某水電站暖通空調(diào)系統(tǒng)設計技術研究

喬 琪，石 峰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

蘇布雷水電站是科特迪瓦國家能源平衡戰(zhàn)略的核心項目，是該國最大的水電站，被譽為“科特迪瓦的三峽電站”；該電站位于薩桑德拉河著名景點納瓦(Nawa)瀑布附近，總裝機容量275 MW。該工程自2013年10月逐步開展技施設計工作，所有機組已于2018年全部投產(chǎn)運行。

蘇布雷水電站為地面式廠房，地處低緯度地區(qū)，受赤道低氣壓帶影響，屬于熱帶季風氣候，其主要特征為高溫多雨。每年2～4月氣溫最高，平均為24～32 ℃；8月氣溫最低，大部分地區(qū)年平均氣溫22～28 ℃；全年平均溫度約26.5 ℃。一年分為兩個雨季，分別為3～6月和9～10月，雨季雨量大。

在進行該地區(qū)水電站工程的暖通空調(diào)設計技術研究時，應充分考慮當?shù)匮谉?、多雨的地域特點和電站實際布置情況，使設計合理化以滿足各區(qū)域溫濕度的參數(shù)要求，以及運行的可靠性和布置的優(yōu)越性。

1 暖通空調(diào)設計技術

境外開展EPC項目暖通空調(diào)設計的首要依據(jù)是：EPC承包商與業(yè)主雙方簽字認可的合同中的所有技術條款，它是具有法律效力的。合同內(nèi)設計標準通常采用美標及歐標系列，某些規(guī)定與國標尚存在一定差異，如室內(nèi)空氣設計溫濕度參數(shù)、換氣次數(shù)、通風量及排煙量計算、設備噪聲及材質(zhì)要求等，需要特別重視并在設計研究中考慮。

1.1 空調(diào)系統(tǒng)設計

1.2 通風與防排煙設計

蓄電池室、電纜夾層、油系統(tǒng)房間排風量均按規(guī)范要求，采用換氣次數(shù)不小于6 次/h計算。廠內(nèi)電纜層、油系統(tǒng)等防火區(qū)域按規(guī)范要求均考慮了事故排風。風機與火災集中報警系統(tǒng)聯(lián)鎖，一旦發(fā)生火災，風機停運?；馂暮?，由消防控制中心或現(xiàn)地啟動全自動防煙防火閥，并聯(lián)動排風機進行災后排煙。以上區(qū)域的正常通風系統(tǒng)兼做事故排風系統(tǒng)。

防火區(qū)域進排風口均設置了自動復位防煙防火閥，以達到防止煙火互竄、窒息火情、排走煙氣的目的。排風系統(tǒng)中，凡有風管穿防火墻與樓板處均設有自動復位防煙防火閥進行事故隔斷。

主廠房主層設置機械排煙系統(tǒng)。平時通風和事故排煙的轉(zhuǎn)換通過外墻安裝的雙速排煙風機來實現(xiàn)。副廠房兩部封閉樓梯間均設置加壓送風系統(tǒng)，滿足火災時人員疏散要求。

1.3 環(huán)保及節(jié)能措施

主廠房屋頂設置隔熱材料，大大減少空調(diào)能耗，并降低廠內(nèi)所需的空調(diào)冷負荷。根據(jù)廠內(nèi)外溫濕度探頭監(jiān)測的數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)集中空調(diào)系統(tǒng)的新回風電動風閥的開度比例、制冷機及水泵運行的數(shù)量，實現(xiàn)空調(diào)制冷量與實時負荷的匹配，實現(xiàn)了節(jié)能減排的技術要求。風機、水泵基礎設組合式減振臺座，水泵、風機進出口設柔性軟接頭?？照{(diào)、風機采用低噪聲設備，按節(jié)能要求確定空調(diào)設備能效比，防止能源浪費；所有風機、空調(diào)機等耗能設備均選用效率高、COP高、噪聲小而且符合能源政策的設備，對主要用能設備配置計量器和控制儀表?？照{(diào)冷卻塔溢流水及空調(diào)冷凝水集中排放于室外排水溝，避免滋生軍團菌，滿足環(huán)保要求。

1.4 暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制

為滿足電廠設備運行的需要，減少運行管理的工作量，滿足無人值班的要求，本電站設置了通風空調(diào)設備的自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)，設計原則為：可靠、實用和簡單。自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)應能實現(xiàn)以下功能。

