Probe into Ventilation and Air Conditioning of Sea Island Pumped Storage Power Stations

Fang GONG; Xin-ping WU; Jun TENG; Jian-qiu LI; Zi-fei SONG

China Rural Water and Hydropower ›› 2022 ›› (1) : 171-173,182.

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Pumped storage power station has great development prospects. Due to the special conditions of marine environment， a pumped storage power station in the island is facing various problems. This paper takes the underground plant in the site of a southern island as an example to introduce its designing philosophy of ventilation system， ventilation process， salt spray control and confronted problems. Besides， it analyzes countermeasures for problems from the aspects of air process， air speed and air intake to provide references for the design of ventilation system of the pumped storage power station in the island.

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sea island pumped storage power station / ventilation system / ventilation process / salt spray control

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Fang GONG , Xin-ping WU , Jun TENG , Jian-qiu LI , Zi-fei SONG. Probe into Ventilation and Air Conditioning of Sea Island Pumped Storage Power Stations. China Rural Water and Hydropower. 2022, 0(1): 171-173,182

0 引言

在大力发展可再生能源、节能减排和低碳经济的背景下，我国需要建设更多的抽水蓄能电站^［1］。我国海岸线绵长，在淡水资源缺乏、常规抽蓄建设条件差的沿海地区和海岛上，具备优越地建设海岛抽水蓄能电站的条件。建设海岛抽水蓄能电站可以提高海岛地区供电质量，保障供电需求，促进海岛区域经济社会发展，降低传统石化能源的依赖程度，有利于电力系统灵活调峰，具有较强的竞争力。与常规抽水蓄能电站不同的是，海洋大气盐雾含量高于陆地，尤其在南部海洋地区还有高温高湿的特点，将含盐的湿热空气送入厂房会加速设备的腐蚀，这关系到电站运行状态和使用寿命。因此分析并设计符合海洋环境的地下厂房通风空调系统是当前海岛抽水蓄能电站建设的一项重要任务。

1 地下厂房的布置特征

海岛抽蓄电站单机容量小，装机台数少，厂房系统通常采用地下一洞式布置^［2］，以大万山岛站址为例，电站总装机容量为20 MW，布置有2台10 MW可变速抽水蓄能机组，地下厂房开挖尺寸为 61.0 m×26.0 m×25.0 m（长×宽×高，下同），其中机组段长37 m，安装间长18.0 m，主厂房尺寸为61 m×16 m×25 m，设有3层，从上至下分别为发电机层、水轮机层、廊道层。主变室的尺寸为6 m×16 m×11 m，设在发电机层的左侧，室内布置有2台主变压器。在主厂房的出水侧设副厂房，其尺寸为61 m×10 m×11 m；副厂房共有两层，上层有开关柜室、励磁变压器室、厂用变压器室、变频器室等房间，下层有蓄电池室、二次设备室、直流系统室、会议办公室等房间。海岛抽水蓄能电站主厂房发电机层所处位置的平面如图1所示。

Fig.1 Layout of the generator floor of the island pumped-storage power station

图1 海岛抽水蓄能电站发电机层平面图

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2 通风流程设计

基于对常规抽水蓄能电站地下厂房通风通道方案的研究，通风系统设计方案总体设计思路如下：①通风方案的拟定，除了满足运行期地下洞室的永久通风要求，还应满足施工期地下洞室的临时通风要求，尽可能做到永临结合，减少工程投资；②通风空调系统应充分利用已布置的地下厂房枢纽洞室群以及施工支洞进行设计，在充分利用已有的地下厂房枢纽洞室群以及施工支洞仍不能满足通风空调系统设计要求时，才考虑增加必要的附属洞室，如排风竖井。③通风的流程应考虑各区域的位置关系、发热量分布、各场所的温度、湿度、盐雾控制要求、进/排风洞的设置等因素^［3］，通风的流程应由设计温度要求高的区域流向设计温度要求低的区域，人员集中的地区采用室外新风，发热量高的设备房间采用其他区域回风，气流组织合理。

