調(diào)節(jié)機組性能參數(shù)；③區(qū)域氣流速度、溫度、相對濕度、壁面溫度；④通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)耗功率；⑤系統(tǒng)總排熱量和總耗功率。

在主廠房發(fā)電機層、母線層、水輪機層、蝸殼層、交通洞入口、空調(diào)進(jìn)風(fēng)洞及6號支洞 （排風(fēng)洞）等處分別合理布置測點，利用溫濕度自記錄儀、TSI風(fēng)速儀、紅外線測溫儀、鉗形三相電功率表等儀器進(jìn)行測試并記錄數(shù)據(jù)，為求得通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能效比提供了可靠的第一手資料，圖1、2分別是電站各測點的溫、濕度變化情況。由圖1、2可知主廠房各層的溫、濕度均滿足 《水力發(fā)電廠廠房采暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。

圖1 電站各測點的空氣溫度變化

3.2 能效計算

3.2.1 通風(fēng)排熱量的計算

通風(fēng)氣流排熱量測試中，主要對進(jìn)廠交通洞、6號支洞 （排風(fēng)洞）各主要斷面進(jìn)行氣流參數(shù)的測試及焓值的計算，能量平衡計算式為

圖2 電站各測點的空氣相對濕度變化

式中， Qp為廠房通風(fēng)帶走的總熱量，kW；Gi、hi分別為進(jìn)入廠房各洞室斷面處空氣流量和氣流焓值，kg/s和kJ/kg；Go、ho分別為廠房排風(fēng)各斷面處的排風(fēng)量和氣流焓值，kg/s和kJ/kg。

主廠房及主變室的通風(fēng)流程如圖3所示。

圖3 通風(fēng)工況通風(fēng)流程示意

3.2.2 通風(fēng)系統(tǒng)總耗功率

使用三相鉗形功率表測出運行風(fēng)機的三相電壓和電流，利用式 （2）、 （3）計算出風(fēng)機的耗功率：

式中，Pi為設(shè)備耗功率，kW；Ui為實測電壓，V；Ii為實測電流，A；W為通風(fēng)系統(tǒng)總功率，kW。

3.2.3 能效計算

按照能效的定義，地下廠房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的綜合能效為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)帶走的總熱量與其總耗電功率的比值[5]。由于廊道本身的蓄能作用對引入空氣具有良好的加熱或降溫效果[6-8]，故考慮2種能效比：

式中，EER1為只考慮廠房巖體自然冷卻 （即不計入交通洞巖體自然冷卻）通風(fēng)系統(tǒng)能效比；EER2為計入廠房及交通洞巖體自然冷卻通風(fēng)系統(tǒng)能效比。

利用實測數(shù)據(jù)和通風(fēng)設(shè)備的總耗功率115.8 kW，按式 （4）、 （5）計算出通風(fēng)系統(tǒng)的能效比，并繪制綜合能效曲線如圖4所示。

3.3 廠房環(huán)境參數(shù)及通風(fēng)工況能效分析

圖4 電站地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)綜合能效曲線

由圖4可以看出，ERR1隨著時間呈類似正弦函數(shù)曲線的變化。在4月13日凌晨出現(xiàn)了波峰值，由圖1、2可知，該時段進(jìn)廠交通洞入口處溫度較低、濕度較大、焓值較低，而排風(fēng)洞溫度、濕度及焓值變化不大，故出現(xiàn)波峰。在4月12日下午出現(xiàn)了相對較低的能效比，該時段進(jìn)廠交通洞入口處溫度較高、濕度較低、焓值較高，排風(fēng)洞焓值變化不大，故出現(xiàn)了較低的能效比值。在大部分時間內(nèi)，ERR1為1.6～2.7，平均值是1.9，可見ERR1受室外空氣參數(shù)影響較大。相比較而言，ERR2一般在1.8~3.3，由于地下廠房巨大的蓄熱能力，使得6號支洞 （排風(fēng)洞）內(nèi)的溫度、濕度及焓值變化不大，ERR2比較為穩(wěn)定，平均值為2.8。

4 結(jié) 論

（1）實測數(shù)據(jù)計算表明，只考慮廠房巖體自然冷卻通風(fēng)系統(tǒng)的能效比在1.6～2.7，平均值是1.9；而計入廠房及交通洞巖體自然冷卻通風(fēng)系統(tǒng)能效比較為穩(wěn)定，平均值為2.8。說明洞室對引入空氣具有良好的加熱或降溫效果。

（2）實測組合式空調(diào)機組的送風(fēng)口風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)實際送風(fēng)并未達(dá)到額定風(fēng)量，除了季節(jié)的原因外，對空調(diào)機組進(jìn)行檢測，以提高通風(fēng)效果、降低能耗也是必要的。

（3）測試表明，操作廊道層溫度較低、濕度較大，建議制定除濕機科學(xué)啟停運行的策略及方案以便合理調(diào)節(jié)廊道內(nèi)的溫、濕度。

（4）白蓮河電站為地下式抽水蓄能電站，間歇運行是其主要工作特點。電站圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力強。建議空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)室外氣象條件和進(jìn)行特點，采取梯級運行方案，以降低運行能耗；對內(nèi)部長期運行的輔助設(shè)備間，可利用局部空調(diào)進(jìn)行降溫，進(jìn)一步減少通風(fēng)空調(diào)運行能耗，保障發(fā)電設(shè)備工藝安全與人體健康。

［1］楊述仁， 等.地下水電站廠房設(shè)計［M］.北京：水利電力出版社，1993.

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