壓縮空氣在發電廠暖通設計中的拓展應用探討

陳千凱

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

壓縮空氣作為一種可靠的動力源，在大中型火力發電廠中主要用于生產設備的檢修、維護以及儀表氣動操作等，在廠內暖通系統中主要用于機械除塵器濾袋以及空調過濾器的氣力除灰。電廠中均設置了獨立的壓縮空氣站及配套管網輸送經干燥凈化后的壓縮空氣，管網內壓縮空氣無毒、品質高，可直接滿足人員衛生呼吸用；氣體壓力高，可進行長距離輸送；同時壓縮空氣具有膨脹制冷性質，可用于區域環境降溫。

本文探討了在常規通風設計受限時，利用廠內壓縮空氣的這些特性，將之拓展應用于地下電纜隧道通風、防煙加壓送風及正壓室保護設計中。

1 電廠內壓縮空氣品質分析

電廠內設有獨立的壓縮空氣站供應全廠用氣需求，壓縮空氣的一般制取流程為：空壓機→儲氣罐→干燥凈化裝置→用氣點。

廠用壓縮空氣質量要求的依據為《儀表供氣設計規范》（HG/T 20510—2014）[1]，《醫用氣體工程技術規范》（GB 50751—2012）[2]中對部分醫用空氣的品質也有明確要求。將電廠內壓縮空氣品質與醫用空氣進行對比，匯總如表1所示。

將表1中各標準所述要求按照《壓縮空氣第1部分：污染物凈化等級》（GB/T 13277.1—2008）[3]進行等級轉換，如表2所示。

表1 各規范壓縮空氣品質要求

根據表2所示，儀表用氣標準[1]略低于醫療用氣標準[2]，但工程實際應用中根據廠內各工藝用氣點要求，最終經干燥凈化后的出氣品質高于規范[1]要求，而且凈化等級滿足醫療用氣要求，故將廠用壓縮空氣直接應用于環境通風換氣能夠滿足人員健康衛生的要求。

表2 各標準壓縮空氣品質凈化等級

2 壓縮空氣膨脹制冷分析

空氣被視為一種理想氣體用于熱力系統分析，在空氣的絕熱壓縮、膨脹過程中有公式：式中：T1、T2分別為初、終態溫度（K）；P1、P2分別為初、終態壓力（MPa）；κ為絕熱指數，空氣的κ=1.4。

壓縮空氣經末端節氣噴嘴[4]快速釋放至環境中并膨脹至大氣壓，其釋放過程很快，考慮實際膨脹過程與理想絕熱過程有偏差，故引入絕熱效率η，值取70%。公式（1）修正為：

根據規范[1]的要求，氣源送至裝置各界區的壓力范圍宜為500～700 kPa（G），工程中至用氣點的管網壓力為P1=0.7 MPa（G）。空壓機本體配置冷卻措施，T1按冷卻后的排氣溫度46 ℃考慮。P2為壓縮空氣釋放到環境后膨脹至大氣壓0.1 MPa（A）。將各參數值代入公式（2）中，得T2=251.6 K。

根據T2值可知噴嘴出口能獲得較低的出風溫度，送至室內環境中完全可以滿足區域環境降溫要求。

3 壓縮空氣應用于地下電纜隧道通風設計

電纜隧道是各電壓等級電力電纜集中布置區域，電纜在運行中發熱量較大，室內通風效果不佳將導致電纜本體過熱，影響電纜本體載流量。同時，地下隧道檢修、巡視時需要滿足人員對空氣質量的要求，因此地下電纜隧道通風設計于電廠安全生產十分重要。

地下電纜隧道通風由于風壓、熱壓作用受限，自然通風效果不佳，常規采用的是機械通風方式[5]。

由于廠區內建構筑物比較密集、工藝管道布置復雜，工程設計中經常遇到地上通風豎井布置受限、難以與周圍環境相協調等現象，同時隧道路徑較長、分支走向較多，容易出現氣流組織不佳，如氣流短路、通風死角等弊端，最終影響電纜隧道的通風效果。

為解決電纜隧道常規機械通風方式的弊端，根據壓縮空氣的膨脹制冷特性，將廠用壓縮空氣應用于地下電纜隧道降溫通風設計，并列舉工程案例進行具體計算分析。

某電廠位于山東煙臺，主廠房B-C軸地下電纜隧道布置有10 kV以下各型電纜，電纜散熱量采用估算法[6]，計算式如下：

式中：Q1為電纜總散熱量；C1～CN為第1規格～第N規格電纜散熱損失系數；n1～nN為第1規格～第N規格電纜數量；q1′～qN′為第1規格～第N規格電纜散熱量（W）。

根據公式（3）計算匯總，該電廠主廠房地下電纜隧道總的散熱量為Q1≈50 kW。

機械通風量采用排除余熱法計算，隧道內環境溫度按40 ℃設計[6]，計算式如下：

式中：L為通風量（kg/h）；Q2為圍巖散熱量（W），可按電纜散熱量的30%～40%估算[6]；c為空氣定壓比熱，取1.01 kJ/（kg·℃）；Δt為送排風溫差（℃）。

