虞少嵚，張 楠，賀婷婷

（中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙410014）

1 水電站地下廠房潮濕的成因分析

國內(nèi)已建的老水電站地下廠房普遍存在潮濕的問題，潮濕主要發(fā)生在水輪機層及蝸殼層。造成廠房潮濕的主要原因有下面幾個：一是室外空氣本身潮濕未經(jīng)處理進到廠房帶來濕氣；二是巖體表面滲水；三是管路連接處漏水；四是水管表面及墻面（以下簡稱冷表面）結(jié)露。我們著重分析結(jié)露問題。

大氣是由干空氣和水蒸汽兩部分組成的，通常將干空氣和水蒸汽的混合氣體稱為濕空氣。濕空氣中的水蒸汽含量很少，但其變化會引起濕空氣干、濕程度的改變，進而對人體感覺、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝過程和設(shè)備維護等都有直接影響。在一定溫度下，濕空氣所含的水蒸汽量有一個最大限度，超過這一限度，多余的水蒸汽就會從濕空氣中凝結(jié)出來。這種含有最大限度水蒸汽量的濕空氣稱為飽和空氣，飽和空氣所具有的水蒸汽分壓力叫該溫度下的飽和水蒸汽分壓力?？諝獾南鄬穸圈?，就是空氣中水蒸汽分壓力和同溫度下飽和空氣的水蒸汽分壓力之比，人體感覺舒適的空氣相對濕度一般在40%～70%左右；含濕量d就是指每公斤干空氣所含有的水蒸汽重量。相對濕度φ能夠表示空氣的飽和程度，但不能表示水蒸汽的含量，而含濕量d與之相反，能表示水蒸汽的含量，卻不能表示空氣的飽和程度。

空氣的相對濕度隨著空氣溫度的下降而增加。從圖1可以看出，把不飽和狀態(tài)的空氣A（t=26℃，φ=70%）沿等含濕量線冷卻，隨著空氣溫度的下降，實際的含濕量并沒有變化，但空氣的相對濕度增大，當溫度下降到20.11℃時（即B點），相對濕度達到100%，這時空氣本身的含濕量已經(jīng)達到飽和，如果繼續(xù)冷卻，則會產(chǎn)生凝結(jié)水。這個空氣沿等含濕量冷卻，最終達到飽和時的溫度就是露點溫度。換句話說，也就是空氣A（t=26，φ=70%）如果遇到露點溫度20.11℃以下的冷表面，就會產(chǎn)生結(jié)露。

由于水電站地下廠房一般都深埋地下，進水管和尾水管都在水下較深的位置，技術(shù)供水取水管也一般采用埋管，致使供水管溫度和水輪機層以下的墻壁壁面溫度與廠房環(huán)境溫度之間存在一定的溫差。對于南方電站，尤其是在冬春交替的時候，空氣溫度已經(jīng)上來了，但水溫地溫都還很低，這個時候，空氣的露點溫度肯定比水溫地溫高，此時廠房內(nèi)的水管表面和水輪機層以下的墻壁壁面（下面簡稱冷表面）就會產(chǎn)生結(jié)露的現(xiàn)象。比如上面分析的工況，假設(shè)廠內(nèi)空氣溫度為26℃，相對濕度為70%（見圖1A點），而此時水輪機層以下的墻壁壁面溫度和水管表面溫度在20.11℃（見圖1B點）以下，那么這些冷表面一定會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。根據(jù)《水力發(fā)電廠采暖通風和空氣調(diào)節(jié)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》的要求，廠房內(nèi)水輪機層的相對濕度必須控制在75%以內(nèi)。而此時，空氣的相對濕度為70%，是完全滿足水電站規(guī)程要求的。又比如，另一個工況，假設(shè)廠內(nèi)空氣溫度為25℃，相對濕度為50%（見圖2D點），但此時水輪機層以下的墻壁壁面溫度和水管表面溫度如果在13.86℃（見圖2E點）以下，這個時候，空氣本身已經(jīng)相當干燥了，但還是會結(jié)露，從而使得冷表面潮濕。

從上面的敘述我們可以知道，水電站的潮濕問題，其實不一定是空氣的問題?？諝獬睗窈蛷S房潮濕其實是兩個完全不同的概念。結(jié)露僅取決于兩個因素，即環(huán)境空氣的露點溫度和冷表面的溫度（空氣的露點溫度與廠房內(nèi)管道內(nèi)水溫及墻壁壁溫度的差值越大，則冷表面的結(jié)露現(xiàn)象就越嚴重?？諝獾穆饵c溫度越低于周圍環(huán)境的溫度，結(jié)露的可能性就越小，也就意味著空氣越干燥。結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生與空氣的相對濕度無直接關(guān)系，即使空氣的相對濕度達到70%或者更低，滿足運行人員舒適度要求和設(shè)備安全運行要求時，但只要冷表面溫度低于環(huán)境空氣的露點溫度，空氣中的水分子就會在冷表面凝結(jié)，出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。結(jié)露本身使得廠房變潮濕，卻使得空氣更干燥了。

