劉 垚，曾金海

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

1 引言

水電站發(fā)電廠房特別是水輪機(jī)層、蝸殼層等大多處于地下，若通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效果不佳，廠房?jī)?nèi)夏季容易產(chǎn)生悶熱潮濕的感覺，影響設(shè)備運(yùn)行以及運(yùn)維人員的舒適度[1]。為能及時(shí)排出廠內(nèi)產(chǎn)生的熱濕空氣，在老舊電站新增通風(fēng)系統(tǒng)或?qū)σ殃惻f老化的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行重新改造很有必要[2]。相比于新建電站，舊水電站廠房通風(fēng)系統(tǒng)改造時(shí)，機(jī)電設(shè)備已安裝完成，廠房空間較為局促，若按傳統(tǒng)做法新增送排風(fēng)風(fēng)管，往往空間受限，難以布置。誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)無需增設(shè)風(fēng)管，具有安裝靈活、不受空間限制、占用位置少等優(yōu)點(diǎn)[4]，可適用于發(fā)電廠房?jī)?nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)改造。

無風(fēng)道誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)在上世紀(jì)80 年代已開始在日本應(yīng)用[3]，我國現(xiàn)階段主要應(yīng)用在公路、鐵路隧道、地下停車庫、船舶及大空間維修檢查車間的通風(fēng)換氣中[4-7]。許淑惠等將地下車庫誘導(dǎo)通風(fēng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析，得出誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)應(yīng)用更具靈活性及經(jīng)濟(jì)性[4]；王飛以fluent 軟件為平臺(tái)對(duì)地下車庫誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明無風(fēng)管誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)在地下車庫應(yīng)用中具有良好的通風(fēng)換氣效果[5]；潘志信 等對(duì)車庫誘導(dǎo)通風(fēng)射流及風(fēng)口的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法進(jìn)行了研究分析，得出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與方法[6]；田利偉 等對(duì)蓋下動(dòng)車檢查車庫的誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了三維模擬研究，提出了誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用于動(dòng)車檢查庫的設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[7]；但對(duì)于誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)在水電站中的應(yīng)用研究較少。

本文對(duì)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)在水電站通風(fēng)改造中的應(yīng)用做探討，得出其應(yīng)用特性，為相關(guān)水電站通風(fēng)及改造工程提供參考。

2 誘導(dǎo)通風(fēng)計(jì)算原理

由流體力學(xué)可知，空氣從一定形狀和大小的噴口出流可形成層流或紊流射流。由于射流邊界與周圍介質(zhì)間的動(dòng)量交換，射流將不斷卷吸周圍空氣并不斷擴(kuò)大，并以一定的速度向前移動(dòng)，從而可形成氣流組織[8]，圖1 為自由射流原理圖[8，9]。誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口噴射出高速氣流，帶動(dòng)周圍的空氣形成滿足一定風(fēng)速要求并具有一定有效射程和覆蓋寬度的“氣墻”，氣流不斷擾動(dòng)卷吸周圍空氣向前流動(dòng)，再經(jīng)過多臺(tái)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的接力，推動(dòng)室內(nèi)氣流向指定的方向流動(dòng)。

圖1 中，氣流從直徑為d0的風(fēng)口中噴射出，具有初始速度u0，經(jīng)歷起始段和主體段卷吸周圍空氣后，在與出風(fēng)口距離為x處，軸心速度不斷衰減為ux，同時(shí)射流圓斷面不斷擴(kuò)大，直徑為dx。

圖1 自由射流原理圖

2.1 射流主體段軸心速度

根據(jù)自由射流的規(guī)律性研究結(jié)果，以風(fēng)口為起點(diǎn)，射流軸心速度ux的變化關(guān)系式為[9]：

式中，ux—以風(fēng)口為起點(diǎn)，到射流計(jì)算斷面距離為x處的軸心速度，m/s；u0—風(fēng)口出流的平均速度，m/s；x—由風(fēng)口至計(jì)算斷面的距離，m；a—紊流系數(shù)；d0—風(fēng)口直徑，m；

