壓縮空氣在發(fā)電廠暖通設(shè)計中的拓展應(yīng)用探討

陳千凱

（中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

壓縮空氣作為一種可靠的動力源，在大中型火力發(fā)電廠中主要用于生產(chǎn)設(shè)備的檢修、維護(hù)以及儀表氣動操作等，在廠內(nèi)暖通系統(tǒng)中主要用于機(jī)械除塵器濾袋以及空調(diào)過濾器的氣力除灰。電廠中均設(shè)置了獨(dú)立的壓縮空氣站及配套管網(wǎng)輸送經(jīng)干燥凈化后的壓縮空氣，管網(wǎng)內(nèi)壓縮空氣無毒、品質(zhì)高，可直接滿足人員衛(wèi)生呼吸用；氣體壓力高，可進(jìn)行長距離輸送；同時壓縮空氣具有膨脹制冷性質(zhì)，可用于區(qū)域環(huán)境降溫。

本文探討了在常規(guī)通風(fēng)設(shè)計受限時，利用廠內(nèi)壓縮空氣的這些特性，將之拓展應(yīng)用于地下電纜隧道通風(fēng)、防煙加壓送風(fēng)及正壓室保護(hù)設(shè)計中。

1 電廠內(nèi)壓縮空氣品質(zhì)分析

電廠內(nèi)設(shè)有獨(dú)立的壓縮空氣站供應(yīng)全廠用氣需求，壓縮空氣的一般制取流程為：空壓機(jī)→儲氣罐→干燥凈化裝置→用氣點(diǎn)。

廠用壓縮空氣質(zhì)量要求的依據(jù)為《儀表供氣設(shè)計規(guī)范》（HG/T 20510—2014）[1]，《醫(yī)用氣體工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50751—2012）[2]中對部分醫(yī)用空氣的品質(zhì)也有明確要求。將電廠內(nèi)壓縮空氣品質(zhì)與醫(yī)用空氣進(jìn)行對比，匯總?cè)绫?所示。

將表1中各標(biāo)準(zhǔn)所述要求按照《壓縮空氣第1部分：污染物凈化等級》（GB/T 13277.1—2008）[3]進(jìn)行等級轉(zhuǎn)換，如表2所示。

表1 各規(guī)范壓縮空氣品質(zhì)要求

根據(jù)表2所示，儀表用氣標(biāo)準(zhǔn)[1]略低于醫(yī)療用氣標(biāo)準(zhǔn)[2]，但工程實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)廠內(nèi)各工藝用氣點(diǎn)要求，最終經(jīng)干燥凈化后的出氣品質(zhì)高于規(guī)范[1]要求，而且凈化等級滿足醫(yī)療用氣要求，故將廠用壓縮空氣直接應(yīng)用于環(huán)境通風(fēng)換氣能夠滿足人員健康衛(wèi)生的要求。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)壓縮空氣品質(zhì)凈化等級

2 壓縮空氣膨脹制冷分析

空氣被視為一種理想氣體用于熱力系統(tǒng)分析，在空氣的絕熱壓縮、膨脹過程中有公式：式中：T1、T2分別為初、終態(tài)溫度（K）；P1、P2分別為初、終態(tài)壓力（MPa）；κ為絕熱指數(shù)，空氣的κ=1.4。

壓縮空氣經(jīng)末端節(jié)氣噴嘴[4]快速釋放至環(huán)境中并膨脹至大氣壓，其釋放過程很快，考慮實(shí)際膨脹過程與理想絕熱過程有偏差，故引入絕熱效率η，值取70%。公式（1）修正為：

根據(jù)規(guī)范[1]的要求，氣源送至裝置各界區(qū)的壓力范圍宜為500～700 kPa（G），工程中至用氣點(diǎn)的管網(wǎng)壓力為P1=0.7 MPa（G）?？諌簷C(jī)本體配置冷卻措施，T1按冷卻后的排氣溫度46 ℃考慮。P2為壓縮空氣釋放到環(huán)境后膨脹至大氣壓0.1 MPa（A）。將各參數(shù)值代入公式（2）中，得T2=251.6 K。

