抽水蓄能電站地下主廠房通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行優(yōu)化

葉芷言 李建秋 肖益民

1 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院

2 南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司

3 中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

近十年來我國新建了許多抽水蓄能電站，按照我國“十三五”規(guī)劃，2 020 年我國抽水蓄能運(yùn)行容量將達(dá)到4000 萬kW[1]。

抽水蓄能電站通常采用深埋式地下廠房，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷較小，主要負(fù)荷來源是設(shè)備散熱。對(duì)多個(gè)裝機(jī)容量在百萬千瓦以上的水電站的地下廠房全廠發(fā)熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，它們的單位裝機(jī)發(fā)熱量約在 1.10～1.34 kW/MW[2-4]。地下廠房散熱負(fù)荷隨設(shè)備的工況變化使通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行有很大的可調(diào)性，對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的研究具有實(shí)際意義。地下廠房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的研究主要是通過現(xiàn)場實(shí)測結(jié)合理論分析[5-6]、以及模型試驗(yàn)[7]的方法，運(yùn)行調(diào)控的手段主要是自動(dòng)控制系統(tǒng)[8]。本文針對(duì)抽水蓄能電站地下主廠房，結(jié)合其生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)度和常見的通風(fēng)流程，以進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度作為控制參數(shù)，對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年的運(yùn)行調(diào)控方案進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 抽水蓄能電站地下式電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.1 通風(fēng)流程

抽水蓄能電站地下廠房中，主廠房、主變壓器室和母線洞是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)服務(wù)的重點(diǎn)，一般采用機(jī)械通風(fēng)或空調(diào)系統(tǒng)來保障廠內(nèi)的熱濕環(huán)境。位于南方的抽水蓄能電站，地下廠房一般采用通風(fēng) +空調(diào)系統(tǒng)。由于廠房埋深大，為充分利用進(jìn)、排風(fēng)通道和通風(fēng)消除余熱的能力，通常采用多層串聯(lián)通風(fēng)方式。主廠房和母線洞在通風(fēng)流程中為串聯(lián)關(guān)系，共用一個(gè)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，而主變壓器室通常是獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，且主廠房和母線洞的散熱功率占全廠總散熱功率的大部分，因此本文討論主廠房和母線洞的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方案。

主廠房豎直方向從上到下為發(fā)電機(jī)層、中間層、水輪機(jī)層、蝸殼層、廊道層等功能層。一般通風(fēng)流程分為3 種[9]，如圖1 所示，流程 1：風(fēng)由發(fā)電機(jī)層送到母線洞和中間層，中間層的風(fēng)并列流向水輪機(jī)層、蝸殼層后循環(huán)回到中間層，再排向母線洞。流程 2：風(fēng)由發(fā)電層并列流向中間層、水輪機(jī)層、蝸殼層，水輪機(jī)層和蝸殼層的風(fēng)流回中間層后統(tǒng)一排向母線洞。流程3：風(fēng)由發(fā)電機(jī)層送到中間層，中間層的風(fēng)并列流向水輪機(jī)層、蝸殼層后循環(huán)回到中間層，再統(tǒng)一排向母線洞。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理方案主要有：①室外新風(fēng)不處理直接送入主廠房。②室外新風(fēng)在進(jìn)風(fēng)洞末端集中冷卻減濕處理后送入主廠房。③在發(fā)熱量比較大的場所如母線洞、中間層設(shè)置局部制冷設(shè)備對(duì)該場所內(nèi)的空氣進(jìn)行冷卻處理。

