发电机房通风降温方案研究

1 引言     发电机房必须维持一定的温湿度状态，才能保证其中的发电机组能够安全正常地运行。发电机组运行时的散热量很大，因此需要确定合理的通风降温方案，以保证机房内的余热能够及时排除以避免温度超过允许值。对发电机房来说，如何控制室内的温湿度在要求范围内，从而保证机组安全高效地运行，同时尽可能降低能源消耗以节省运行费用，是一个值得仔细研究的问题。这个问题涉及到方案设计，设备选择，运行管理等各个方面，本文以实际工程为例对发电机房的通风降温方案进行研究。

2 工程概况 

    某发电机房处于地下，长34.5m，宽19.0m，采用大跨度弧形屋顶，净高12.0m。根据1＃洞的战术技术要求和供电使用要求，设置3000kW的柴油发电机组4台。机房布局如图1所示。

    平时供电使用时，只运行一台机组即可满足要求。消磁工况时，机组稳定负荷Q1=3500KW，脉冲负荷Q2=6400KW，计算负荷Q=Q1+(70%~80%)Q2=7980~8260KW，相当于三台机组同时运行的情况。但在实际工作时，通常启用四台机组以适应脉冲负荷加速性的需求而作相应的功率储备。每台机组额定功率时散热机房的总热量，累计为354.1kW。这些散热量并不包括排烟管的散热量。

    工程设计中采用了直接通风和空调送风相结合的方式，以控制机房内温湿度要求为很终目的，并从降低运行费用的角度出发确定合理的运行策略。优先考虑采用直接通风的方案，即如果直接通入室外新风便能够带走机房产热，不启用空调机房；直接引入室外新风量存在一定的上限，当采用很大室外新风量仍然无法及时排除室内余热的时候，启用空调系统，向机房内通入冷风，帮助带走机组产热。在实际运行时，允许向机房内进行一定的喷雾加湿，利用水在相变过程中的吸热，辅助降温。

    根据设计说明，机房内的空气状态要求控制在状态点A：=34℃,=70%，；室外设计气象参数状态点W为：=31.3℃,，；空调送风状态点S：=18℃,=95%，。机房设计很大通风量，冷风量上限为80000。

3 机组输出功率和散热量的关系分析    发电机组处在不同的运行工况下，其散热量必然有所不同，而机组的散热量直接决定了机房内的热负荷，进而会对通风降温的运行方式产生重大影响。通常，机组散热量Q取决于其负荷状态，也就是机组输出功率P。机组的散热量分为三个部分：柴油机辐射热、柴油机对流热以及发电机散热。发电机散热可以认为基本恒定，柴油机辐射热和对流热则都和机组表面温度有关，根据传热学的相关理论，存在如下关系：

    辐射热

    对流热

    式中，—机组表面温度,；

    —机房平均温度，；

    —机房各壁面表面温度，包括墙体和设备，；

    —机组对于各壁面的角系数；

    —机组的发射率；

    —机组外表渺幡巍怼啤笑桅痞兀，；

    —机组与周围空气的对流换热系数，。

    其中，以及均为定值，假定各壁面与空气换热良好，即各壁面温度。机组表面温度可以认为正比于排气温度，即。测定机组不同输出功率P时对应的排气温度，就可以得到相应的机组表面温度。

    由此，便可以预测非额定工况下单台机组向机房内的散热量，包括柴油机辐射热和柴油机对流热，再加上固定不变的发电机散热量，就能得到相应负荷条件下的机组向机房内的总散热量，表1给出了单台机组处于典型输出功率时的散热量。

表1 单台机组处于典型输出功率时的散热量

输出功率比（）

60%

70%

80%

90%

100%

实际输出功率(kW)

1800

2100

2400

2700

3000

散热量(kW)

322.65

334.51

345.14

351.8

354.10

4 机房通风降温策略    现有的四台柴油发电机组有两种工作模式：通常用于普通供电，机组负荷较小；有时用于消磁供电，瞬时脉冲负荷很大，需要多台机组联合运行保证电力需求。

    4.1普通工作模式的通风降温策略

    机组用作普通供电时，机房内只有一台3000kW的机组处于工作状态，可能工作在额定状态，也可能以部分负荷运行。机房内其它设备和人员产热很小，基本可以忽略，因此机房的热负荷全部来自于发电机组。功率P从60%增加到100%额定出力时所对应的机房热负荷Q见表1。此时，可以启用空调系统，向机房内送入冷风以有效降温，也可以直接引入室外新风，利用室内外空气的焓差带走机组产热。从节能和降低运行费用的角度出发，希望尽可能多地利用室外新风，在能保证机房温湿度要求的前提下，减少空调机房的启用时间和空调送风量。