根據(jù)T2值可知噴嘴出口能獲得較低的出風(fēng)溫度，送至室內(nèi)環(huán)境中完全可以滿足區(qū)域環(huán)境降溫要求。

3 壓縮空氣應(yīng)用于地下電纜隧道通風(fēng)設(shè)計

電纜隧道是各電壓等級電力電纜集中布置區(qū)域，電纜在運(yùn)行中發(fā)熱量較大，室內(nèi)通風(fēng)效果不佳將導(dǎo)致電纜本體過熱，影響電纜本體載流量。同時，地下隧道檢修、巡視時需要滿足人員對空氣質(zhì)量的要求，因此地下電纜隧道通風(fēng)設(shè)計于電廠安全生產(chǎn)十分重要。

地下電纜隧道通風(fēng)由于風(fēng)壓、熱壓作用受限，自然通風(fēng)效果不佳，常規(guī)采用的是機(jī)械通風(fēng)方式[5]。

由于廠區(qū)內(nèi)建構(gòu)筑物比較密集、工藝管道布置復(fù)雜，工程設(shè)計中經(jīng)常遇到地上通風(fēng)豎井布置受限、難以與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)等現(xiàn)象，同時隧道路徑較長、分支走向較多，容易出現(xiàn)氣流組織不佳，如氣流短路、通風(fēng)死角等弊端，最終影響電纜隧道的通風(fēng)效果。

為解決電纜隧道常規(guī)機(jī)械通風(fēng)方式的弊端，根據(jù)壓縮空氣的膨脹制冷特性，將廠用壓縮空氣應(yīng)用于地下電纜隧道降溫通風(fēng)設(shè)計，并列舉工程案例進(jìn)行具體計算分析。

某電廠位于山東煙臺，主廠房B-C軸地下電纜隧道布置有10 kV以下各型電纜，電纜散熱量采用估算法[6]，計算式如下：

式中：Q1為電纜總散熱量；C1～CN為第1規(guī)格～第N規(guī)格電纜散熱損失系數(shù)；n1～nN為第1規(guī)格～第N規(guī)格電纜數(shù)量；q1′～qN′為第1規(guī)格～第N規(guī)格電纜散熱量（W）。

根據(jù)公式（3）計算匯總，該電廠主廠房地下電纜隧道總的散熱量為Q1≈50 kW。

機(jī)械通風(fēng)量采用排除余熱法計算，隧道內(nèi)環(huán)境溫度按40 ℃設(shè)計[6]，計算式如下：

式中：L為通風(fēng)量（kg/h）；Q2為圍巖散熱量（W），可按電纜散熱量的30%～40%估算[6]；c為空氣定壓比熱，取1.01 kJ/（kg·℃）；Δt為送排風(fēng)溫差（℃）。

當(dāng)采用常規(guī)機(jī)械通風(fēng)方式，室外進(jìn)風(fēng)按當(dāng)?shù)叵募臼彝馔L(fēng)計算溫度26.9 ℃考慮，代入公式（4）求得室外進(jìn)風(fēng)量L1=29 152 kg/h；當(dāng)采用壓縮空氣膨脹制冷方式，節(jié)氣噴嘴出口溫度為T2=251.6 K，代入公式（4）求得壓縮空氣流量L2=6 219 kg/h。

在排除余熱相同的情況下，壓縮空氣膨脹制冷流量L2只占常規(guī)機(jī)械通風(fēng)量L1的21%；且只需沿隧道均勻敷設(shè)壓縮空氣管道及節(jié)氣噴嘴，故布置簡單，只需考慮排風(fēng)豎井，避免了室外占地過多；同時在電纜隧道分支處布置壓縮空氣支管，解決了通風(fēng)死角問題。

