張敏敏

(天廈建筑設(shè)計(jì)(廈門)有限公司　福建廈門　361000)

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暖通專業(yè)在風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題

張敏敏

(天廈建筑設(shè)計(jì)(廈門)有限公司福建廈門361000)

文章論述了暖通專業(yè)在風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題，包括風(fēng)冷柴油發(fā)電機(jī)組冷卻方式的工作原理、機(jī)房通風(fēng)量的計(jì)算、平時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)、機(jī)房進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)、油罐通氣管的設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)的選取、計(jì)算方法、規(guī)范要求進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組；通風(fēng)量；進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)；油罐通氣管

0　引言

柴油發(fā)電站是為了當(dāng)市電檢修或故障時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部電源,保證工程應(yīng)急用電設(shè)備能正常運(yùn)行。目前民用建筑中柴油發(fā)電機(jī)房的位置較多設(shè)計(jì)在地下室，且采用風(fēng)冷的形式冷卻。即采用表面式風(fēng)冷散熱器，冷卻水冷卻柴油機(jī)后，進(jìn)入柴油機(jī)前端的表面式風(fēng)冷散熱器，冷卻風(fēng)扇由柴油機(jī)主軸帶動(dòng)，設(shè)在散熱器和柴油機(jī)端頭之間。冷卻水的熱量由風(fēng)速吹動(dòng)的空氣帶走，冷卻后再回到柴油機(jī)，不斷循環(huán)。所以電站內(nèi)適宜的空氣環(huán)境是確保機(jī)組正常運(yùn)行的前提。

為了保證柴油機(jī)正常工作，并保持好的熱效率，一般柴油機(jī)的進(jìn)水溫度為40℃～60℃，出水溫度為55℃～85℃，最高不超過90℃。所以風(fēng)冷系統(tǒng)中控制機(jī)房環(huán)境的空氣溫度就足夠?qū)⒉裼蜋C(jī)的冷卻水閉式循環(huán)系統(tǒng)冷卻。但柴油發(fā)電機(jī)機(jī)頭散熱器的排風(fēng)量在環(huán)境溫度不同時(shí)，所需排風(fēng)量也會(huì)不同，所以在查樣本的排風(fēng)量時(shí)也要根據(jù)設(shè)計(jì)中所控制的機(jī)房溫度進(jìn)行選擇。

上述只是對機(jī)組的冷卻方式進(jìn)行介紹，當(dāng)然對于暖通專業(yè)來說對柴油發(fā)電機(jī)房的設(shè)計(jì)內(nèi)容中還包括機(jī)組的降溫、煙囪的設(shè)計(jì)、消聲的設(shè)計(jì)、油罐的通氣管等等。這些在設(shè)計(jì)中都需經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算、遵循相應(yīng)的規(guī)范等來確定。筆者對目前設(shè)計(jì)中幾個(gè)常見問題的數(shù)據(jù)選取、計(jì)算方法、規(guī)范要求進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1　柴油發(fā)電機(jī)房通風(fēng)量的計(jì)算

根據(jù)GB50038-2005《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.7.2.1條規(guī)定：“當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)房采用空氣冷卻時(shí)，按消除柴油發(fā)電機(jī)內(nèi)余熱計(jì)算進(jìn)風(fēng)量”，5.7.2.3條規(guī)定：“排風(fēng)量取進(jìn)風(fēng)量減去燃燒空氣量”[1]。且根據(jù)全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施/防空地下室(2009年版)的規(guī)定：“如果柴油機(jī)機(jī)頭散熱器熱量由直接和散熱器連接的排風(fēng)管排至室外，機(jī)房余熱量還是按柴油機(jī)散熱量、發(fā)電機(jī)散熱量和排煙管散熱量三部分計(jì)算。這時(shí)機(jī)房進(jìn)風(fēng)量應(yīng)分別考慮機(jī)頭散熱器排風(fēng)量和排除機(jī)房余熱進(jìn)風(fēng)量的大小。哪個(gè)大取哪個(gè)。”[2]