當(dāng)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)安裝在頂棚之下貼近頂棚時(shí)，射流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有所變化，形成貼附射流，貼附射流可視為完整射流的一半，其規(guī)律不變，可按出風(fēng)口斷面加倍、出口流速不變的完整射流進(jìn)行計(jì)算，將自由射流公式（1）的送風(fēng)口直徑d0代以d0，由此可得貼附射流狀態(tài)下，射流軸心速度ux的變化關(guān)系式為：

2.2 射流圓斷面直徑

根據(jù)圖1 自由射流原理圖，結(jié)合式（1）～式（2），在距出風(fēng)口距離為x處的貼附射流的射流圓斷面直徑dx1計(jì)算式為[8]：

2.3 誘導(dǎo)風(fēng)量的確定

設(shè)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口處風(fēng)量為Q0，距離出口為x處的與出口平行斷面誘導(dǎo)風(fēng)量為Qx，由動(dòng)量守恒定律可得[9]：

m0—?dú)饬髻|(zhì)量，kg/s；由m=Qρ可得

式中：Q0—誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口處風(fēng)量，m3/s；Qx—距離出口為x處的與出口平行斷面誘導(dǎo)風(fēng)量，m3/s；

式中：A0—出風(fēng)口斷面面積，m2；u0—風(fēng)口出流的平均速度，m/s；

聯(lián)立式（1）、式（4）～式（6）可得，距離出風(fēng)口x 處的誘導(dǎo)風(fēng)量為：

由式（7）可知，當(dāng)出口直徑和速度一定，誘導(dǎo)風(fēng)量與射流距離x成正比，當(dāng)x為最大射程時(shí)，誘導(dǎo)風(fēng)量達(dá)到最大。

上式為無限空間自由射流誘導(dǎo)風(fēng)量計(jì)算式，當(dāng)為貼附射流時(shí)，將送風(fēng)口直徑d0代以d0可得貼附射流情形下的誘導(dǎo)風(fēng)量計(jì)算式：

3 誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵影響因素分析

不同于常規(guī)通風(fēng)系統(tǒng)采用管道系統(tǒng)進(jìn)行氣流的匯集，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)利用射流原理誘導(dǎo)室內(nèi)氣流向指定方向流動(dòng)，并通過前后風(fēng)機(jī)之間的“接力”使得氣流向前推進(jìn)，如何保證氣流的連續(xù)性是影響風(fēng)機(jī)應(yīng)用效果的關(guān)鍵。由式（1）可知，射流軸心速度隨著射流距離增大而降低，卷吸能力減弱，若兩臺(tái)風(fēng)機(jī)縱向接力間距較遠(yuǎn)，風(fēng)機(jī)可能無法接力；另一方面，根據(jù)射流圓斷面直徑計(jì)算式（3）結(jié)合圖1，誘導(dǎo)氣流隨著射流距離的增大，氣流直徑將會(huì)不斷增大，若在射流向前推進(jìn)過程中，射流下方受到障礙物的遮擋，將會(huì)對(duì)射流的向前傳播造成阻礙，影響射流推進(jìn)效果。以上兩點(diǎn)，均可能減弱氣流向前推進(jìn)的作用或阻斷氣流的連續(xù)流動(dòng)，使得誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的作用降低。因此，風(fēng)機(jī)布置的縱向接力間距及風(fēng)機(jī)下方凈空情況，是影響氣流連續(xù)性的兩個(gè)關(guān)鍵因素。下面將對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行分析討論。