基于上述思路，海岛抽水蓄能电站的通风系统原理见图2所示，各个系统功能如下：

Fig.2 In-plant air flow chart

图2 厂内空气流程图

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地下厂房内的主厂房人员较集中，是最核心、最重要的部位，但发热量一般。主变室布置在主厂房的一端，发热量大，相关规范中要求排风温度不大于40 ℃，人员活动较少。副厂房布置在主厂房出水侧，第一层主要是配电房、变频器室等设备房间，设备发热量较大，第二层是控制、监视、通讯、试验、管理和工作的场所，也是工作人员在副厂房集中的地方，第三层可以布置通风空调设备和进排风的设备。根据厂房各部位的负荷特点，可拟定地下厂房的气流流程为：室外新风从进风道进入厂房，空气处理机处理后经拱顶和混凝土风管送入主厂房各部位。主厂房一部分回风进入主变室，再经风机排入排风道。另一部分回风进入副厂房发热量大但人员少的设备房间，再经风机排入排风道。副厂房管理和控制等房间，是工作人员集中的地方，室外新风经空调设备处理后送入，再经风机排入排风道。

3 空调设计思路

根据地下厂房热湿环境的特点，单纯的通风系统要排除厂内的热湿负荷需要的通风量巨大，且难以保证任何情况下厂内的良好情况，因此大多采用通风与空气调节联合运行的系统。本文结合已建地下厂房的经验给出如下思路：①充分利用地下厂房枢纽洞室以及施工支洞，作为通风进/排风道及事故排烟道；并利用地下洞室壁面对空气热、湿交换的自然调节作用。②室外新风由通风洞、通风支洞分别进入通风机室，在新风进入通风机房的入口处，设置空气过滤网，以降低空气盐雾浓度，提高送入厂房内的空气品质和清洁度。③根据不同房间对空气参数的要求，采用不同的通风和空调方式。针对海岛抽水蓄能电站在含盐高温高湿环境下，除了常规电站的直流式通风系统，还可以考虑“最小新风量”方案^［4］。④由于地处海岛，淡水资源有限，厂房空气调节机械冷源可选用风冷式冷水机组、海水源热泵机组、风冷多联式空调机。当采用海水作为冷却水时，应考虑海水的腐蚀性对制冷设备的影响，选择海水直接与制冷剂换热或通过换热器与冷却水交换的冷却方式。

4 控制室内盐雾的措施

海洋大气环境中盐雾含量高，对金属设备会产生严重的腐蚀^［5］，进而造成设备、管路和管件的频繁更换与维护，这是海岛抽水蓄能电站面临的通风设计难点。为缓解地下厂房的腐蚀问题，可以从两方面着手，一方面针对不同等级的腐蚀环境使用相应的防护涂层体系，另一方面是从整体控制室内的空气环境，降低环境腐蚀性等级。防护体系问题由其他课题解决，本文重点探讨如何控制室内的空气环境。

4.1 环境盐雾等级

大气环境盐雾等级由所测得的盐雾含量和盐雾沉降量进行描述，等级特征见表1 ^［6］。

Tab.1 Environmental salt spray parameter grade characteristics

表1 环境盐雾参数等级特征

等级	盐雾含量/（mg·m^-3）	盐雾沉降率（干片法）/（mg·m^-2·d^-1）
S1	≤0.04	≤0.10
S2	≤0.15	≤1.25
S3	≤1.0	≤25.0
SX	＞1.0	＞25.0

注：S1等级表明海洋环境盐雾控制得足够好，盐雾不是影响设备可靠性的决定因素；S2等级表明海洋环境盐雾得到控制，盐雾可能是决定设备可靠性的因素之一；S3等级表明环境盐雾含量和沉降量高，需采取密封、环境控制等措施；SX等级为暴露于户外的海洋大气环境。