圖1 主廠房母線洞通風(fēng)流程示意圖

1.2 運(yùn)行方式

抽水蓄能電站通常是日調(diào)節(jié)運(yùn)行方式，每天用電低谷的凌晨為抽水蓄能工況，用電高峰的上午9:00-11:00 和晚上18:00-22:00 為發(fā)電工況。發(fā)電機(jī)組不運(yùn)行時(shí)，隨發(fā)電工況運(yùn)行的設(shè)備，如勵(lì)磁機(jī)、母線等，也停止運(yùn)行，廠內(nèi)余熱負(fù)荷大幅減小。主廠房主要發(fā)熱區(qū)域無人值守，少人巡檢，副廠房一般為單獨(dú)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，多年的生產(chǎn)實(shí)踐表明，在設(shè)備不運(yùn)行的時(shí)候，不開啟主廠房的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)也能保證各場所溫度要求。因此，地下廠房通常每天根據(jù)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行規(guī)律啟停通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在全年的運(yùn)行調(diào)節(jié)通常以季節(jié)劃分，如南方的電站通常以4-9 月為空調(diào)季節(jié)，其余為通風(fēng)季節(jié)[2]。實(shí)際上，空調(diào)季節(jié)里也會(huì)存在室外溫度比較低的情況，這時(shí)僅靠機(jī)械通風(fēng)進(jìn)行排熱就可以滿足廠房內(nèi)的熱濕要求；通風(fēng)季節(jié)里隨著室外氣溫的變化，所需通風(fēng)量也會(huì)變化，若一直采取設(shè)計(jì)通風(fēng)量，會(huì)造成能源的浪費(fèi)。因此，根據(jù)進(jìn)風(fēng)溫度的變化并結(jié)合生產(chǎn)工況來調(diào)控通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，最大程度地利用自然資源，可以得到更加經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方案。

2 運(yùn)行方案優(yōu)化分析

2.1 控制通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換的參數(shù)選擇

室外新風(fēng)要經(jīng)過一段長進(jìn)風(fēng)洞才能進(jìn)入地下廠房的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，空氣通過地下進(jìn)風(fēng)洞時(shí)與巖體發(fā)生熱交換，因此通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)溫度不同于室外[10]。而進(jìn)風(fēng)洞對(duì)空氣的處理能力受到進(jìn)風(fēng)洞長度、半徑和進(jìn)風(fēng)量的影響較大。張鈺巧等[5]對(duì)重慶某水電站進(jìn)行了多季節(jié)長時(shí)間的測試，發(fā)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度雖然隨季節(jié)變化很大，但在一天內(nèi)的波幅最大不超過1.5 ℃。故依據(jù)進(jìn)風(fēng)洞末端的空氣溫度來調(diào)控通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行比較穩(wěn)定、準(zhǔn)確?？蓪囟缺O(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在進(jìn)風(fēng)洞末端，以進(jìn)風(fēng)洞末端的空氣溫度TM作為控制通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方案轉(zhuǎn)換的參數(shù)。

2.2 運(yùn)行轉(zhuǎn)換的臨界溫度

由圖 1 可知，在各通風(fēng)流程中，發(fā)電機(jī)層始終處于整個(gè)通風(fēng)流程的始端，母線洞處于末端。通常按照滿足發(fā)電機(jī)層設(shè)計(jì)溫濕度參數(shù)要求，確定主廠房的設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)溫度Tj。當(dāng)進(jìn)風(fēng)洞末端的空氣溫度大于主廠房的設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)溫度Tj時(shí)，需要投入集中制冷將進(jìn)風(fēng)處理至設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)溫度Tj。對(duì)于一些發(fā)熱量比較大的場所，如母線洞、中間層等，當(dāng)溫度不能滿足要求時(shí)可投入局部制冷。當(dāng)主廠房和母線洞僅靠通風(fēng)排除余熱時(shí)，整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)所能利用的溫差為母線洞設(shè)計(jì)排風(fēng)溫度tN,m與發(fā)電機(jī)層進(jìn)風(fēng)溫度之差Tx，于是得到各通風(fēng)工況轉(zhuǎn)換的臨界溫度Tx與對(duì)應(yīng)的風(fēng)量mx之間的關(guān)系式（1）：