筆者認(rèn)為，如果機(jī)頭散熱器的排風(fēng)量達(dá)不到消除機(jī)房余熱量，則機(jī)房的室溫達(dá)不到所控制的溫度，這樣機(jī)頭散熱器的環(huán)境溫度可能會(huì)達(dá)不到設(shè)計(jì)的工況，即無法滿足機(jī)組散熱的要求。所以在通風(fēng)量的取值中還是要根據(jù)機(jī)頭散熱器的排風(fēng)量和排除機(jī)房余熱進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行對比，哪個(gè)風(fēng)量比較大取哪個(gè)值?，F(xiàn)以位于廈門的某項(xiàng)目1臺(tái)150kW的柴油發(fā)電機(jī)組舉例說明計(jì)算過程。

1.1設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組廠家的樣本、國家標(biāo)準(zhǔn)圖集04DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》、全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施/防空地下室(2009年版)及相關(guān)規(guī)范，確定設(shè)計(jì)的基本參數(shù)如下：

發(fā)電機(jī)額定輸出功率P=150kW；發(fā)電效率η2=92.4%；柴油機(jī)額定功率Ne=176.5kW；柴油機(jī)工作時(shí)的散熱系數(shù)η1=4.2%；排煙溫度：ty=551℃；排煙流量：Vy=1306.8m3/h；排煙管在機(jī)房內(nèi)架空敷設(shè)的長度：L=10m；燃燒空氣量：Lr=518.4m3/h；冷卻空氣量(40℃環(huán)境散熱量)：Lq=19044m3/h；機(jī)房內(nèi)設(shè)計(jì)空氣溫度(人員隔室操作)：tn=40℃；室外夏季通風(fēng)計(jì)算溫度(參考廈門)：tw=31.3℃。

1.2煙囪直徑的確定

煙囪的直徑計(jì)算和管路設(shè)計(jì)也是通風(fēng)量計(jì)算中非常重要的一部分。當(dāng)煙囪出口煙氣流速小于等于當(dāng)?shù)仫L(fēng)速時(shí)，流出 煙囪的煙氣不能形成向上浮動(dòng)的氣柱，而呈旋流形成下沉，即形成“下沉”現(xiàn)象，這會(huì)使煙囪產(chǎn)生抽力的幾何高度實(shí)際被降低，不利于煙氣的排放，所以在可能條件下應(yīng)盡量選取高的煙氣流速，當(dāng)然也必須兼顧到環(huán)保的要求。而且高的煙氣流速可減少煙囪直徑，能消除煙囪出口煙氣流“下沉”現(xiàn)象，能有效地減少煙囪內(nèi)部灰塵的沉積量[3]。

根據(jù)化工工藝設(shè)計(jì)手冊(第四版)中的煙囪出口煙氣流速要求如表1所示：

表1　煙囪出口煙氣流速　m/s

注：流速選用時(shí)，考慮到以后改造負(fù)荷增大的可能，故不應(yīng)取上限值。但為防止空氣倒灌，出口最小流速不宜小于2.5～3m/s。

經(jīng)過以上分析，確定煙囪的出口煙氣速度為18m/s。且根據(jù)化工工藝設(shè)計(jì)手冊(第四版)中煙囪直徑計(jì)算公式：

(1)

式中：Vy——額定負(fù)荷下的煙氣流量(m3/h)；

w——煙囪出口煙氣流速(m/s)；

d——煙囪的內(nèi)直徑(m)。求得d之后進(jìn)行圓整，取常用的圓筒規(guī)格尺寸。

通過計(jì)算確定取公稱直徑為DN150帶襯里的不銹鋼管，壁厚為4.5mm。

1.3柴油機(jī)的散熱量計(jì)算

根據(jù)全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施/防空地下室(2009年版)的計(jì)算公式如下：

Q1=η1qNeB/3 600=0.042×41 870×176.5×0.23/3 600=19.83kW

(2)