通風空調(diào)系統(tǒng)可以通過控制空氣的潮濕，從而減少廠房的潮濕，但要完全靠通風空調(diào)系統(tǒng)而使得廠房完全干燥是不現(xiàn)實也不經(jīng)濟）。因為如果要保證空氣不結(jié)露，就必須將送到廠房內(nèi)的全部空氣的露點溫度處理至冷表面的溫度以下，從表1可以看出，同一溫度下，相對濕度越低則露點溫度越低，反過來也就是說如果冷表面溫度越低，空氣就必須處理得越干燥才能使其不結(jié)露。

圖1 26℃，70%空氣等濕冷卻示意圖

圖2 25℃，50%空氣等濕冷卻示意圖

對于北方電站，有時結(jié)露的問題會更加嚴重，也更難通過空氣處理來解決。比如北方某抽水蓄能電站，在3月份的時候?qū)崪y水管表面溫度僅為3.2℃，這個時候想將空氣的露點溫度處理到3.2℃以下，常規(guī)的冷凍除濕是根本無法做到的，就算采取其他的方法（如固體除濕、溶液除濕、轉(zhuǎn)輪除濕等）將空氣的露點溫度處理到3.2℃以下，此時的空氣由于過分干燥，容易產(chǎn)生靜電，對電站設(shè)備的運行也是一個不安全因素。

表1 同一溫度下不同相對濕度的露點溫度

很多電站運行人員認為，在廠房潮濕的時候應該加強廠內(nèi)通風，而實際上由于室外空氣與廠房冷表面存在溫差，在很多時間（冬季除外）室外空氣進到廠內(nèi)，遇到冷表面就會結(jié)露，在這種情況下，通風量越大，則結(jié)露越厲害，廠內(nèi)越潮濕。

2 廠房除濕策略

針對上述潮濕的前面三個成因，主要應對措施是：將室外空氣除濕處理后再送到廠房；加強巖壁有序排水，查漏堵漏；保證水管路連接處的密封完好。最難處理也是最重要的潮濕成因就是第四種情況，冷表面結(jié)露。

為防止空氣結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生，從原理上講比較簡單，解決的渠道也只有兩條：一是提高冷表面溫度，將冷表面溫度提高到空氣露點溫度以上，二是降低空氣露點溫度，使得空氣露點溫度處理到冷表面溫度以下。但實際中，一年四季空氣露點溫度是個變值，冷表面溫度也有一定的變化，二者之間的溫差也是個變值，單獨采用任何一種方法都可能難以實現(xiàn)或者伴生其他問題。例如僅采用第1條，提高冷表面溫度，對于管道可以采用保溫措施，但對于壁面保溫就比較難以實施，由于面積太大，實施起來造價也高，目前還沒有任何一個廠房采取了該項措施。如果僅采用第2條，當冷表面溫度很低時，將空氣露點溫度處理到冷表面溫度以下代價就比較大，由于要考慮全年的最不利工況，設(shè)備的配置將非常耗能，而且還可能導致空氣的相對濕度太低，產(chǎn)生靜電問題，影響電氣設(shè)備安全運行。

另外，冷表面結(jié)露還和空氣的流動情況相關(guān)。假定水輪機層和蝸殼層是一個相對密閉的空間，如果冷表面溫度低于空氣溫度，冷表面與空氣進行持續(xù)的熱交換后，冷表面結(jié)露，空氣中的水份析出，空氣含濕量下降，這時，在除濕機容量足夠大的條件下，由于除濕機在不斷除濕，不斷降低空氣中的含濕量，普通除濕機會散熱，此時冷表面溫度也將逐步提高，最終將導致環(huán)境空氣露點溫度達到或低于冷表面溫度，此時冷表面結(jié)露現(xiàn)象將消失。但實際上，水輪機層和蝸殼層的空氣是流動的，實際設(shè)計中一般都在上下游壁面設(shè)有軸流風機，軸流風機不斷地將上部發(fā)電機層的空氣補充進水輪機層和蝸殼層，此時，即使原來水輪機層和蝸殼層的空氣已不再使冷表面結(jié)露，新進空氣又會開始結(jié)露，這是一個循環(huán)反復的動態(tài)過程。因此，相對密閉的空間更有利于防止結(jié)露。

因此對于廠房除濕，應該綜合考慮各種因素進行處理，主要應對措施有以下幾點：

1）主廠房采用空調(diào)系統(tǒng)，利用空調(diào)設(shè)備對新鮮空氣進行除濕。

2）主廠房拱頂送風口位置避開機組位置，以防風口在系統(tǒng)運行初期結(jié)露滴水到發(fā)電機蓋板上，同時所有送風口采用防結(jié)露植絨鋁合金風口，盡量避免風口結(jié)露。