壓縮空氣在噴嘴處快速釋放，在室內(nèi)形成誘導(dǎo)卷吸氣流，大大增強(qiáng)了室內(nèi)氣流組織效果，無須因隧道路徑過長而與機(jī)械通風(fēng)方式一樣額外設(shè)置誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)。

同時壓縮空氣的凈化品質(zhì)滿足檢修人員的衛(wèi)生需求，由此可以看出，壓縮空氣膨脹制冷能夠適用于地下電纜隧道的通風(fēng)設(shè)計。

壓縮空氣膨脹制冷的應(yīng)用目前僅限于煤礦井道內(nèi)降溫[7]，缺少在其他領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例。在常規(guī)機(jī)械通風(fēng)方式無法布置時，將壓縮空氣拓展延伸運(yùn)用于地下電纜隧道通風(fēng)亦為暖通設(shè)計領(lǐng)域提供了新的設(shè)計方法和思路。

4 壓縮空氣應(yīng)用于防煙加壓送風(fēng)設(shè)計

廠內(nèi)各建筑物防煙排煙設(shè)計中，防煙樓梯間、封閉樓梯間等需進(jìn)行防煙設(shè)計以保證人員安全疏散。

無外窗的封閉樓梯間防煙采用機(jī)械加壓送風(fēng)方式，該設(shè)計需布置獨(dú)立機(jī)房及豎直井道，根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51251—2017）[8]，機(jī)房、風(fēng)道大小及布置均有嚴(yán)格要求。

工程中經(jīng)常遇到送風(fēng)豎井影響樓梯間功能、送風(fēng)機(jī)房布置受限等問題；同時超高層建筑為保證送風(fēng)均勻性，還需進(jìn)行加壓送風(fēng)系統(tǒng)的分段設(shè)計，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

根據(jù)壓縮空氣的膨脹特性，將廠用壓縮空氣引入加壓送風(fēng)設(shè)計中，能以較小的流量和簡單的系統(tǒng)設(shè)計滿足防煙要求，現(xiàn)以壓縮空氣運(yùn)用于電廠封閉樓梯間防煙設(shè)計進(jìn)行計算、分析。

某電廠集控樓高12 m，封閉樓梯間共2層，無外窗，采用加壓送風(fēng)進(jìn)行防煙設(shè)計。常規(guī)的機(jī)械加壓送風(fēng)量計算按照標(biāo)準(zhǔn)[8]公式進(jìn)行計算，設(shè)計排煙量為27 216 m3/h，相應(yīng)配置的加壓送風(fēng)機(jī)風(fēng)量28 000 m3/h、風(fēng)壓500 Pa，風(fēng)機(jī)功率為15 kW，占用的機(jī)房平面尺寸為4 m×3.5 m；送風(fēng)管道風(fēng)速按不大于20 m/s設(shè)計，管道截面尺寸為1 000 mm×500 mm。

當(dāng)采用壓縮空氣進(jìn)行防煙設(shè)計時，加壓送風(fēng)量28 000 m3/h折算成0.7 MPa（G）的壓縮空氣流量為10 kg/s，按壓縮空氣流速15 m/s設(shè)計考慮，引入樓梯間的壓縮空氣管徑為DN300，管材為金屬材質(zhì)。

主管入戶后，沿樓梯間豎直布置，在每層支管處設(shè)置有自力式減壓閥、電動關(guān)斷閥及送風(fēng)口，主要功能包括：壓縮空氣經(jīng)減壓閥調(diào)試減壓至設(shè)計壓力后固定閥門開度，以防變動，電動關(guān)斷閥平時常閉并接收消防聯(lián)動信號開啟，送風(fēng)口平時常開并控制風(fēng)速不大于7 m/s，配套風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置。