式中：Q1——柴油機(jī)的散熱量(kW)；

η1——柴油機(jī)工作時(shí)向周圍空氣散熱的熱量系數(shù)(%)；

q——柴油機(jī)燃料熱值，可取q=41870kJ/kg

Ne——柴油機(jī)額定功率(kW)；

B——柴油機(jī)的耗油量[kg/(kW·h)]。

1.4發(fā)電機(jī)的散熱量計(jì)算

根據(jù)全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施/防空地下室(2009年版)的計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Q2——發(fā)電機(jī)工作時(shí)的散熱量(kW)；

η2——發(fā)電效率(%)；

P——發(fā)電機(jī)額定輸出功率(kW)。

1.5柴油發(fā)電機(jī)排煙管的散熱量

標(biāo)準(zhǔn)圖集15D202-2《柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)與安裝》中排煙管保溫厚度選擇表已經(jīng)列出保溫厚度的取值。根據(jù)本項(xiàng)目排煙溫度為551℃，公稱直徑為DN150可直接選取保溫層及厚度。保溫層采用2層，即接觸管壁的1層為硅酸鋁纖維氈，厚度為40mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ1=0.14W/(m·K)；外包1層巖棉氈，厚度為60mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.03W/(m·K)。

由以上已知條件可得排煙管單位長度散熱量為：

(4)

式中：qe——排煙管單位長度散熱量(W/m)；

ty——排煙管內(nèi)的煙氣計(jì)算溫度(℃)；

tn——排煙管周圍空氣溫度，即機(jī)房內(nèi)溫度(℃)；

λ1——排煙管第1層保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]；

λ2——排煙管第2層保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]；

D1——排煙管第1層保溫層外徑(m)；

D2——排煙管第2層保溫層外徑(m)；

d——排煙管外徑(m)；

α——排煙保溫層外表面向周圍空氣的放熱系數(shù)[W/(m2·K)]。

即排煙管的散熱量為：

Q3= L×qe=10×0.462=4.62kW

(5)

式中：Q3——排煙管的散熱量(kW)；

L——排煙管在機(jī)房內(nèi)架空敷設(shè)的長度(m)。

1.6排除機(jī)房內(nèi)余熱的通風(fēng)量

排除機(jī)房內(nèi)余熱的通風(fēng)量按下式進(jìn)行計(jì)算：

13 107m3/h

(6)

式中：Lyu——排除機(jī)房內(nèi)余熱所需通風(fēng)量(m3/h)；

c——空氣比熱容(1.01kJ/kg·℃)；

ρ——空氣密度(kg/m3)。

1.7柴油發(fā)電機(jī)房通風(fēng)量

由上述計(jì)算，排除機(jī)房內(nèi)余熱的通風(fēng)量為Lyu=13 107m3/h，但從樣本上查詢到在40℃環(huán)境散熱量所需的冷卻空氣量：Lq=19 044m3/h。即柴油發(fā)電機(jī)組的機(jī)頭散熱器排風(fēng)量大于排風(fēng)機(jī)房余熱進(jìn)風(fēng)量，這時(shí)機(jī)房進(jìn)風(fēng)量應(yīng)按機(jī)頭散熱器排風(fēng)量計(jì)算，即：

Lj=Lq=19 044m3/h

(7)

式中：Lj——柴油發(fā)電機(jī)房進(jìn)風(fēng)量(m3/h)。

同時(shí)根據(jù)規(guī)范，機(jī)房的排風(fēng)量應(yīng)為進(jìn)風(fēng)量與燃燒空氣量的差值，且柴油發(fā)電機(jī)房是產(chǎn)生有害氣體的房間，要求負(fù)壓排風(fēng)，所以柴油發(fā)電機(jī)房的設(shè)計(jì)排風(fēng)量應(yīng)考慮10%～20%的附加系數(shù)[2]。即機(jī)房的排風(fēng)量為：

Lp=(Lj-Lr)×1.15

=(19 044-518.4) ×1.15=21 304m3/h

(8)

式中：Lp——柴油發(fā)電機(jī)房排風(fēng)量(m3/h)；

Lr——柴油機(jī)燃燒空氣量(m3/h)。

由上述計(jì)算出的進(jìn)風(fēng)量和排風(fēng)量即可選型風(fēng)機(jī)。

2　平時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

柴油發(fā)電機(jī)組平時(shí)均不運(yùn)行，只有市電檢修或故障時(shí)才開啟。故應(yīng)設(shè)置機(jī)房平時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)，在機(jī)組不運(yùn)行時(shí)，間歇開啟，對機(jī)房內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)降溫及防潮。

