水電站地下廠房潮濕成因及除濕策略

虞少嵚，張 楠，賀婷婷

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙410014）

1 水電站地下廠房潮濕的成因分析

國內(nèi)已建的老水電站地下廠房普遍存在潮濕的問題，潮濕主要發(fā)生在水輪機(jī)層及蝸殼層。造成廠房潮濕的主要原因有下面幾個(gè)：一是室外空氣本身潮濕未經(jīng)處理進(jìn)到廠房帶來濕氣；二是巖體表面滲水；三是管路連接處漏水；四是水管表面及墻面（以下簡稱冷表面）結(jié)露。我們著重分析結(jié)露問題。

大氣是由干空氣和水蒸汽兩部分組成的，通常將干空氣和水蒸汽的混合氣體稱為濕空氣。濕空氣中的水蒸汽含量很少，但其變化會引起濕空氣干、濕程度的改變，進(jìn)而對人體感覺、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝過程和設(shè)備維護(hù)等都有直接影響。在一定溫度下，濕空氣所含的水蒸汽量有一個(gè)最大限度，超過這一限度，多余的水蒸汽就會從濕空氣中凝結(jié)出來。這種含有最大限度水蒸汽量的濕空氣稱為飽和空氣，飽和空氣所具有的水蒸汽分壓力叫該溫度下的飽和水蒸汽分壓力?？諝獾南鄬穸圈?，就是空氣中水蒸汽分壓力和同溫度下飽和空氣的水蒸汽分壓力之比，人體感覺舒適的空氣相對濕度一般在40%～70%左右；含濕量d就是指每公斤干空氣所含有的水蒸汽重量。相對濕度φ能夠表示空氣的飽和程度，但不能表示水蒸汽的含量，而含濕量d與之相反，能表示水蒸汽的含量，卻不能表示空氣的飽和程度。

空氣的相對濕度隨著空氣溫度的下降而增加。從圖1可以看出，把不飽和狀態(tài)的空氣A（t=26℃，φ=70%）沿等含濕量線冷卻，隨著空氣溫度的下降，實(shí)際的含濕量并沒有變化，但空氣的相對濕度增大，當(dāng)溫度下降到20.11℃時(shí)（即B點(diǎn)），相對濕度達(dá)到100%，這時(shí)空氣本身的含濕量已經(jīng)達(dá)到飽和，如果繼續(xù)冷卻，則會產(chǎn)生凝結(jié)水。這個(gè)空氣沿等含濕量冷卻，最終達(dá)到飽和時(shí)的溫度就是露點(diǎn)溫度。換句話說，也就是空氣A（t=26，φ=70%）如果遇到露點(diǎn)溫度20.11℃以下的冷表面，就會產(chǎn)生結(jié)露。

由于水電站地下廠房一般都深埋地下，進(jìn)水管和尾水管都在水下較深的位置，技術(shù)供水取水管也一般采用埋管，致使供水管溫度和水輪機(jī)層以下的墻壁壁面溫度與廠房環(huán)境溫度之間存在一定的溫差。對于南方電站，尤其是在冬春交替的時(shí)候，空氣溫度已經(jīng)上來了，但水溫地溫都還很低，這個(gè)時(shí)候，空氣的露點(diǎn)溫度肯定比水溫地溫高，此時(shí)廠房內(nèi)的水管表面和水輪機(jī)層以下的墻壁壁面（下面簡稱冷表面）就會產(chǎn)生結(jié)露的現(xiàn)象。比如上面分析的工況，假設(shè)廠內(nèi)空氣溫度為26℃，相對濕度為70%（見圖1A點(diǎn)），而此時(shí)水輪機(jī)層以下的墻壁壁面溫度和水管表面溫度在20.11℃（見圖1B點(diǎn)）以下，那么這些冷表面一定會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。根據(jù)《水力發(fā)電廠采暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的要求，廠房內(nèi)水輪機(jī)層的相對濕度必須控制在75%以內(nèi)。而此時(shí)，空氣的相對濕度為70%，是完全滿足水電站規(guī)程要求的。又比如，另一個(gè)工況，假設(shè)廠內(nèi)空氣溫度為25℃，相對濕度為50%（見圖2D點(diǎn)），但此時(shí)水輪機(jī)層以下的墻壁壁面溫度和水管表面溫度如果在13.86℃（見圖2E點(diǎn)）以下，這個(gè)時(shí)候，空氣本身已經(jīng)相當(dāng)干燥了，但還是會結(jié)露，從而使得冷表面潮濕。