3）在水輪機層和蝸殼層設(shè)置除濕機就地進行除濕。

4）建立回風渠道，潮濕季節(jié)回風運行，避免新風將過多的濕氣帶入廠房（其他季節(jié)為保證廠房空氣品質(zhì)可全新風運行）。潮濕季節(jié)送風溫度相應降低，以充分利用空調(diào)設(shè)備的除濕功能。

5）水機管道采用不銹鋼管道。水機管道和水輪層機以下墻面進行保溫。

6）根據(jù)天氣情況提前對系統(tǒng)運行方式進行轉(zhuǎn)換（即全新風運行與回風運行的轉(zhuǎn)換）。

7）地面積水及時清理，避免其蒸發(fā)到空氣中。

8）加強巖壁有序排水，查漏堵漏，防止水管連接處漏水，地溝加蓋板，減少水份的蒸發(fā)。

3 合理運用通風空調(diào)系統(tǒng)，防止廠房結(jié)露

下面以某工程實例說明如何合理運用通風空調(diào)系統(tǒng)來防止廠房結(jié)露。

江蘇某抽水蓄能地下廠房，總裝機容量1 500 MW。夏季通風室外計算溫度32℃，夏季空調(diào)室外計算干球溫度34.5℃，主廠房采用空調(diào)送風，機械排風，送風溫度19℃，相對濕度95%，發(fā)電機層送風量為212 000 m3/s；母線層、水輪機層及蝸殼層通過上游預埋風管從發(fā)電機層取風，水輪機層設(shè)計送風量為80 000 m3/s，蝸殼層設(shè)計送風量為50 000 m3/s。水輪機層設(shè)計有回風道，主廠房空調(diào)系統(tǒng)可以全新風運行，也能實現(xiàn)回風運行。經(jīng)過計算，夏季不同運行方式下，水輪機層及蝸殼層空氣露點溫度見表2。

表2 水輪機層及蝸殼層空氣露點溫度 ℃

由表2看出，全廠通風、空調(diào)系統(tǒng)全新風運行、空調(diào)系統(tǒng)回風運行，三種運行方式中，空調(diào)系統(tǒng)回風運行時空氣露點溫度最低，也就是最不容易發(fā)生結(jié)露。由此可以得出下面的結(jié)論：

1）絕對含濕量主要是新鮮空氣帶來的，因此當結(jié)露發(fā)生時，應盡量減少通風，這樣更有利于除濕。

2）當水輪機層發(fā)生結(jié)露時，建議停開水輪機層壁面風機，盡量避免水輪機層進入新鮮空氣，同時開啟水輪機層除濕機進行除濕。

3）當蝸殼層發(fā)生結(jié)露時，開啟蝸殼層除濕機除濕，同時停運蝸殼層上下游壁面軸流風機，使得蝸殼層處于相對封閉的狀態(tài)。

4）當廠房內(nèi)空氣品質(zhì)能滿足人員的舒適要求時，主空調(diào)系統(tǒng)應盡量采用回風運行。主廠房回風運行的模式最節(jié)能，廠房內(nèi)整體濕度也最低，平均相對濕度僅為63%。

5）當回風運行時水輪機層發(fā)生結(jié)露時，開啟水輪機層除濕機除濕，當冷表面溫度低于13.17℃時，不宜采用回風工況，同時停運水輪機層上下游壁面軸流風機，使得水輪機層處于相對封閉的狀態(tài)（回風道設(shè)置在母線層比設(shè)置在水輪機層對除濕更有利，本電站由于地質(zhì)條件差，為減少開挖，沒有專門開挖回風道，僅利用現(xiàn)有的施工支洞進行回風，由于施工支洞位于水輪機層，使得回風運行時水輪機層無法實現(xiàn)相對密封）。

6）本電站主空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計送風溫度為19℃，這是系統(tǒng)全新風運行時的設(shè)計溫度。采用回風運行的時候可將系統(tǒng)送風溫度設(shè)定為15℃。過渡季節(jié)當交通洞末端溫度≤15℃時，應停止運行主空調(diào)系統(tǒng)的冷水機組，僅運行空氣處理機。當15℃＜交通洞末端溫度＜26℃時，全新風運行時可適當調(diào)低送風溫度（即設(shè)定15℃＜送風溫度＜19℃），送風溫度越低，則空調(diào)系統(tǒng)的除濕能力越強，但受設(shè)備制冷能力及系統(tǒng)設(shè)計本身的限制，送風溫度不宜低于15℃。

7）完全通過通風空調(diào)系統(tǒng)來保證廠房全年任何時間都不結(jié)露是非常不經(jīng)濟的，也是不合理的，因為當冷表面溫度過低時，完全通過通風空調(diào)系統(tǒng)來保證不結(jié)露必將造成廠房相對濕度過低，過分干燥的空氣將影響電氣設(shè)備安全運行。