水電站地下廠房潮濕成因及除濕策略

虞少嵚，張 楠，賀婷婷

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，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）結露。我們著重分析結露問題。

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、產品質量、工藝過程和設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。空氣的相對濕度φ，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達到飽和，如果繼續冷卻，則會產生凝結水。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，就會產生結露。

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）就會產生結露的現象。比如上面分析的工況，假設廠內空氣溫度為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生結露現象。根據《水力發電廠采暖通風和空氣調節設計技術規程》的要求，廠房內水輪機層的相對濕度必須控制在75%以內。而此時，空氣的相對濕度為70%，是完全滿足水電站規程要求的。又比如，另一個工況，假設廠內空氣溫度為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，空氣本身已經相當干燥了，但還是會結露，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。空氣潮濕和廠房潮濕其實是兩個完全不同的概念。結露僅取決于兩個因素，即環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管道內水溫及墻壁壁溫度的差值越大，則冷表面的結露現象就越嚴重?？諝獾穆饵c溫度越低于周圍環境的溫度，結露的可能性就越小，也就意味著空氣越干燥。結露現象的產生與空氣的相對濕度無直接關系，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備安全運行要求時，但只要冷表面溫度低于環境空氣的露點溫度，空氣中的水分子就會在冷表面凝結，出現結露現象。結露本身使得廠房變潮濕，卻使得空氣更干燥了。

通風空調系統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系統而使得廠房完全干燥是不現實也不經濟）。因為如果要保證空氣不結露，就必須將送到廠房內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月份的時候實測水管表面溫度僅為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，容易產生靜電，對電站設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，遇到冷表面就會結露，在這種情況下，通風量越大，則結露越厲害，廠內越潮濕。

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，冷表面結露。

為防止空氣結露現象的產生，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，產生靜電問題，影響電氣設備安全運行。

另外，冷表面結露還和空氣的流動情況相關。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的熱交換后，冷表面結露，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，最終將導致環境空氣露點溫度達到或低于冷表面溫度，此時冷表面結露現象將消失。但實際上，水輪機層和蝸殼層的空氣是流動的，實際設計中一般都在上下游壁面設有軸流風機，軸流風機不斷地將上部發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露，新進空氣又會開始結露，這是一個循環反復的動態過程。因此，相對密閉的空間更有利于防止結露。

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）主廠房采用空調系統，利用空調設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，以防風口在系統運行初期結露滴水到發電機蓋板上，同時所有送風口采用防結露植絨鋁合金風口，盡量避免風口結露。

3）在水輪機層和蝸殼層設置除濕機就地進行除濕。

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

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）根據天氣情況提前對系統運行方式進行轉換（即全新風運行與回風運行的轉換）。

7）地面積水及時清理，避免其蒸發到空氣中。

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。

3 合理運用通風空調系統，防止廠房結露

下面以某工程實例說明如何合理運用通風空調系統來防止廠房結露。

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℃，夏季空調室外計算干球溫度34.5℃，主廠房采用空調送風，機械排風，送風溫度19℃，相對濕度95%，發電機層送風量為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電機層取風，水輪機層設計送風量為80 000 m3/s，蝸殼層設計送風量為50 000 m3/s。水輪機層設計有回風道，主廠房空調系統可以全新風運行，也能實現回風運行。經過計算，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、空調系統全新風運行、空調系統回風運行，三種運行方式中，空調系統回風運行時空氣露點溫度最低，也就是最不容易發生結露。由此可以得出下面的結論：

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

2）當水輪機層發生結露時，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）當蝸殼層發生結露時，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。

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

5）當回風運行時水輪機層發生結露時，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（回風道設置在母線層比設置在水輪機層對除濕更有利，本電站由于地質條件差，為減少開挖，沒有專門開挖回風道，僅利用現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相對密封）。

6）本電站主空調系統的設計送風溫度為19℃，這是系統全新風運行時的設計溫度。采用回風運行的時候可將系統送風溫度設定為15℃。過渡季節當交通洞末端溫度≤15℃時，應停止運行主空調系統的冷水機組，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低送風溫度（即設定15℃＜送風溫度＜19℃），送風溫度越低，則空調系統的除濕能力越強，但受設備制冷能力及系統設計本身的限制，送風溫度不宜低于15℃。

7）完全通過通風空調系統來保證廠房全年任何時間都不結露是非常不經濟的，也是不合理的，因為當冷表面溫度過低時，完全通過通風空調系統來保證不結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備安全運行。