海岛抽水蓄能电站厂房，在通风设计中，可根据设备重要程度、产品耐腐蚀程度等进行分级。

4.2 空气除盐雾方式

目前除盐雾技术，主要有分离除盐雾技术、电除盐雾技术以及过滤除盐雾技术，几种除盐雾技术总结见表2。

Tab.2 Salt mist removal technology summarizes its salt mist purification effect

表2 除盐雾技术总结其盐雾净化效果

除盐雾技术			除雾原理	可除盐雾粒径	除盐雾效率	评价
分离除盐雾技术	沉降除雾技术	雾化喷淋除盐	分离沉降-拦截	任何粒径	-	维运复杂，费用高，需额外引入水汽，使环境湿度增大，不利于设备防腐防护。
		重力沉降		＞250 um	-	沉降速率缓慢，沉降下来的盐雾粒子易重新进入气流中。
		波纹板除雾		≥10 um	95%以上	结构简单、处理量大，但能分离的液滴直径比较大，不适于一些过滤要求较高的场合
	离心力除盐雾技术	旋风过滤器		≥3 um	-	设备结构复杂，操作复杂。
		新型离心除盐雾机		1 um及以上	-	可分离1 um以下盐雾粒子，但设备结构复杂。
		旋流板除雾器		≥30 um	90%~99%	除雾效率高、结构简单、操作弹性大等特点，但其分离效果不稳定，且体积比较大。
	超重力除盐雾技术			＞10 um	99%以上	可分离盐雾粒径较大，设备加工工艺高、结构复杂。
电除盐雾技术	电除雾技术		吸附	任意粒径	-	除雾效率高，但设备结构复杂，且体积较大。
电除盐雾技术	静电除雾技术		吸附	任意粒径	94%以上	除雾效率高，但设备结构复杂，且体积较大。
过滤除盐雾技术	传统过滤除盐雾技术		吸附+拦截	≥0.5 um	90%~99%	除雾效率高、结构简单。

从表2不难发现，分离除盐雾技术缺点较多，可分离的盐雾粒径普遍较大（＞10 um），不适于一些过滤要求较高的场合，离心除盐雾机设备复杂，不利于后期运维。电除雾技术可去除任意粒径盐雾粒子，如静电除雾技术过滤效果达94%以上，但设备结构复杂，体积庞大。而过滤除盐雾技术具有除盐雾效率高，设备结构简单的优点，结合抽水蓄能电站设备的重要程度，推荐采用过滤除盐雾技术。

4.3 控制环境温度和湿度

温度和湿度是影响腐蚀的关键因素之一^［7］，主要是由于环境中湿度较大时，水汽易凝聚在金属设备表面，形成微液滴，当氯离子等腐蚀性介质溶于微液滴中，增大了液滴的导电性，从而加快了电化学腐蚀速率，此外，潮湿环境易促使生霉、凝露等问题发生，严重影响设备安全运行。而温度影响腐蚀速率主要是由于温度升高，分子活性增大，扩散加快，从而导致腐蚀加剧，但温度升高会使氧气等溶解度降低。由于温度和湿度对金属设备腐蚀影响较大，因此，抽水蓄能电站防护首要措施是控制环境中的温度和湿度。海洋环境电器设备温度和湿度环境等级由所监测到的温度和湿度数据进行划分，如表3 ^［6］描述。

Tab.3 Environmental temperature and humidity level characteristics

表3 环境温湿度等级特征

环境温湿度等级	最高环境温度/℃	最大环境温度变化率/（℃·h^-1）	平均相对湿度/%	最大相对湿度/%	相对湿度变化率/（%·h^-1）
H1	≤40	≤5	≤50	≤60	≤5
H2	≤50	≤10	≤60	≤70	≤10
H3	≤60	≤10	≤70	≤80	≤10
HX	-	-	-	-	-

注：HX等级表示因设备原因，如故障停机、自身发热等，导致服役环境温湿度参数超过了限制值的情况；H1等级表明海洋环境电气设备温度和湿度控制好，因凝露、绝缘下降等导致的电气设备故障风险小；H2等级表明海洋环境电气设备温度和湿度得到控制，环境可能导致电气设备可靠性下降；H3等级表明海洋环境电气设备温度和湿度尚未得到有效控制，需对散热设计、除湿设备进行改进或增加；HX，待说明或有特殊要求的环境等级及参数。