根據(jù)火力發(fā)電廠采暖通風(fēng)與空氣設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程中6.16.2條規(guī)定：“連機(jī)式風(fēng)冷排熱型柴油發(fā)電機(jī)室設(shè)置的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，其排風(fēng)可由柴油發(fā)電機(jī)本體的排熱系統(tǒng)和設(shè)在柴油發(fā)電機(jī)室上部排風(fēng)機(jī)共同保證，同時(shí)設(shè)在柴油發(fā)電機(jī)室上部排風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量保證房間換氣次數(shù)不少于每小時(shí)10次。”[4]且規(guī)程中6.16.5條規(guī)定：“柴油發(fā)電機(jī)室通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)及電機(jī)應(yīng)為防爆型的，并應(yīng)直接連接?！睒?biāo)準(zhǔn)圖集15D202-2中說明：“柴油發(fā)電機(jī)房位于地下時(shí)平時(shí)通風(fēng)不少于12次；儲(chǔ)油間換氣次數(shù)不少于6次”。

由以上所述，所以柴油發(fā)電機(jī)房平時(shí)的通風(fēng)量可按換氣次數(shù)12次/h以計(jì)算，排風(fēng)機(jī)應(yīng)為防爆型。

還有柴油發(fā)電機(jī)房中儲(chǔ)油間的排風(fēng)，由于油的特殊性水專業(yè)有時(shí)會(huì)設(shè)置氣體滅火系統(tǒng)。暖通專業(yè)即需考慮儲(chǔ)油間的事故通風(fēng)。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)儲(chǔ)油間應(yīng)保證密閉，所以在儲(chǔ)油間的排風(fēng)管上應(yīng)設(shè)置電動(dòng)防火調(diào)節(jié)閥，當(dāng)事故時(shí)關(guān)閉閥門，事故后可通過機(jī)房外電動(dòng)或者手動(dòng)開啟裝置開啟閥門。

3　機(jī)房進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前民用建筑中的柴油發(fā)電機(jī)房的進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)大多采用自然進(jìn)風(fēng)的方式，這種方式相對來說較簡單。但若柴油發(fā)電機(jī)組的通風(fēng)量要求較大，滿足規(guī)范要求的自然通風(fēng)風(fēng)速時(shí)則需要的風(fēng)井面積和通風(fēng)口面積就會(huì)非常大，一般建筑專業(yè)很難滿足要求。

比如根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖集15D202-2 《柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)與安裝》中柴油發(fā)電機(jī)房進(jìn)排風(fēng)面積估算，800kW的機(jī)組進(jìn)風(fēng)口面積需要10m2，使用了百葉窗的進(jìn)風(fēng)口再擴(kuò)大1倍面積。這樣一般工程中都無法滿足要求，這也會(huì)使建筑專業(yè)不管暖通專業(yè)提資的所需要的面積要求，執(zhí)意縮小風(fēng)井面積，這樣通風(fēng)的阻力也必然增加。但圖集中還說明當(dāng)“采用自然通風(fēng)降溫時(shí)，機(jī)房的進(jìn)、排風(fēng)系統(tǒng)總阻力不宜大于125Pa，當(dāng)通風(fēng)管道總阻力損失超過125Pa時(shí)，應(yīng)設(shè)置機(jī)械送排風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)全壓應(yīng)根據(jù)風(fēng)道阻力計(jì)算確定。”如果通風(fēng)阻力過大，熱量也將無法即時(shí)排出，會(huì)使柴油發(fā)電機(jī)組的效率降低。

且氣流組織設(shè)計(jì)對機(jī)組的散熱也是重要的一部分，進(jìn)風(fēng)口最好設(shè)在發(fā)電機(jī)的端頭，從而使空氣進(jìn)入機(jī)組后流經(jīng)整個(gè)機(jī)組[5]。若氣流組織不合理，也會(huì)影響發(fā)電機(jī)組的效率。

