某大型水電站廠房冷凝水成因分析與應(yīng)對(duì)措施研究

向欣欣,張文亮,雷元金

(雅礱江流域水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051)

0 引 言

冷凝水是空氣中水蒸汽液化過程產(chǎn)生的物質(zhì)?？諝庠谒亢蜌鈮憾疾桓淖兊臈l件下，冷卻到飽和時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)溫度。當(dāng)溫度下降到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，空氣中的水分將達(dá)到飽和狀態(tài)析出，從而在表面上形成冷凝水。冷凝水的產(chǎn)生不僅會(huì)造成金屬部件的銹蝕，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的冷凝水在循環(huán)風(fēng)流的挾帶下進(jìn)入風(fēng)道內(nèi)，還會(huì)降低電氣設(shè)備的絕緣水平，加速電器元件的老化[1]；同時(shí)還會(huì)造成墻皮脫落，給日常工作帶來不便。因此，有效地減少冷凝水的產(chǎn)生具有重大意義。

水電站地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)主要來源于組合空調(diào)送風(fēng)和交通洞進(jìn)風(fēng)樓送風(fēng)，其中在交通洞進(jìn)風(fēng)樓送風(fēng)系統(tǒng)測(cè)量室外溫度、濕度為全廠空調(diào)系統(tǒng)共享。通過分析計(jì)算出各個(gè)設(shè)備在什么樣的溫度和濕度情況下會(huì)產(chǎn)生冷凝水，利用這個(gè)極端條件來控制廠房空氣的濕度和溫度，從而可以從源頭上減低冷凝水的產(chǎn)生，減少水電站設(shè)備的金屬銹蝕，防止電氣設(shè)備的絕緣損壞；同時(shí)也可以減輕檢修工作，為廠房通風(fēng)系統(tǒng)改造提供數(shù)據(jù)支持，讓該水電站機(jī)電設(shè)備可以安全長(zhǎng)久運(yùn)行。

1 因素分析

根據(jù)物理知識(shí)可知，冷凝水的產(chǎn)生與該環(huán)境下的溫度和濕度有關(guān)。當(dāng)空氣中水汽已達(dá)到飽和時(shí)，氣溫與露點(diǎn)溫度相同；溫度下降到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，空氣中的水分就會(huì)析出；當(dāng)水汽未達(dá)到飽和時(shí)，氣溫一定高于露點(diǎn)溫度。所以露點(diǎn)與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。氣溫降到露點(diǎn)溫度以下是水汽凝結(jié)的必要條件。在壓力一定的情況下，空氣溫度下降到露點(diǎn)溫度，濕空氣中的水蒸汽飽和，從而凝結(jié)成水。溫度、濕度以及露點(diǎn)溫度三者的關(guān)系如下所示(見圖1)。

圖1 焓濕圖

對(duì)某水電站廠房各處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡檢發(fā)現(xiàn)，冷凝水主要集中在主變冷卻水管道、GCB冷卻器、上風(fēng)洞、勵(lì)磁滑環(huán)室、水車室主軸密封供水管道、技供泵房、995廊道以及用水管道等處。

1.1 溫度的影響

該水電站冷凝水的形成主要集中在每年汛期7—11月。雖然廠房?jī)?nèi)全年的空氣溫度沒有較大變化，但是取自尾水管的技術(shù)供水溫度比其他月份低，與環(huán)境溫差變大，這是冷凝水形成較多的原因之一。

1.2 濕度的影響

該地下廠房?jī)?nèi)進(jìn)風(fēng)樓位于該大壩下游，每年汛期7—11月泄洪頻繁，導(dǎo)致空氣濕度較大。濕度較大的空氣從進(jìn)風(fēng)樓進(jìn)入該地下廠房主層、發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、技術(shù)供水室等處。相同溫度下，空氣濕度越大，冷凝水越容易形成。

1.3 露點(diǎn)溫度的計(jì)算

對(duì)全廠冷凝水進(jìn)行數(shù)據(jù)收集分析得出，風(fēng)洞與主變室比較，主變冷卻器總排水管溫度為20 ℃，沒有冷凝水形成；但是風(fēng)洞內(nèi)冷卻器冷風(fēng)溫度為30 ℃都有冷凝水形成，這與之前的結(jié)論相悖。我們通過以下3種方法來解釋這個(gè)現(xiàn)象。

1.3.1 絕對(duì)含濕度D的計(jì)算

D=0.622×φPPs/(P-φPPs)

(1)