(1)暖通空調(diào)系統(tǒng)中的大型設備及重要設備(如離心風機、組合式空調(diào)機組、風冷冷水機組、冷凍循環(huán)水泵等)均設置自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)，對設備工作狀態(tài)及時反饋，對故障能及時報警；能現(xiàn)地及遠方控制設備的啟停，并按合理的順序自動依次開啟或關閉空調(diào)設備及相關附屬設備。

統(tǒng)計兩組患者治療前后血流變學指標（血小板計數(shù)PLT、血小板平均容積MPV、血小板分布寬度PDW、紅細胞沉降率）和血小板參數(shù)（血漿黏度、全血黏度、血小板黏附率）變化情況[3-4]。

(2)自動控制系統(tǒng)應與火災自動報警控制系統(tǒng)相聯(lián)系，在火災報警情況下，能及時切斷相應部位的通風空調(diào)設備電源，退出運行狀態(tài)。

(3)通風系統(tǒng)中的防排煙設備(排煙風機、防火閥等)，應受控于消防報警控制系統(tǒng)，火災時能及時關閉或投入運行。

2 全廠暖通空調(diào)系統(tǒng)設計

基于暖通空調(diào)系統(tǒng)設計研究，本工程暖通空調(diào)系統(tǒng)的主要設計采取如下思路。主廠房采用集中空調(diào)系統(tǒng)，將室外空氣過濾、冷卻、除濕處理后，經(jīng)送風管送至主廠房各層，再通過主副廠房隔墻進入地下副廠房，被送至主副廠房的空調(diào)冷風部分回風經(jīng)廠內(nèi)吊物孔和樓梯間上升至發(fā)電機層后，進入空調(diào)機組總回風管，部分回風經(jīng)排風機和預埋風管排出廠外。集中空調(diào)系統(tǒng)冷源、水系統(tǒng)設備及管路、送風設備設置于廠房上游專用空調(diào)機房內(nèi)。全廠各區(qū)域按合同規(guī)定的換氣次數(shù)計算通風量，廠內(nèi)電纜層、油系統(tǒng)房間等防火重點區(qū)域的正常通風系統(tǒng)兼作事故后排風系統(tǒng)。地面副廠房辦公室、中控室、會議室等人員辦公區(qū)域，設置獨立局部空調(diào)系統(tǒng)來保證自動化元件運行和人員舒適度要求。對于有防爆要求的蓄電池室、油系統(tǒng)房間等區(qū)域的通風空調(diào)設備采用防爆型設備。按照合同要求，發(fā)電機層采用機械排煙，封閉樓梯間設置機械加壓送風系統(tǒng)。由于當?shù)厝晔彝鉁囟容^高，故主副廠房均不需設計采暖系統(tǒng)。

3 暖通空調(diào)重點設計及難點分析

3.1 廠用電IT系統(tǒng)模式下通風空調(diào)設備的設置

西非國家水電工程項目的廠用電源普遍采用三相三線(IT)系統(tǒng)，即指在電源中性點不接地系統(tǒng)中，將所有設備的外露可導電部分均經(jīng)各自的保護線PE分別直接接地。IT 方式供電系統(tǒng)在供電距離不長時，可靠性高、安全性好，一般用于不允許停電或要求連續(xù)供電的場所，與國內(nèi)傳統(tǒng)的三相四線(TT)系統(tǒng)相比，主要區(qū)別在于IT系統(tǒng)缺少零線(N)。

IT配電系統(tǒng)對于通風空調(diào)設備的適應性無疑提出了更高的要求，某些設備如按國內(nèi)常規(guī)配置，接線完畢后將無法運行。如電壓等級為380 V的3P家用空調(diào)柜機或多聯(lián)空調(diào)主機，其制冷壓縮機為220 V單相負荷，電源與負荷之間就必須有中性線。IT系統(tǒng)缺少零線，因而不具備保護中性線，導致設備無法正常啟動。設計中采用電壓等級為380 V的家用空調(diào)柜機或多聯(lián)機時，需單獨配置變壓器將IT系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為常規(guī)的TT系統(tǒng)，使電源與負荷之間具備中性線作為以上空調(diào)設備的專用用電回路。因此，對于西非國家異于常規(guī)的廠用電供電系統(tǒng)與通風空調(diào)設備的兼容問題，應具備超前意識，做好市場調(diào)查工作，合理進行設備選型，并加強設備廠商技術交流，強化與電氣接口專業(yè)的溝通協(xié)調(diào)，精細把控設計細節(jié)，確保通風空調(diào)設備在規(guī)定的廠用電系統(tǒng)環(huán)境中正常運轉(zhuǎn)。