4.4 合宜选取进风口位置

海岛环境与陆地环境盐雾含量与离岸距离变化趋势相同，均为离岸距离越近盐雾含量越高，而相同距离比较，海岛盐雾含量高于陆地，且风速、风向对环境盐雾含量影响较大，迎海而来时，风力越大盐雾含量越高，同一位置，即使风速很大，风向背海而来浓度也会较低^［6］。因而在地形地貌条件适宜时，宜选取风向背海的位置作为进风口，以降低进风盐雾含量，可减小除盐雾负荷。

5 结语

相比于常规抽水蓄能电站，海岛盐雾含量高于陆地，厂房环境除控制温湿度外，还应采取必要的措施控制盐雾含量，如采用过滤除盐雾技术、合理选取进风口。

考虑各区域的位置关系、发热量分布、各场所的温度、湿度、盐雾控制要求、进排风洞的设置等因素，通风的流程应由设计温度要求高的区域流向设计温度要求低的区域，人员集中的地区采用室外新风，发热量高的房间采用其他区域回风，气流组织合理。 □

References

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1	石文辉，查浩，罗魁，等．我国海水抽蓄电站发展初探［J］．研究与探讨，2015，37（12）：36-40．本文引用 [1]

2	吴秋芳，林文靖，陈志伟，郭建设．海岛抽水蓄能电站枢纽布置研究：以大万山岛为例［J］．广东水利水电．2020（8）：61-67．本文引用 [1]

3	肖益民，刘琳，徐蒯东，等．地下水电站通风网络设计与风机匹配［J］．暖通空调，2020，45（2）：43-47．本文引用 [1]

4	沈玉妹，彭煜民，叶芷言，等．水电站地下厂房最小新风量分析［J］．暖通空调．2020，50（4）：58-64，74．本文引用 [1]

5	李慧，黄海军，王俊，等．湿热沿海地区环境条件对风电机组的影响分析［J］．装备环境工程，2013（5）：17-21．本文引用 [1]

6	向利，杨阳，赵钺，等．含盐高湿环境地下抽水蓄能电站空气除盐技术研究报告［R］．广州：南方电网调峰调频发电有限公司，中国电器科学研究院股份有限公司，2020．本文引用 [3]

7	田世爱，迟宏伟．室内电子控制设备的腐蚀与防护［J］．洁净与空调技术，2006（1）：12-15．本文引用 [1]

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1 地下厂房的布置特征
Fig.1 Layout of the generator floor of the island pumped-storage power station
2 通风流程设计
Fig.2 In-plant air flow chart
3 空调设计思路
4 控制室内盐雾的措施
4.1 环境盐雾等级
Tab.1 Environmental salt spray parameter grade characteristics
4.2 空气除盐雾方式
Tab.2 Salt mist removal technology summarizes its salt mist purification effect
4.3 控制环境温度和湿度
Tab.3 Environmental temperature and humidity level characteristics
4.4 合宜选取进风口位置
5 结语
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Received	Published
2021-07-26	2022-01-15
Issue Date
2022-02-13

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1 地下厂房的布置特征

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2 通风流程设计

Fig.2 In-plant air flow chart

3 空调设计思路

4 控制室内盐雾的措施

4.1 环境盐雾等级

Tab.1 Environmental salt spray parameter grade characteristics

4.2 空气除盐雾方式

Tab.2 Salt mist removal technology summarizes its salt mist purification effect

4.3 控制环境温度和湿度

Tab.3 Environmental temperature and humidity level characteristics

4.4 合宜选取进风口位置

5 结语

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2 通风流程设计

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3 空调设计思路

4 控制室内盐雾的措施

4.1 环境盐雾等级

Tab.1 Environmental salt spray parameter grade characteristics

4.2 空气除盐雾方式

Tab.2 Salt mist removal technology summarizes its salt mist purification effect

4.3 控制环境温度和湿度

Tab.3 Environmental temperature and humidity level characteristics

4.4 合宜选取进风口位置

5 结 语

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5 结语