式中,P為空氣壓力(Pa)；Ps為水蒸汽飽和壓力(Pa)；φp為相對(duì)濕度(%)。

廠房?jī)?nèi)空氣壓力P約為90 000 Pa(海拔1 000 m對(duì)應(yīng)約為90 000 Pa)。

水蒸汽在濕度達(dá)到100%時(shí)，水分將會(huì)變成冷凝水析出。將絕對(duì)含濕量計(jì)算中的P、D保持不變，將φp變?yōu)?00%后代入公式(1)即可得到Ps的值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，查表1得出相應(yīng)溫度下飽和水蒸汽壓力(見表1)，再根據(jù)飽和水蒸汽壓力查表2露點(diǎn)溫度與主要濕度換算表得對(duì)應(yīng)的溫度即為露點(diǎn)溫度(見表2)。

1.3.2 風(fēng)洞內(nèi)空冷器露點(diǎn)溫度計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)，計(jì)算6號(hào)機(jī)組空冷器露點(diǎn)溫度。現(xiàn)場(chǎng)采用濕度計(jì)測(cè)量6號(hào)機(jī)風(fēng)洞內(nèi)相對(duì)濕度φp=33%，并以此作為計(jì)算露點(diǎn)溫度的條件。查表1可得：57 ℃(CCS上空冷器熱風(fēng)溫度)水蒸汽飽和壓力Ps=17 334.97 Pa，相對(duì)濕度φp=33%；代入公式計(jì)算得到D=0.042 2 kg/kg。然后將D=0.042 2 kg/kg、φp=100%再次代入公式(1)，經(jīng)計(jì)算得到Ps=5 858.87 Pa。查表2得對(duì)應(yīng)的溫度為35.6 ℃，該溫度即為露點(diǎn)溫度。由此可以看出，空冷器進(jìn)風(fēng)的露點(diǎn)溫度為35.6 ℃，進(jìn)水側(cè)管壁溫度為17.5 ℃，低于露點(diǎn)溫度，因此必然會(huì)引起結(jié)露，與實(shí)際現(xiàn)象一致。

表1 不同溫度下飽和水蒸汽壓力 (來自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11605—2005)

表2 露點(diǎn)溫度與主要濕度換算 (來自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11605—2005)

1.3.3 主變室露點(diǎn)溫度計(jì)算

主變室空氣溫度為27 ℃，查表1可得：27 ℃水蒸汽飽和壓力Ps=3 567.892 Pa，相對(duì)濕度φp=65%(經(jīng)過濕度計(jì)測(cè)量得到)，以同樣的方法計(jì)算得出D=0.015 kg/kg；然后將D=0.001 5 kg/kg、φp=100%再次代入公式(1)，經(jīng)計(jì)算得到Ps=2 090 Pa。查表2得對(duì)應(yīng)的溫度為18.3 ℃，該溫度即為主變室大氣的露點(diǎn)溫度。該露點(diǎn)溫度驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，即機(jī)組帶400 MW，供水管水溫為17 ℃，排水管水溫為20 ℃，此時(shí)供水管處有冷凝水，排水管處無冷凝水；機(jī)組備用，供水管水溫為17 ℃，排水管水溫為18 ℃，此時(shí)供排水管處均有冷凝水。

1.3.4 干球溫度法求露點(diǎn)溫度

Td=23φ+0.84t-19.2[2]

(2)

式中，φ為相對(duì)濕度(%)；t為空氣溫度(℃)；Ta為露點(diǎn)溫度(℃)。

將風(fēng)洞內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式(2)中，可得露點(diǎn)溫度為36 ℃。將主變室相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式(2)中，可得露點(diǎn)溫度為18.4 ℃。與上述計(jì)算方法結(jié)果相近，解釋了溫度低不一定會(huì)產(chǎn)生冷凝水的物理現(xiàn)象。

1.3.5 讀圖求露點(diǎn)溫度

除了利用上述公式可以計(jì)算出露點(diǎn)溫度之外，已知溫度和相對(duì)濕度也可以利用焓濕圖近似讀出露點(diǎn)溫度。為了便于說明利用焓濕圖近似讀取露點(diǎn)溫度的方法，繪制了簡(jiǎn)易焓濕圖(見圖2)。在圖2中找到當(dāng)前溫度和相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)的點(diǎn)A，向下做垂線，與相對(duì)濕度為100%曲線的交點(diǎn)B所對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)C及為露點(diǎn)溫度。利用該方法讀出的6號(hào)機(jī)組上風(fēng)洞露點(diǎn)溫度在34.5 ℃左右，主變露點(diǎn)溫度在19 ℃左右，與計(jì)算結(jié)果接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了露點(diǎn)溫度計(jì)算的正確性。

圖2 簡(jiǎn)易焓濕圖

1.3.6 小結(jié)