在正壓送風(fēng)量相同的情況下，壓縮空氣輸送管道截面僅為機(jī)械送風(fēng)管道面積的14%，占用的井道面積大大減?。磺覛庠唇幼詮S內(nèi)壓縮空氣站，無須額外占用獨(dú)立機(jī)房；壓縮空氣管道內(nèi)平時為高壓狀態(tài)，接收到火災(zāi)信號便能立即響應(yīng)進(jìn)行正壓送風(fēng)；壓縮空氣輸送距離更遠(yuǎn)，即使建筑物高度超過100 m，無分段系統(tǒng)也能保證送風(fēng)均勻性；同時壓縮空氣來源于廠內(nèi)壓縮空氣站，凈化品質(zhì)高，能夠避免受著火建筑的煙氣影響。由此可以看出，在常規(guī)加壓送風(fēng)布置受限時，壓縮空氣能夠適用于建筑物的防煙系統(tǒng)設(shè)計。

5 壓縮空氣應(yīng)用于正壓室設(shè)計

石油、化工園區(qū)中建設(shè)的自備電廠，若輔助及附屬建筑中的一些電氣室、儀表控制室和分析室布置在爆炸危險區(qū)域內(nèi)，這些工藝房間須依據(jù)《石油化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（SH/T 3004—2011）[9]要求設(shè)計成正壓室以保護(hù)室內(nèi)設(shè)備及人員的安全。

由于石油化工行業(yè)的特性，在事故時正壓室周圍空氣中可能含有毒有害、爆炸性氣體，當(dāng)采用常規(guī)正壓送風(fēng)時無法保證入口周圍的新風(fēng)品質(zhì)。為解決常規(guī)機(jī)械正壓送風(fēng)存在的隱患，利用廠內(nèi)壓縮空氣凈化品質(zhì)高及輸送距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，將壓縮空氣引入正壓室的正壓通風(fēng)設(shè)計。

壓縮空氣經(jīng)管網(wǎng)輸送至正壓室內(nèi)，在各工藝房間支管上設(shè)置有自力式減壓閥、電動關(guān)斷閥及送風(fēng)口，減壓閥后壓力經(jīng)調(diào)試至設(shè)計值后固定閥門開度。當(dāng)廠區(qū)發(fā)生事故時，電動關(guān)斷閥接收消防聯(lián)動信號開啟，壓縮空氣即送至正壓室內(nèi)，壓縮空氣用量為保證室內(nèi)正壓值所需及人員新風(fēng)量之和，風(fēng)量大小由風(fēng)量調(diào)節(jié)閥控制。

同時，為保證壓縮空氣的供給安全與穩(wěn)定，廠內(nèi)總圖布置采取以下措施：廠內(nèi)集中壓縮空氣站布置在爆炸危險區(qū)域外，即使生產(chǎn)區(qū)發(fā)生事故也不會影響壓縮空氣站的正常工作；壓縮空氣站布置在污染區(qū)的上風(fēng)側(cè)，能夠保證空壓機(jī)吸入口空氣不被有毒有害氣體污染。

在采用常規(guī)正壓送風(fēng)無法滿足空氣品質(zhì)要求時，廠內(nèi)壓縮空氣氣源安全可靠、系統(tǒng)配置簡單，能夠滿足保證正壓室內(nèi)設(shè)備安全運(yùn)行以及人員人身健康的要求。

6 結(jié)語

廠用壓縮空氣具有膨脹制冷、空氣品質(zhì)高、輸送距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，相較于常規(guī)通風(fēng)方式，其在地下電纜隧道通風(fēng)、加壓送風(fēng)及正壓室的設(shè)計應(yīng)用中具有系統(tǒng)配置簡單、高效、響應(yīng)快等優(yōu)勢，具有一定的可行性，拓展了其在暖通設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用的新方法、新思路，在遇到實(shí)際工程常規(guī)通風(fēng)設(shè)計嚴(yán)重受限時，可結(jié)合現(xiàn)行國家規(guī)程規(guī)范進(jìn)行具體實(shí)施。

但同時因壓縮空氣制取成本較高、設(shè)備投資大，在實(shí)際項(xiàng)目中同樣應(yīng)該考慮其應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。