3.2 大空間主廠房集中空調(diào)系統(tǒng)

電站當?shù)匮谉岢睗?，廠內(nèi)電氣盤柜及水泵電機等發(fā)熱量大，合同對主廠房、電氣房間等均規(guī)定“室內(nèi)環(huán)境溫度不超過27 ℃”，因此需設置空調(diào)系統(tǒng)對進入廠內(nèi)的空氣進行冷卻除濕處理。結合以上各因素進行可行性分析后，本項目主廠房集中空調(diào)系統(tǒng)采用“冷卻塔+冷水機組+組合式空氣處理機組”的常規(guī)方式?？照{(diào)系統(tǒng)集中布置與廠房上游空調(diào)機房內(nèi)，通過風管向廠內(nèi)各區(qū)域送風，副廠房經(jīng)主機間串聯(lián)進風，利用各層之間的吊物孔和樓梯間串聯(lián)回風，設計送風溫度為17 ℃。

發(fā)電機層為高大空間，為節(jié)約能源采用分層空調(diào)，即下部人員活動及設備區(qū)域采用空調(diào)風道配置球形噴口遠程送風，氣流組織形式為上送下回。發(fā)電機層上部為非空調(diào)區(qū)域，采用排風機排出上部聚集的熱量，保證了廠房必要的換氣要求。經(jīng)電站投運后測試，該分層空調(diào)系統(tǒng)工作區(qū)溫濕度及風速滿足設計要求，下部空調(diào)區(qū)與上部非空調(diào)區(qū)分層明顯，具有巨大的節(jié)能意義，適合于西非地區(qū)太陽得熱負荷大、室外氣溫高的地區(qū)。

集中空調(diào)采用部分回風、部分排風的方式。將部分空調(diào)冷風經(jīng)各層主機間區(qū)域溫升后直接引入相鄰的副廠房區(qū)域，再經(jīng)副廠房溫升后排出廠外，不作為空調(diào)機組的回風。該設計方式具有以下優(yōu)越性和必要性。

(1)利用空間串聯(lián)送回風，可大大減少風管布置，節(jié)約投資，減少風管與其他管路、電纜橋架沖突的可能性。

(2)主合同對電氣房間、油系統(tǒng)房間等均有換氣次數(shù)要求，即通風量有最低下限要求。副廠房利用主廠房溫升后的空調(diào)冷風作為進風源，其計算排風溫度基本與設計要求吻合，避免了在滿足相同換氣次數(shù)的通風量和進風溫度前提下，排風溫度遠低于設計值的能源浪費問題。

(3)油系統(tǒng)房間、污水泵房、蓄電池室等區(qū)域的送風溫升后直接排走，不作為回風，避免了對廠房造成整體環(huán)境污染。

(4)廠房為無人值班、少人值守。室內(nèi)設計溫度主要確定原則為滿足設備及自動化元件運行環(huán)境要求，空調(diào)送風溫度較常規(guī)系統(tǒng)取值高，制冷機組蒸發(fā)溫度高，有利于提高空調(diào)系統(tǒng)能效比。但是，如果送風溫度取值太高，則廠內(nèi)通風量需求增大，風管斷面將增大，這將給該地區(qū)緊湊式廠房設計帶來布置困難、成本增加的不利因素。本工程經(jīng)綜合權衡，將集中空調(diào)送風溫度取值確定為17 ℃，總空調(diào)送風量為24萬m3/h。

(5)空調(diào)系統(tǒng)無需在廠內(nèi)分散設置回風管，溫升后的空調(diào)送風通過各層格柵式吊物孔上升至發(fā)電機層后，集中回風至空調(diào)機組，進一步精簡了風管系統(tǒng)。

(6)主機間均為大空間區(qū)域，重點發(fā)熱區(qū)域為變壓器和盤柜區(qū)。采用非均勻送風，送風口集中布置重點發(fā)熱區(qū)域，其他區(qū)域僅設置少量送風口滿足基本換氣要求，這有利于提高整個大空間空調(diào)區(qū)域的溫濕度均勻性，減少總空調(diào)送風量，使空調(diào)系統(tǒng)更具針對性和節(jié)能性。