從上面的敘述我們可以知道，水電站的潮濕問題，其實(shí)不一定是空氣的問題?？諝獬睗窈蛷S房潮濕其實(shí)是兩個(gè)完全不同的概念。結(jié)露僅取決于兩個(gè)因素，即環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度和冷表面的溫度（空氣的露點(diǎn)溫度與廠房內(nèi)管道內(nèi)水溫及墻壁壁溫度的差值越大，則冷表面的結(jié)露現(xiàn)象就越嚴(yán)重?？諝獾穆饵c(diǎn)溫度越低于周圍環(huán)境的溫度，結(jié)露的可能性就越小，也就意味著空氣越干燥。結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生與空氣的相對濕度無直接關(guān)系，即使空氣的相對濕度達(dá)到70%或者更低，滿足運(yùn)行人員舒適度要求和設(shè)備安全運(yùn)行要求時(shí)，但只要冷表面溫度低于環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度，空氣中的水分子就會在冷表面凝結(jié)，出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。結(jié)露本身使得廠房變潮濕，卻使得空氣更干燥了。

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可以通過控制空氣的潮濕，從而減少廠房的潮濕，但要完全靠通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)而使得廠房完全干燥是不現(xiàn)實(shí)也不經(jīng)濟(jì)）。因?yàn)槿绻ＷC空氣不結(jié)露，就必須將送到廠房內(nèi)的全部空氣的露點(diǎn)溫度處理至冷表面的溫度以下，從表1可以看出，同一溫度下，相對濕度越低則露點(diǎn)溫度越低，反過來也就是說如果冷表面溫度越低，空氣就必須處理得越干燥才能使其不結(jié)露。

圖1 26℃，70%空氣等濕冷卻示意圖

圖2 25℃，50%空氣等濕冷卻示意圖

對于北方電站，有時(shí)結(jié)露的問題會更加嚴(yán)重，也更難通過空氣處理來解決。比如北方某抽水蓄能電站，在3月份的時(shí)候?qū)崪y水管表面溫度僅為3.2℃，這個(gè)時(shí)候想將空氣的露點(diǎn)溫度處理到3.2℃以下，常規(guī)的冷凍除濕是根本無法做到的，就算采取其他的方法（如固體除濕、溶液除濕、轉(zhuǎn)輪除濕等）將空氣的露點(diǎn)溫度處理到3.2℃以下，此時(shí)的空氣由于過分干燥，容易產(chǎn)生靜電，對電站設(shè)備的運(yùn)行也是一個(gè)不安全因素。

表1 同一溫度下不同相對濕度的露點(diǎn)溫度

很多電站運(yùn)行人員認(rèn)為，在廠房潮濕的時(shí)候應(yīng)該加強(qiáng)廠內(nèi)通風(fēng)，而實(shí)際上由于室外空氣與廠房冷表面存在溫差，在很多時(shí)間（冬季除外）室外空氣進(jìn)到廠內(nèi)，遇到冷表面就會結(jié)露，在這種情況下，通風(fēng)量越大，則結(jié)露越厲害，廠內(nèi)越潮濕。

2 廠房除濕策略

針對上述潮濕的前面三個(gè)成因，主要應(yīng)對措施是：將室外空氣除濕處理后再送到廠房；加強(qiáng)巖壁有序排水，查漏堵漏；保證水管路連接處的密封完好。最難處理也是最重要的潮濕成因就是第四種情況，冷表面結(jié)露。

為防止空氣結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生，從原理上講比較簡單，解決的渠道也只有兩條：一是提高冷表面溫度，將冷表面溫度提高到空氣露點(diǎn)溫度以上，二是降低空氣露點(diǎn)溫度，使得空氣露點(diǎn)溫度處理到冷表面溫度以下。但實(shí)際中，一年四季空氣露點(diǎn)溫度是個(gè)變值，冷表面溫度也有一定的變化，二者之間的溫差也是個(gè)變值，單獨(dú)采用任何一種方法都可能難以實(shí)現(xiàn)或者伴生其他問題。例如僅采用第1條，提高冷表面溫度，對于管道可以采用保溫措施，但對于壁面保溫就比較難以實(shí)施，由于面積太大，實(shí)施起來造價(jià)也高，目前還沒有任何一個(gè)廠房采取了該項(xiàng)措施。如果僅采用第2條，當(dāng)冷表面溫度很低時(shí)，將空氣露點(diǎn)溫度處理到冷表面溫度以下代價(jià)就比較大，由于要考慮全年的最不利工況，設(shè)備的配置將非常耗能，而且還可能導(dǎo)致空氣的相對濕度太低，產(chǎn)生靜電問題，影響電氣設(shè)備安全運(yùn)行。