3.1 風(fēng)機(jī)縱向接力間距

前后風(fēng)機(jī)的縱向接力間距主要與風(fēng)機(jī)的射流距離相關(guān)。根據(jù)射流軸心速度變化關(guān)系式（1）～式（2）可知，射流軸心速度與射流距離成反比，隨著射流距離的增大，射流軸心速度減小。軸心速度的計(jì)算還與出口速度、紊流系數(shù)、風(fēng)口直徑有關(guān)，但風(fēng)機(jī)一旦確定，這些參數(shù)在射流過程中可視為固定值。根據(jù)文獻(xiàn)[10]研究及結(jié)合實(shí)際誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)樣本可知，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速取10～12 m/s 較為合適，在此取出口速度為12 m/s，風(fēng)口直徑根據(jù)相關(guān)樣本參數(shù)取為0.08 m，紊流系數(shù)主要與風(fēng)口形式有關(guān)，一般取0.08，因此由式（2）可計(jì)算出軸心速度隨著射流距離增加的變化關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 射流軸心速度隨射流距離增加的變化值

由圖2 可看出，在距出口0～5 m 的射流距離段，射流軸心速度隨著射流距離的增加急劇下降，之后射流距離繼續(xù)增加，軸心速度的下降呈現(xiàn)較為平緩趨勢(shì)，說明此時(shí)射流對(duì)周圍空氣的卷吸推動(dòng)能力已逐漸減弱。由文獻(xiàn)[10-12]研究可知，大于0.5 m/s的氣流速度才能更好帶動(dòng)周圍氣流向前推進(jìn)，故可將軸心速度0.5 m/s 作為確定最大射流距離的臨界值。由圖2 可看到，最小軸心速度ux=0.5 m/s 與速度變化曲線交點(diǎn)在射流距離13 m 處，即為風(fēng)機(jī)最大射流距離，考慮一定的余量，可設(shè)置最大射流距離為10 m，即為誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)縱向接力的最大間距，此時(shí)軸心速度為0.8 m/s。綜上所述，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)布置時(shí)，在縱向距上一個(gè)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)出口10 m 內(nèi)的距離設(shè)置下一個(gè)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)進(jìn)行接力將能保證氣流的不斷推進(jìn)。

3.2 風(fēng)機(jī)下方凈空要求

由第2 章節(jié)射流原理可知，射流由出口射出后，卷吸周圍空氣成為一個(gè)直徑不斷擴(kuò)大的氣柱。根據(jù)射流圓斷面直徑計(jì)算式（3）可得，紊流系數(shù)、出口直徑均可視為固定值，射流斷面直徑與射流距離成正比，隨著射流距離的增大，斷面直徑亦不斷增大，射流范圍不斷擴(kuò)大。射流距離與射流斷面直徑的變化關(guān)系如圖3 所示。

圖3 射流斷面直徑隨射流距離增大的變化

根據(jù)上文3.1 分析可知，風(fēng)機(jī)射流距離最大值為10 m，結(jié)合圖3，當(dāng)射流距離為10 m 時(shí)，射流斷面直徑為5.6 m。對(duì)于貼附射流，風(fēng)機(jī)下方所能覆蓋的范圍為射流直徑的一半，如圖4 所示。故當(dāng)風(fēng)機(jī)縱向布置距離為10 m 時(shí)，為使得誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的自由射流不受干擾或阻斷，應(yīng)滿足頂棚下方距離為2.8 m 的凈空空間內(nèi)無明顯障礙物的遮擋。同理，當(dāng)風(fēng)機(jī)射流距離減小，射流圓斷面最大直徑減小，射流覆蓋范圍減小。即當(dāng)風(fēng)機(jī)布置縱向接力距離縮短，風(fēng)機(jī)下方所需的凈空空間相應(yīng)減小，下方障礙物高度限制可增大。例如若電氣設(shè)備高度高于頂棚下2.8 m 的空間，則誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)布置時(shí)，前后風(fēng)機(jī)的布置的最大距離應(yīng)小于10 m，同時(shí)再根據(jù)實(shí)際的布置間距校核射流的最大直徑，確保風(fēng)機(jī)射流不被下方障礙物遮擋。