式中：mx為各通風(fēng)工況下的風(fēng)量，k g/s，通過電站竣工后的能效檢測，可以知道通過改變通風(fēng)設(shè)備開啟情況所能實(shí)現(xiàn)的幾種通風(fēng)工況，以及對(duì)應(yīng)的風(fēng)量，其中x=0,1,2,,n（n為通過調(diào)整通風(fēng)設(shè)備開啟臺(tái)數(shù)所能實(shí)現(xiàn)的變風(fēng)量通風(fēng)工況的總數(shù)）。Tx為各通風(fēng)工況轉(zhuǎn)換的臨界溫度，℃。c為空氣的定壓比熱容，k J/(kg℃)。ΣQi為主廠房和母線洞的散熱量總和，k W。

當(dāng)x=0 時(shí)，m0 為廠房設(shè)計(jì)風(fēng)量，利用式（1）求得的為空調(diào)運(yùn)行和通風(fēng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換的臨界溫度；當(dāng)x=0,1,2,,n時(shí)，m1，m2，m3，…，mn為對(duì)應(yīng)通風(fēng)工況的風(fēng)量，x越大，對(duì)應(yīng)風(fēng)量越小。利用式（1）求得的Tx為各變風(fēng)量工況轉(zhuǎn)換的臨界溫度。根據(jù)進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度TM、主廠房設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)溫度Tj和臨界溫度Tx，可以劃分出三個(gè)溫度階段，每個(gè)溫度階段對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方案不同：

①TM>Tj時(shí)，應(yīng)采用機(jī)械通風(fēng) +集中制冷 +局部制冷的運(yùn)行方案，通風(fēng)量為設(shè)計(jì)風(fēng)量，進(jìn)風(fēng)集中處理至設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)溫度Tj，設(shè)置局部制冷的場所按照各場所的設(shè)計(jì)溫度調(diào)控局部制冷設(shè)備。

②Tj≥TM>T0時(shí)，在設(shè)計(jì)風(fēng)量下可以省去集中制冷，設(shè)置局部制冷的場所，按照各場所的設(shè)計(jì)溫度調(diào)控局部制冷設(shè)備。

③TM≤T0時(shí)，關(guān)閉制冷系統(tǒng)，僅運(yùn)行機(jī)械通風(fēng)。為減小能耗，采取變風(fēng)量運(yùn)行方案，以進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度作為控制參數(shù)，在滿足廠房排熱需求的前提下，選擇合適的通風(fēng)工況。

根據(jù)以上分析，得到進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度TM在全年處于不同溫度階段時(shí)，對(duì)應(yīng)的通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行方案，見表1。

表1 不同溫度階段對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方案

由于進(jìn)風(fēng)洞末端的空氣溫度在一天內(nèi)波動(dòng)很小，因此根據(jù)進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度可以確定每天的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方案。抽水蓄能電站的發(fā)電機(jī)組不是全天連續(xù)運(yùn)行的。每天可根據(jù)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行規(guī)律啟停通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)行間歇運(yùn)行。

類似工程現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明[11-12]，發(fā)電機(jī)層、中間層和母線洞基本不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)濕度過高的情況，而水輪機(jī)層、蝸殼層容易出現(xiàn)潮濕的問題，通常在這些場所設(shè)置除濕機(jī)，以保證相對(duì)濕度滿足要求。

3 案例分析

以某地下式抽水蓄能電站為例，進(jìn)行主廠房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方案的探討及經(jīng)濟(jì)性分析。該電站位于南方某省，安裝了4 臺(tái)單機(jī)容量為300 MW 的單級(jí)可逆混流式機(jī)組。主廠房采用集中式空調(diào)為主、局部空調(diào)為輔的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式，通風(fēng)流程為流程2 的形式。電站地下主廠房的設(shè)計(jì)風(fēng)量為 240000 m3/h，空調(diào)機(jī)房布置在主、副廠房端部，局部制冷設(shè)備設(shè)置在中間層、水輪機(jī)層、母線洞。其中，主廠房一端空調(diào)機(jī)組的進(jìn)風(fēng)由進(jìn)廠交通洞引入，副廠房一端空調(diào)機(jī)組的進(jìn)風(fēng)由通風(fēng)兼安全洞引入，兩個(gè)進(jìn)風(fēng)洞的長度均約為1500 m，斷面面積約50 m2。