另外，冷表面結(jié)露還和空氣的流動情況相關(guān)。假定水輪機(jī)層和蝸殼層是一個(gè)相對密閉的空間，如果冷表面溫度低于空氣溫度，冷表面與空氣進(jìn)行持續(xù)的熱交換后，冷表面結(jié)露，空氣中的水份析出，空氣含濕量下降，這時(shí)，在除濕機(jī)容量足夠大的條件下，由于除濕機(jī)在不斷除濕，不斷降低空氣中的含濕量，普通除濕機(jī)會散熱，此時(shí)冷表面溫度也將逐步提高，最終將導(dǎo)致環(huán)境空氣露點(diǎn)溫度達(dá)到或低于冷表面溫度，此時(shí)冷表面結(jié)露現(xiàn)象將消失。但實(shí)際上，水輪機(jī)層和蝸殼層的空氣是流動的，實(shí)際設(shè)計(jì)中一般都在上下游壁面設(shè)有軸流風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)不斷地將上部發(fā)電機(jī)層的空氣補(bǔ)充進(jìn)水輪機(jī)層和蝸殼層，此時(shí)，即使原來水輪機(jī)層和蝸殼層的空氣已不再使冷表面結(jié)露，新進(jìn)空氣又會開始結(jié)露，這是一個(gè)循環(huán)反復(fù)的動態(tài)過程。因此，相對密閉的空間更有利于防止結(jié)露。

因此對于廠房除濕，應(yīng)該綜合考慮各種因素進(jìn)行處理，主要應(yīng)對措施有以下幾點(diǎn)：

1）主廠房采用空調(diào)系統(tǒng)，利用空調(diào)設(shè)備對新鮮空氣進(jìn)行除濕。

2）主廠房拱頂送風(fēng)口位置避開機(jī)組位置，以防風(fēng)口在系統(tǒng)運(yùn)行初期結(jié)露滴水到發(fā)電機(jī)蓋板上，同時(shí)所有送風(fēng)口采用防結(jié)露植絨鋁合金風(fēng)口，盡量避免風(fēng)口結(jié)露。

3）在水輪機(jī)層和蝸殼層設(shè)置除濕機(jī)就地進(jìn)行除濕。

4）建立回風(fēng)渠道，潮濕季節(jié)回風(fēng)運(yùn)行，避免新風(fēng)將過多的濕氣帶入廠房（其他季節(jié)為保證廠房空氣品質(zhì)可全新風(fēng)運(yùn)行）。潮濕季節(jié)送風(fēng)溫度相應(yīng)降低，以充分利用空調(diào)設(shè)備的除濕功能。

5）水機(jī)管道采用不銹鋼管道。水機(jī)管道和水輪層機(jī)以下墻面進(jìn)行保溫。

6）根據(jù)天氣情況提前對系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換（即全新風(fēng)運(yùn)行與回風(fēng)運(yùn)行的轉(zhuǎn)換）。

7）地面積水及時(shí)清理，避免其蒸發(fā)到空氣中。

8）加強(qiáng)巖壁有序排水，查漏堵漏，防止水管連接處漏水，地溝加蓋板，減少水份的蒸發(fā)。

3 合理運(yùn)用通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，防止廠房結(jié)露

下面以某工程實(shí)例說明如何合理運(yùn)用通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)來防止廠房結(jié)露。