    因此，首先需要校核自然降温方式所能带走的很大热负荷。假定直接引入室外新风，不启用空调设备，由于设计机房的很大通风换气量为，因此新风量很大可以取，在这种通风量条件下，所能带走的室内余热为512KW。

    一台机组的额定散热量，显然。也就是说，只需通入室外新风，同时配合室内喷雾加湿，利用水的汽化潜热，就足以带走机房余热。这时存在着两套可供选择的通风降温方案：Ⅰ 通风换气量随负荷而变，Ⅱ 在变化的负荷条件下，机房的通风换气量不变，取很大设计风量。新风进入机房后的状态变化过程见图2。

方案Ⅰ

方案Ⅱ

图2 直接通风模式下新风状态变化图

    方案Ⅰ：新风通入机房后，吸收室内余热，由于室内没有湿源，因此空气温度升高，但含湿量不变，达到中间状态点B。此时，空气温度，含湿量，。随后，机房内送入34℃的饱和水进行喷雾处理，空气随之经历等温加湿过程，从状态点B变化到室内状态点A。计算得到不同负荷下所需通入的新风量和喷雾量见表2。

表2 普通供电时的通风降温模式（方案Ⅰ）

P/P额定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Gw（万m3/h）

15.12

15.69

16.18

16.49

17.05

Mw（kg/h）

254.1

263.43

271.80

277.04

286.38

    方案Ⅱ：与方案Ⅰ相比，由于增加了通风量，因此室内喷雾加湿量必然相应减少。因此，一般来说，此时A’点的相对湿度会小于设计值70%。表3列出了机组运行在不同输出功率时，实际的室内状态点A’的焓值以及相对含湿量，可见随着机组运行状态的改变室内状态点A的偏移很小，基本上能够满足设计要求。计算机房内的喷雾加湿量，得到方案Ⅱ对应的通风降温运行模式（见表4）。

表3 不同输出功率下的实际室内状态点A’（方案Ⅱ）

P/P额定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

（）

91.4

91.9

92.5

92.9

93.2

（）

22.4

22.5

22.7

22.9

23.0

66.3%

66.8%

67.4%

67.9%

68.2%

表4 普通供电时的通风降温模式（方案Ⅱ）

P/P额定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Gw（万m3/h）

24.0

24.0

24.0

24.0

24.0

Mw（kg/h）

57.6

86.4

144.0

201.6

230.4

    对比两种通风降温方案，不难发现方案Ⅰ的通风量减小，但是喷雾量相对较大，而方案Ⅱ则正好相反。

    4.2 消磁工作模式的通风降温策略

    进行消磁供电时，负荷较大，为了适应脉冲负荷加速性的需求，机房内四台3000kW的机组均投入运行以进行功率储备。考虑到机组散热远远大于其它设备、照明以及人员产热，因此可以忽略其它热源，认为机房的热负荷全部来自于发电机组。表5列出了功率P从60%增加到100%额定出力时所对应的机房热负荷Q。

表5 消磁工作模式下的机房热负荷Q

P/P额定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Q (kW)

1290.6

1338.0

1380.6

1407.2

1416.4

    这时必须启用空调设备以带走额外的热负荷，从而保证机房内的温湿度要求，使得发电机组得以安全稳定地运行。假定冷风量达到上限值8万m3/h，同时机房处于很大的通风换气量条件下，即引入室外新风16万m3/h，则此时所能带走的很大室内负荷为1560KW，大于四台机组很大出力时候的机房散热量。因此，实际运行时，可以适当增大室外新风在总通风量中的比重，以减小空调机房的负担，尽可能地减少能耗和降低运行费用。图3表示的是送入机房内的空气的状态变化过程。

    混合通风降温模式下，空调机房的通风换气量一部分来自室外新风，一部分来自于空调机组送风。理论计算时，可以认为两股空气送入机房后，先充分混合达到状态点C，然后吸收机组产热温度升高，达到中间状态点B，很后经过等温加湿达到室内状态点A。