3.1 進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度

為了進(jìn)行全年運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算，需要根據(jù)進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度的全年逐時(shí)值統(tǒng)計(jì)各設(shè)備的運(yùn)行小時(shí)數(shù)。根據(jù)進(jìn)風(fēng)洞的尺寸、地點(diǎn)氣象參數(shù)、進(jìn)風(fēng)量等參數(shù)，利用“水電站地下風(fēng)道氣流參數(shù)計(jì)算 VER1.0”程序[13]計(jì)算出進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度的全年逐時(shí)值。郭誼嬋[14]利用十三陵水電站地下進(jìn)風(fēng)道的實(shí)測數(shù)據(jù)與該程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者的相對(duì)誤差基本控制在± 5%以內(nèi)，證實(shí)了該程序計(jì)算結(jié)果的正確性。由于兩條進(jìn)風(fēng)洞長度和截面積相近，設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量均為12000 m 3/h，對(duì)其中一條進(jìn)風(fēng)洞進(jìn)行計(jì)算，得到該電站全年的進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度的逐時(shí)值，見圖 2。

圖2 進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度全年逐時(shí)值

3.2 運(yùn)行方案的優(yōu)化分析

根據(jù)各設(shè)備的散熱計(jì)算公式[15]可以得到廠房的設(shè)計(jì)散熱量。但抽水蓄能電站的發(fā)電機(jī)組是每天間歇運(yùn)行，其散熱量不會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)值，要想得到廠房實(shí)際的余熱負(fù)荷，可以根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)設(shè)計(jì)值進(jìn)行修正[16]，也可以通過電站竣工后的能效檢測得到各場所的實(shí)際余熱負(fù)荷，或者通過運(yùn)行控制過程中監(jiān)測的空氣溫度結(jié)合運(yùn)行風(fēng)量等參數(shù)計(jì)算。本文根據(jù)各場所設(shè)計(jì)散熱量進(jìn)行案例分析，在實(shí)際的運(yùn)行方案調(diào)控時(shí)，應(yīng)根據(jù)各場所的實(shí)際散熱量計(jì)算臨界溫度，進(jìn)行運(yùn)行方案的調(diào)節(jié)。

該電站主廠房各層和母線洞的散熱量Qi以及各場所的設(shè)計(jì)風(fēng)量，見表2。

表2 各場所的散熱量及設(shè)計(jì)風(fēng)量

該電站主廠房的設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)溫度Tj為 22 ℃，母線洞的設(shè)計(jì)溫度tN,m為35 ℃。電站竣工后，通過對(duì)該電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能效檢測，得到了變風(fēng)量通風(fēng)工況對(duì)應(yīng)的風(fēng)量，根據(jù)式（1）計(jì)算變風(fēng)量方案中各通風(fēng)工況轉(zhuǎn)換的臨界溫度Tx，見表3。

表3 變風(fēng)量通風(fēng)工況的主要通風(fēng)設(shè)備開啟情況及對(duì)應(yīng)的風(fēng)量、臨界溫度

根據(jù)圖 2 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度在全年內(nèi)的最低值是 8.8 ℃，大于 5 ℃，所以通風(fēng)量為122600 m3/h 和 104000 m3/h 時(shí)，不能僅靠通風(fēng)進(jìn)行排熱來滿足主廠房的溫度要求。因此，空調(diào)運(yùn)行與通風(fēng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換的臨界溫度T0為 19.5 ℃，對(duì)應(yīng)風(fēng)量為240000 m3/h；變風(fēng)量方案的臨界溫度T1為15.3 ℃，對(duì)應(yīng)風(fēng)量為190000 m 3/h。

綜上，根據(jù)臨界溫度Tj、T0、T1劃分了 4 個(gè)溫度階段，得到該電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化后的全年運(yùn)行方案，見表4。