江蘇某抽水蓄能地下廠房，總裝機(jī)容量1 500 MW。夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度32℃，夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度34.5℃，主廠房采用空調(diào)送風(fēng)，機(jī)械排風(fēng)，送風(fēng)溫度19℃，相對濕度95%，發(fā)電機(jī)層送風(fēng)量為212 000 m3/s；母線層、水輪機(jī)層及蝸殼層通過上游預(yù)埋風(fēng)管從發(fā)電機(jī)層取風(fēng)，水輪機(jī)層設(shè)計(jì)送風(fēng)量為80 000 m3/s，蝸殼層設(shè)計(jì)送風(fēng)量為50 000 m3/s。水輪機(jī)層設(shè)計(jì)有回風(fēng)道，主廠房空調(diào)系統(tǒng)可以全新風(fēng)運(yùn)行，也能實(shí)現(xiàn)回風(fēng)運(yùn)行。經(jīng)過計(jì)算，夏季不同運(yùn)行方式下，水輪機(jī)層及蝸殼層空氣露點(diǎn)溫度見表2。

表2 水輪機(jī)層及蝸殼層空氣露點(diǎn)溫度 ℃

由表2看出，全廠通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)全新風(fēng)運(yùn)行、空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)運(yùn)行，三種運(yùn)行方式中，空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)運(yùn)行時(shí)空氣露點(diǎn)溫度最低，也就是最不容易發(fā)生結(jié)露。由此可以得出下面的結(jié)論：

1）絕對含濕量主要是新鮮空氣帶來的，因此當(dāng)結(jié)露發(fā)生時(shí)，應(yīng)盡量減少通風(fēng)，這樣更有利于除濕。

2）當(dāng)水輪機(jī)層發(fā)生結(jié)露時(shí)，建議停開水輪機(jī)層壁面風(fēng)機(jī)，盡量避免水輪機(jī)層進(jìn)入新鮮空氣，同時(shí)開啟水輪機(jī)層除濕機(jī)進(jìn)行除濕。

3）當(dāng)蝸殼層發(fā)生結(jié)露時(shí)，開啟蝸殼層除濕機(jī)除濕，同時(shí)停運(yùn)蝸殼層上下游壁面軸流風(fēng)機(jī)，使得蝸殼層處于相對封閉的狀態(tài)。

4）當(dāng)廠房內(nèi)空氣品質(zhì)能滿足人員的舒適要求時(shí)，主空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)盡量采用回風(fēng)運(yùn)行。主廠房回風(fēng)運(yùn)行的模式最節(jié)能，廠房內(nèi)整體濕度也最低，平均相對濕度僅為63%。

5）當(dāng)回風(fēng)運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)層發(fā)生結(jié)露時(shí)，開啟水輪機(jī)層除濕機(jī)除濕，當(dāng)冷表面溫度低于13.17℃時(shí)，不宜采用回風(fēng)工況，同時(shí)停運(yùn)水輪機(jī)層上下游壁面軸流風(fēng)機(jī)，使得水輪機(jī)層處于相對封閉的狀態(tài)（回風(fēng)道設(shè)置在母線層比設(shè)置在水輪機(jī)層對除濕更有利，本電站由于地質(zhì)條件差，為減少開挖，沒有專門開挖回風(fēng)道，僅利用現(xiàn)有的施工支洞進(jìn)行回風(fēng)，由于施工支洞位于水輪機(jī)層，使得回風(fēng)運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)層無法實(shí)現(xiàn)相對密封）。

6）本電站主空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度為19℃，這是系統(tǒng)全新風(fēng)運(yùn)行時(shí)的設(shè)計(jì)溫度。采用回風(fēng)運(yùn)行的時(shí)候可將系統(tǒng)送風(fēng)溫度設(shè)定為15℃。過渡季節(jié)當(dāng)交通洞末端溫度≤15℃時(shí)，應(yīng)停止運(yùn)行主空調(diào)系統(tǒng)的冷水機(jī)組，僅運(yùn)行空氣處理機(jī)。當(dāng)15℃＜交通洞末端溫度＜26℃時(shí)，全新風(fēng)運(yùn)行時(shí)可適當(dāng)調(diào)低送風(fēng)溫度（即設(shè)定15℃＜送風(fēng)溫度＜19℃），送風(fēng)溫度越低，則空調(diào)系統(tǒng)的除濕能力越強(qiáng)，但受設(shè)備制冷能力及系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身的限制，送風(fēng)溫度不宜低于15℃。

7）完全通過通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)來保證廠房全年任何時(shí)間都不結(jié)露是非常不經(jīng)濟(jì)的，也是不合理的，因?yàn)楫?dāng)冷表面溫度過低時(shí)，完全通過通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)來保證不結(jié)露必將造成廠房相對濕度過低，過分干燥的空氣將影響電氣設(shè)備安全運(yùn)行。