    根据发电机组的实际输出功率P，确定机房热负荷Q，确定很优的通风降温模降温方案，包括直接通风量，空调送风量以及机房内的喷雾量。机组在不同出力情况下所需的机房通风量以及加湿量计算结果见表6。

表6 消磁工况时的通风降温模式

P/P额定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

冷风量GAUH（万m3/h）

5.94

6.31

6.63

6.83

7.20

室外引风Gw（万m3/h）

18.06

17.69

17.37

17.17

16.80

机房喷雾量Mw（kg/h）

1116.4

1159.9

1198.8

1223.2

1266.7

    4.3 其它工作模式下的通风降温策略

    除了开启一台机组用于供电的情况，还需要考虑某些特殊情形下两台或者三台机组同时开启的工况。

    4.3.1 开启两台机组

    两台机组运行在不同输出功率P时，机房内的热负荷见表7。

表7 两台机组运行在不同工况时的机房热负荷

P/P额定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Q (kW)

645.30

669.02

690.28

703.60

708.20

    假设在不启用空调设备的情况下，单纯依靠通入室外新风给机房降温所能带走的室内余热上限值为512KW。表7显示，即使机组以很低功率运行(60%额定输出值)，其散热量仍然大于直接通风方式对应的室内很大允许热负荷。因此，当开启的发电机组台数超过一台时，必须启用空调设备以带走额外的热负荷，从而保证机房内的温湿度要求，使得发电机组得以安全稳定地运行。

    实际运行时，以节能为出发点确定很优的通风降温方案。根据以上分析，在不得不启用空调机房的情况下，应当适当增大室外新风在总通风量中的比重，以减小空调送风量，降低空调机房的负担，尽可能地减少能耗和运行费用。确定很优的通风降温方案，包括直接通风量，空调送风量以及机房内的喷雾量。计算结果如表8所示。

表8 开启两台机组时的通风降温模式

P/P额定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

冷风量GAUH（万m3/h）

1.02

1.20

1.36

1.51

1.64

室外引风Gw（万m3/h）

22.98

22.80

22.64

22.49

22.36

机房喷雾量Mw（kg/h）

525.3

547.0

566.5

584.2

600.4

    4.3.2 开启三台机组

    用同样的思路，可以确定开启三台机组时的机房负荷和很优通风降温模式，见表9。

表9 开启三台机组时的通风降温模式

P/P额定

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

冷风量GAUH（万m3/h）

3.48

3.75

3.99

4.22

4.42

室外引风Gw（万m3/h）

20.52

20.25

20.01

19.78

19.58

机房喷雾量Mw（kg/h）

820.9

853.5

882.7

909.2

933.6

5 结论    对比机组选择不同的运行台数时，空调送风量，机房直接通风量以及机房内的喷雾量，可以发现其随着机组实际输出功率而变化的规律：

    ①当机组运行台数超过一台，如果给定机组运行台数，则空调送风量随着机组输出功率的增加基本呈现线性增长的趋势，但增加的幅度不大。但是如果在运行过程中突然增加开启的机组台数，则空调送风量会有明显的增加。

    ②只开启一台机组时，由于没有开启空调机房，完全依靠室外新风降温，因此，随着机组输出功率的增加，机房的热负荷变大，从而所要求的通风量随之增大。当开启的机组超过一台，通风量随着机组输出功率的增加反而减少。

    ③给定机组运行台数，则机房内的喷雾加湿量随着机组输出功率的增加呈现线性增长的趋势，但增长比较缓慢。

    另外，需要指出的是本文是在当室外气象参数=31.3℃,，时，对机组不同开启台数时的通风降温方案得到的结论。然而，室外气象条件不是一成不变的，而是每时每刻都在发生着变化，这就导致引入机房的新风的温湿度参数会有相应的波动，从而影响降温能力，对于室外气象临界状态点的探讨本文没有进行。

其它相关资料推荐阅读：

发电机房隔音方案   低噪音柴油发电机组

柴油发电机组说明书   柴油发电机组注意事项

柴油发电机组起动前的准备   如何启动柴油发电机组

发电机用油量怎么计算    移动拖车式柴油发电机组

消防备用柴油发电机组   数据中心用柴油发电机组

康明斯发电机型号大全   三相柴油发电机接线图

柴油发电机的启动步骤   柴油发电机每度电成本

箱式柴油发电机组     柴油发电机组并机柜

柴油发电机组柴油滤清器  如何延长柴油发电机组的寿命