風(fēng)洞空氣濕度約為33%，主變室空氣濕度約為65%；通過上述3種計(jì)算都可以得出風(fēng)洞內(nèi)露點(diǎn)溫度約為35.6 ℃，主變室內(nèi)露點(diǎn)溫度約為18.3 ℃?？绽淦鞒鲲L(fēng)溫度低于風(fēng)洞內(nèi)的露點(diǎn)溫度，主變總排水管溫度高于露點(diǎn)溫度，所以風(fēng)洞內(nèi)空冷器溫度在30 ℃也有冷凝水產(chǎn)生，而主變室在20 ℃的管道上也沒有冷凝水的產(chǎn)生。所以，溫度和濕度是該水電站冷凝水形成的兩個(gè)必要條件，控制廠房冷凝水的形成要從這兩個(gè)方面考慮。

2 應(yīng)對(duì)措施

綜合上述分析，水電站地下廠房通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)主要來源于組合空調(diào)送風(fēng)和交通洞進(jìn)風(fēng)樓送風(fēng)，空氣的溫度和濕度對(duì)廠房冷凝水的產(chǎn)生有著重大影響。為降低冷凝水的產(chǎn)生，應(yīng)從溫度和濕度等方面入手，同時(shí)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的局限。

2.1 降低空氣溫度

由上述計(jì)算可知，環(huán)境濕度相同的條件下，環(huán)境溫度越高對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度越高，設(shè)備產(chǎn)生冷凝水的條件也越容易滿足。由于廠內(nèi)布置有大量機(jī)電設(shè)備，對(duì)溫度的要求比較嚴(yán)苛，且考慮不同區(qū)域的特性，地下廠房各設(shè)備室環(huán)境溫度各不相同。在進(jìn)行進(jìn)行廠房通風(fēng)系統(tǒng)整體改造前，目前采用了在部分設(shè)備室安裝空調(diào)或除濕機(jī)，降低單個(gè)設(shè)備室的溫度，從而降低露點(diǎn)溫度，對(duì)抑制冷凝水的產(chǎn)生效果明顯。同時(shí)，該水電站對(duì)部分發(fā)電機(jī)空冷器進(jìn)行了更換，風(fēng)洞內(nèi)的冷卻效果較未更換機(jī)組的冷卻效果有明顯提升，冷凝水的現(xiàn)象也更為嚴(yán)重；后期考慮在不影響機(jī)組正常運(yùn)行的前提下，可適當(dāng)減少空冷器的進(jìn)水量，降低空冷器的冷卻效果，提高空冷器管表溫度[3]。

2.2 降低空氣濕度

由上述計(jì)算可知，環(huán)境溫度相同的條件下，環(huán)境濕度越高對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度越高。在濕度方面，濕空氣在1 170.3 m高程的廠房進(jìn)風(fēng)室里的4臺(tái)離心風(fēng)機(jī)的作用下，經(jīng)進(jìn)風(fēng)豎井、進(jìn)風(fēng)樓、組合空調(diào)、廠房拱頂送風(fēng)道進(jìn)入地下廠房，可以在送風(fēng)組合空調(diào)處對(duì)空氣進(jìn)行除濕處理，從而降低進(jìn)入廠房的空氣濕度，以此達(dá)到降低空氣露點(diǎn)的目的，在源頭上降低冷凝水形成。目前，在該水電站技供泵房加裝了除濕機(jī)，改善了技供泵室內(nèi)局部環(huán)境的空氣濕度，同時(shí)降低了環(huán)境溫度，大大降低了露點(diǎn)溫度，加裝后冷凝水顯著減少。

2.3 涂料和保溫材料

在控制環(huán)境溫度方面，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的局限，該水電站風(fēng)洞和集電環(huán)室不具備安裝空調(diào)或除濕機(jī)的條件，采用在管道表面包裹保溫材料或噴涂防冷凝水專用涂料等方式來隔離與外界環(huán)境的接觸，從而降低冷凝水形成。目前，該水電站已有2臺(tái)機(jī)組集電環(huán)集水盆底部噴涂了專用材料，目前停機(jī)備用時(shí)未見冷凝水產(chǎn)生；風(fēng)洞內(nèi)裸露的供排水管道包裹保溫材料后，管道上冷凝水也顯著減少。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了抑制廠房?jī)?nèi)設(shè)備冷凝水的產(chǎn)生，該水電站目前采用了在管道表面包裹保溫材料或涂刷特殊材料、在部分設(shè)備室安裝除濕機(jī)等手段，對(duì)冷凝水的形成起到了一定的抑制作用，改造后的兩個(gè)區(qū)間冷凝水大幅減少，機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境得到了較大改善，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。