圖4 誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)貼附射流示意圖

4 誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)應(yīng)用選型示例分析

以某水電站通風(fēng)改造為例，在水輪機(jī)層增設(shè)誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)以排除室內(nèi)熱濕空氣，結(jié)合上文第3 節(jié)所述應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的選型布置。如圖5 所示，電站水輪機(jī)層廠房層高4.1 m，主要為貼墻水機(jī)管路和高度較低的設(shè)備，空間較開闊。新風(fēng)通過下游側(cè)開敞樓梯間等進(jìn)入水輪機(jī)層，在水輪機(jī)層內(nèi)設(shè)置多臺(tái)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，將本層氣流向上游側(cè)副廠房?jī)?nèi)進(jìn)行誘導(dǎo)，在副廠房?jī)?nèi)設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng)，將熱濕空氣集中排至通風(fēng)豎井再排出廠外。

圖5 誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)在水電站通風(fēng)改造應(yīng)用中布置示意圖

4.1 通風(fēng)量的計(jì)算

水輪機(jī)層設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)一方面是消除室內(nèi)余熱，保證室內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境溫度要求，另一方面是消除室內(nèi)余濕，減少設(shè)備管路的結(jié)露現(xiàn)象。按消除余熱和消除余濕分別計(jì)算通風(fēng)量，二者取大值為最終通風(fēng)量[13，14]。

（1）消除余熱通風(fēng)量

計(jì)算可知，本層余熱量Q為21 kW，消除余熱所需通風(fēng)量可按下式進(jìn)行計(jì)算[13]：

式中，G—消除余熱所需通風(fēng)量，kg/s；c—空氣比熱容，c=1.01 kJ/(kg.℃)；tp—水輪機(jī)層排風(fēng)溫度，根據(jù)規(guī)范[14]規(guī)定取值33℃；tj—水輪機(jī)層進(jìn)風(fēng)溫度，取28℃。

由此可計(jì)算出，消除余熱所需排風(fēng)量為G=4.2 kg/s，即是12 475 m3/h。

（2）消除余濕通風(fēng)量

由計(jì)算可得本層余濕量W為1 750 g/h，根據(jù)下式進(jìn)行通風(fēng)量計(jì)算[15]：

式中，G—消除余濕所需通風(fēng)量，kg/h；空氣含濕量可按本地氣象參數(shù)確定，dp—排出空氣的含濕量，g/kg，干空氣取值22.4 g/kg；d0—進(jìn)入空氣的含濕量，g/kg，干空氣取值15.5 g/kg。

由此可計(jì)算出，消除余濕所需排風(fēng)量為253.6 kg/h，即是211 m3/h。

二者取大值，可得水輪機(jī)層通風(fēng)量為12 475 m3/h。

4.2 誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的選型

根據(jù)計(jì)算出的通風(fēng)量，下面進(jìn)行誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的選型布置。

（1）單個(gè)風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)風(fēng)量的計(jì)算

由3.1 節(jié)分析可知，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)最大接力間距為10 m。如圖5 所示，根據(jù)本廠房條件，水輪機(jī)層縱向方向長(zhǎng)度為10 m，在最大接力間距之內(nèi)，可考慮不需另設(shè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行接力；但水輪機(jī)層上游副廠房?jī)?nèi)還有3 m 的寬度，為保證氣流能進(jìn)入上游副廠房?jī)?nèi)通過排風(fēng)管排走，擬再設(shè)置一排誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)進(jìn)行接力。根據(jù)廠房?jī)?nèi)設(shè)備布置情況，水輪機(jī)層電氣設(shè)備較少，風(fēng)機(jī)下方的凈空可滿足要求，接力間距可設(shè)置為8 m。故設(shè)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)紊流系數(shù)取0.08，出口直徑0.08 m，出口流速12 m/s，射流距離8 m，根據(jù)式（8），計(jì)算得出單臺(tái)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為4 624 m3/h。