所以筆者建議機(jī)房的進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)采用機(jī)械進(jìn)風(fēng)，這樣可大大減少風(fēng)井的面積，保證通風(fēng)的阻力要求，也可合理調(diào)整風(fēng)口位置優(yōu)化氣流組織，穩(wěn)定機(jī)組的發(fā)電效率。

4　油罐通氣管的設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中5.4.15.2條強(qiáng)制條文規(guī)定：“儲(chǔ)油間的油箱應(yīng)密閉且應(yīng)設(shè)置通向室外的通氣管，通氣管應(yīng)設(shè)置帶阻火器的呼吸閥，油箱的下部應(yīng)設(shè)置防止油品流散的設(shè)施。”設(shè)置通氣管和阻火器的呼吸閥不僅可使罐內(nèi)壓力保持正常狀態(tài)，防止罐內(nèi)超壓或超真空度，且可減少罐內(nèi)液體揮發(fā)損耗，是不可缺少的安全設(shè)施[6]。

目前有些圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中柴油發(fā)電機(jī)房的油罐通氣管的管徑標(biāo)注為DN25，大部分設(shè)計(jì)師也是不知道為什么是DN25。但標(biāo)準(zhǔn)圖集02R11《小型立、臥式油罐圖集》中說明：“通氣管管口應(yīng)高出地面4m及以上。沿建筑物的墻(柱)向上敷設(shè)的通氣管管口，應(yīng)高出建筑物頂面1.5m及以上。通氣管的公稱直徑不應(yīng)小于50mm，且應(yīng)安裝阻火器”。

所以筆者建議在設(shè)計(jì)中通氣管的管徑應(yīng)經(jīng)過計(jì)算確定，且不應(yīng)小于DN50，通過圖集可以看出1m3油罐的通氣管管徑為DN50。

5　結(jié)束語

本文主要是通過規(guī)范、圖集、書籍、樣本等資料中的一些數(shù)據(jù)，對平時(shí)設(shè)計(jì)中一些設(shè)計(jì)師經(jīng)常遇到的機(jī)房散熱的通風(fēng)量計(jì)算、平時(shí)通風(fēng)量選取、進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)、油罐通氣管設(shè)計(jì)提出筆者的一些觀點(diǎn)。當(dāng)然柴油發(fā)電機(jī)房對暖通專業(yè)來說設(shè)計(jì)的內(nèi)容比較多也很關(guān)鍵，這里筆者只列舉了幾點(diǎn)設(shè)計(jì)中的問題進(jìn)行說明，說明不到位的地方請各位指正。

[1]中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.GB50038-2005 人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005

[2]中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施/防空地下室2009[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2009

[3]中國石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(4版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009

[4]國家電力公司東北電力設(shè)計(jì)院.火力發(fā)電廠采暖通風(fēng)與空氣設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2004

[5]楊子學(xué).民用建筑柴油發(fā)電機(jī)房通風(fēng)與冷卻設(shè)計(jì)[J].制冷空調(diào).2010,38-40

[6]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50016-2014 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2014

張敏敏(1991.01-)，男，本科，助理工程師，主要從事暖通空調(diào)方面的工作。

Severalproblemsintheair-cooleddieselgeneratorroominHVACdesign

ZHANG Minmin

(Tianshaarchitecturaldesign(Xiamen)Co.Ltd.,Xiamen361000)

Severalproblemsindesignofair-cooleddieselgeneratorroomHVACprofessionalwerediscussedinthepaper,includingworkingprincipleofair-cooleddieselgeneratorsetcooling,roomventilationratecalculation,apeacetimeventilationroomsystems,airinletsystemandtankventpipedesign.Thedataselection,calculationmethod,thespecificationrequirementsinthedesignareintroducedindetail.

Aircooleddieselgeneratorset;Ventilationrate;Airinletsystem;Tankventpipe

張敏敏(1991.01-)，男，助理工程師。

E-mail:604097187@qq.com

2016-02-21

TU96+2

A

1004-6135(2016)03-0101-04