表4 該電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化后的全年運(yùn)行方案

3.3 運(yùn)行費(fèi)用

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的總運(yùn)行費(fèi)用包括空調(diào)主機(jī)和各種輔助設(shè)備（如水泵和風(fēng)機(jī)等）的運(yùn)行費(fèi)用。在能耗計(jì)算時(shí)，需考慮全年不同時(shí)段水電站廠房實(shí)際負(fù)荷的變化。運(yùn)行費(fèi)用利用式（2）計(jì)算。

式中：A為運(yùn)行費(fèi)用；Nz為設(shè)備的功率；n為設(shè)備臺(tái)數(shù)；p為電價(jià)價(jià)格；h為運(yùn)行小時(shí)數(shù)/ 天；d為年運(yùn)行天數(shù)；Cld為負(fù)荷率。

對(duì)于優(yōu)化后的運(yùn)行方案，需要統(tǒng)計(jì)進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度處于各溫度階段的天數(shù)，結(jié)合每天實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，得到通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年實(shí)際運(yùn)行小時(shí)數(shù)。該電站發(fā)電機(jī)組的常規(guī)日運(yùn)行情況如圖3，當(dāng)發(fā)電機(jī)組不運(yùn)行時(shí)關(guān)閉主廠房的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，則每天通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間為 15 小時(shí)。根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度處于各溫度階段的天數(shù)，結(jié)合每天實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，得到通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年實(shí)際運(yùn)行小時(shí)數(shù)，見表5。

圖3 發(fā)電機(jī)組的日運(yùn)行情況

該電站現(xiàn)在的通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行方案設(shè)置為 4-10 月為空調(diào)季節(jié)，其余為通風(fēng)季節(jié)。當(dāng)?shù)仉娏竟嫉墓I(yè)用電為0.6 元/kWh。根據(jù)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年的運(yùn)行方案統(tǒng)計(jì)各通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況和運(yùn)行時(shí)間，利用式（2）計(jì)算，得到現(xiàn)行方案和優(yōu)化后方案的總運(yùn)行費(fèi)用，以及其中空調(diào)設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備所占的運(yùn)行費(fèi)用，見圖4。

圖4 現(xiàn)行方案與優(yōu)化方案的運(yùn)行費(fèi)用

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化后方案的年運(yùn)行費(fèi)用比現(xiàn)行方案的年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省27.10 萬元，主要減少了空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行能耗，空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用相比原方案減少了 41.8%。優(yōu)化方案通過劃分溫度階段來選擇合適的通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行工況，充分利用室外進(jìn)風(fēng)資源，避免了不必要的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備投入運(yùn)行，從而減少了通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的浪費(fèi)。

4 結(jié)語

由于進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度在短期內(nèi)比較穩(wěn)定的特點(diǎn)，宜將進(jìn)風(fēng)洞末端的空氣溫度作為控制通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方案轉(zhuǎn)換的參數(shù)。根據(jù)抽水蓄能電站運(yùn)行調(diào)度方式和通風(fēng)流程特點(diǎn)，按照滿足所有場所的溫度參數(shù)不超過設(shè)計(jì)值的原則，推導(dǎo)出通風(fēng)方案和空調(diào)方案轉(zhuǎn)換的臨界溫度的計(jì)算方法，給出各溫度階段對(duì)應(yīng)的通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行方案。當(dāng)進(jìn)風(fēng)洞末端空氣溫度處于某個(gè)溫度階段時(shí)，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到該溫度階段對(duì)應(yīng)的通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行方案,可以減少通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的全年運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，且較為簡便易行。

在水電站實(shí)際運(yùn)行管理時(shí)，可以采用實(shí)時(shí)監(jiān)測進(jìn)風(fēng)洞末端的溫度、廠房各場所的空氣參數(shù)、各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，獲得按照廠房實(shí)際余熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)控的方案，使通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控更加準(zhǔn)確、節(jié)能。