3.3 風口及風機防雨設計

由于電站當?shù)乇┯陼r期多，雨量大，若無防御設施，極易導致地面副廠房外墻上的風口進水和露天布置的風機受損，影響室內(nèi)裝修，損壞電氣設備和風機電機。

設計中，外墻設置的進風口和排風口應統(tǒng)一設置為防雨百葉風口，風口材質(zhì)采用鋁合金或不銹鋼。當遭遇暴雨天氣時，百葉葉片鋪集的雨水不宜直接由葉片表面往下徑流排出，應在葉片設置導水溝槽將鋪集的雨水導入兩側(cè)封閉的支撐豎料后匯集排出，葉片在0°～105°間可調(diào)。同時，百葉風口應具備遮陽、通風、防雨、防風及防塵作用，關閉后可實現(xiàn)完全封閉。通風系統(tǒng)設計中應充分考慮防雨百葉風口有效面積小、阻力大的特點，相應地增大與風口連接的風機設備的風壓，確保風機按設計風量出力。墻體和風井對外的風口底邊安裝高度應在500 mm以上，避免雨水濺入。

外墻安裝的軸流風機應在室外側(cè)設置45°防雨彎頭，送排風機盡量避免露天布置，應設置在專用風機房內(nèi)。如果露天布置不可避免，風機設備應采用風機箱，將電機內(nèi)置，箱體內(nèi)離心風機采用0°或180°出風型，減少雨水直接滲入的風險，并于進風口處設置防雨罩，風機電機的防護等級應在IP55以上。

3.4 通風空調(diào)設備材質(zhì)選型和防噪聲技術

西非國家水電工程項目中，通風空調(diào)設備材質(zhì)和噪聲通常按照ASTM、ANSI、DIN、AFNOR等歐美標準執(zhí)行。

在材質(zhì)方面，設備鋼制外殼及內(nèi)部部件、螺釘、螺母、螺栓、螺桿等附件均須按照歐美標準或相當于歐美標準的材料工藝要求制作。經(jīng)過對規(guī)范的深入學習和研究，對于絕大部分設備材質(zhì)，國標要求均不低于歐美標準規(guī)定。設備制造可按國內(nèi)較高等級進行，報送設備材質(zhì)文件審批時，應將設備各部件的歐美標準規(guī)定和國標規(guī)定作對應表，證明兩者的等效性和通用性即可。

歐美標準對通風空調(diào)設備的噪聲要求較高，如軸流風機、斜流風機等小型風機設備要求運行噪聲不大于70 dB(A)，大型離心風機設備要求運行噪聲不大于80 dB(A)。按照國內(nèi)生產(chǎn)水平和技術標準，小型風機設備設計和選型時，選擇低噪聲型設備或在風機設備接口處增設消聲裝置通常能滿足“噪聲不大于70 dB(A)”的規(guī)定。但對于工業(yè)建筑常用的大風量、高風壓的離心風機設備，將運行噪聲控制在80 dB(A)較為困難。因此在設計中，通風空調(diào)系統(tǒng)中的離心風機均應設置風機箱，且在箱體內(nèi)層設置足夠厚度的吸聲材料降噪。集中空調(diào)系統(tǒng)中的組合式空氣處理機組除應在箱體采取降噪措施以外，還應在常規(guī)配置基礎上加大消聲段和送風均流段的長度。電站投運后的現(xiàn)場驗收測試中，所有通風空調(diào)設備的運行噪聲測試值均控制在合同要求范圍內(nèi)。

4 結 論

蘇布雷水電站暖通空調(diào)設計，應充分考慮當?shù)爻睗?、炎熱、多雨的氣候條件，以及設備發(fā)熱量大、廠房布局緊湊、設備材質(zhì)及噪聲要求高的特點，合理選用氣流組織形式、通風空調(diào)系統(tǒng)方式、設備形式及布局，并做好廠用電與暖通設備的協(xié)調(diào)配合工作，在滿足全廠溫濕度、風速、換氣次數(shù)、設備及管路布置等要求的基礎上實施節(jié)能優(yōu)化措施。

西非國家EPC水電站工程暖通設計工作要求工程師應具備過硬的專業(yè)技術水平和執(zhí)行協(xié)調(diào)能力，熟知國際規(guī)范，并具有將實際環(huán)境與設計高度結合的能力以及風險控制能力。在開展設計工作時應深入研究中外設計咨詢工作方式的差異，轉(zhuǎn)變理念和服務方式，因地制宜地開展設計工作，通過實踐不斷積累經(jīng)驗，為中國企業(yè)“走出去”做好技術支持。