（2）風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)確定

根據(jù)計(jì)算的通風(fēng)量為12 475 m3/h，考慮風(fēng)機(jī)余量，乘以1.05 的系數(shù)，總通風(fēng)量為13 098 m3/h。單臺(tái)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為4 624 m3/h，當(dāng)設(shè)置3 臺(tái)風(fēng)機(jī)，總誘導(dǎo)風(fēng)量為13 872 m3/h，可滿足通風(fēng)量的要求。

（3）風(fēng)機(jī)布置

由上文計(jì)算分析結(jié)果可得誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的布置方案：如圖5 所示，在水輪機(jī)層下游側(cè)設(shè)置3 臺(tái)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，通過樓梯間等引入新風(fēng)，在上游距風(fēng)機(jī)出口8 m處再分別對(duì)齊設(shè)置3 臺(tái)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)進(jìn)行接力，將水輪機(jī)層空氣引入上游副廠房?jī)?nèi)，再通過上游副廠房?jī)?nèi)的排風(fēng)系統(tǒng)排出廠外。

5 誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)在水電站通風(fēng)改造中的應(yīng)用分析

上文第3 章節(jié)分析了誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的最大縱向接力間距和風(fēng)機(jī)下方凈空要求，由分析可知，要保證誘導(dǎo)氣流的連續(xù)性，風(fēng)機(jī)間最大縱向接力間距為10 m，風(fēng)機(jī)下方凈空要求為2.6 m。在實(shí)際的應(yīng)用中，水電站內(nèi)各樓層高度一般在4～6 m，同時(shí)電站內(nèi)機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備柜較多，大多設(shè)備柜高度在2～2.5 m之間，不一定能保證設(shè)備柜上方2.6 m 的凈空要求，故在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮層高、設(shè)備柜布置情況、風(fēng)機(jī)下方凈空要求、經(jīng)濟(jì)性等因素，進(jìn)行風(fēng)機(jī)的布置。

（1）對(duì)于母線層、中間層等電氣設(shè)備較多的房間，應(yīng)盡量在設(shè)備間通道或人行通道上方布置誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，從而可避免誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)氣流受到下方設(shè)備的阻斷；若兩臺(tái)風(fēng)機(jī)前后之間有障礙設(shè)備遮擋，可縮短風(fēng)機(jī)之間的縱向接力間距，再結(jié)合實(shí)際設(shè)備高度和風(fēng)機(jī)間距校核下方空間是否滿足要求。

（2）對(duì)于水輪機(jī)層等房間，若電氣設(shè)備較少，空間較充足，可按10 m 最大接力間距進(jìn)行布置，從而減少誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的選用臺(tái)數(shù)，減少設(shè)備投資。

（3）如圖3 所示，風(fēng)機(jī)射流斷面直徑與風(fēng)機(jī)縱向接力間距成正比，風(fēng)機(jī)間距越小，則射流斷面直徑越小，風(fēng)機(jī)下方凈空要求越小。故對(duì)于層高較低樓層，可適當(dāng)縮短誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)接力間距，減少最大射流半徑，避免層高空間較低對(duì)風(fēng)機(jī)的射流傳遞產(chǎn)生影響。

6 結(jié)論

（1）誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的縱向接力間距和風(fēng)機(jī)下方凈空要求是保證誘導(dǎo)氣流連續(xù)的兩個(gè)關(guān)鍵因素，布置風(fēng)機(jī)的數(shù)量應(yīng)綜合考慮風(fēng)量、接力間距、凈空狀況及經(jīng)濟(jì)性等的影響。

（2）隨著射流距離增大，誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)軸心速度減小，卷吸能力減弱。為保證氣流連續(xù)性，風(fēng)機(jī)布置的最大縱向接力間距以10 m 為宜。

（3）風(fēng)機(jī)的射流斷面直徑隨射流距離增大而增大，直徑越大，風(fēng)機(jī)下方凈空要求越大。空間凈空較低時(shí)，為保證射流不被阻礙，可適當(dāng)減小風(fēng)機(jī)接力間距來降低凈空要求。