當采用常規機械通風方式，室外進風按當地夏季室外通風計算溫度26.9 ℃考慮，代入公式（4）求得室外進風量L1=29 152 kg/h；當采用壓縮空氣膨脹制冷方式，節氣噴嘴出口溫度為T2=251.6 K，代入公式（4）求得壓縮空氣流量L2=6 219 kg/h。

在排除余熱相同的情況下，壓縮空氣膨脹制冷流量L2只占常規機械通風量L1的21%；且只需沿隧道均勻敷設壓縮空氣管道及節氣噴嘴，故布置簡單，只需考慮排風豎井，避免了室外占地過多；同時在電纜隧道分支處布置壓縮空氣支管，解決了通風死角問題。

壓縮空氣在噴嘴處快速釋放，在室內形成誘導卷吸氣流，大大增強了室內氣流組織效果，無須因隧道路徑過長而與機械通風方式一樣額外設置誘導風機。

同時壓縮空氣的凈化品質滿足檢修人員的衛生需求，由此可以看出，壓縮空氣膨脹制冷能夠適用于地下電纜隧道的通風設計。

壓縮空氣膨脹制冷的應用目前僅限于煤礦井道內降溫[7]，缺少在其他領域的應用實例。在常規機械通風方式無法布置時，將壓縮空氣拓展延伸運用于地下電纜隧道通風亦為暖通設計領域提供了新的設計方法和思路。

4 壓縮空氣應用于防煙加壓送風設計

廠內各建筑物防煙排煙設計中，防煙樓梯間、封閉樓梯間等需進行防煙設計以保證人員安全疏散。

無外窗的封閉樓梯間防煙采用機械加壓送風方式，該設計需布置獨立機房及豎直井道，根據《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB 51251—2017）[8]，機房、風道大小及布置均有嚴格要求。

工程中經常遇到送風豎井影響樓梯間功能、送風機房布置受限等問題；同時超高層建筑為保證送風均勻性，還需進行加壓送風系統的分段設計，增加了系統的復雜性。

根據壓縮空氣的膨脹特性，將廠用壓縮空氣引入加壓送風設計中，能以較小的流量和簡單的系統設計滿足防煙要求，現以壓縮空氣運用于電廠封閉樓梯間防煙設計進行計算、分析。

某電廠集控樓高12 m，封閉樓梯間共2層，無外窗，采用加壓送風進行防煙設計。常規的機械加壓送風量計算按照標準[8]公式進行計算，設計排煙量為27 216 m3/h，相應配置的加壓送風機風量28 000 m3/h、風壓500 Pa，風機功率為15 kW，占用的機房平面尺寸為4 m×3.5 m；送風管道風速按不大于20 m/s設計，管道截面尺寸為1 000 mm×500 mm。

當采用壓縮空氣進行防煙設計時，加壓送風量28 000 m3/h折算成0.7 MPa（G）的壓縮空氣流量為10 kg/s，按壓縮空氣流速15 m/s設計考慮，引入樓梯間的壓縮空氣管徑為DN300，管材為金屬材質。

主管入戶后，沿樓梯間豎直布置，在每層支管處設置有自力式減壓閥、電動關斷閥及送風口，主要功能包括：壓縮空氣經減壓閥調試減壓至設計壓力后固定閥門開度，以防變動，電動關斷閥平時常閉并接收消防聯動信號開啟，送風口平時常開并控制風速不大于7 m/s，配套風量調節裝置。

在正壓送風量相同的情況下，壓縮空氣輸送管道截面僅為機械送風管道面積的14%，占用的井道面積大大減小；且氣源接自廠內壓縮空氣站，無須額外占用獨立機房；壓縮空氣管道內平時為高壓狀態，接收到火災信號便能立即響應進行正壓送風；壓縮空氣輸送距離更遠，即使建筑物高度超過100 m，無分段系統也能保證送風均勻性；同時壓縮空氣來源于廠內壓縮空氣站，凈化品質高，能夠避免受著火建筑的煙氣影響。由此可以看出，在常規加壓送風布置受限時，壓縮空氣能夠適用于建筑物的防煙系統設計。

5 壓縮空氣應用于正壓室設計

石油、化工園區中建設的自備電廠，若輔助及附屬建筑中的一些電氣室、儀表控制室和分析室布置在爆炸危險區域內，這些工藝房間須依據《石油化工采暖通風與空氣調節設計規范》（SH/T 3004—2011）[9]要求設計成正壓室以保護室內設備及人員的安全。

由于石油化工行業的特性，在事故時正壓室周圍空氣中可能含有毒有害、爆炸性氣體，當采用常規正壓送風時無法保證入口周圍的新風品質。為解決常規機械正壓送風存在的隱患，利用廠內壓縮空氣凈化品質高及輸送距離遠的特點，將壓縮空氣引入正壓室的正壓通風設計。

壓縮空氣經管網輸送至正壓室內，在各工藝房間支管上設置有自力式減壓閥、電動關斷閥及送風口，減壓閥后壓力經調試至設計值后固定閥門開度。當廠區發生事故時，電動關斷閥接收消防聯動信號開啟，壓縮空氣即送至正壓室內，壓縮空氣用量為保證室內正壓值所需及人員新風量之和，風量大小由風量調節閥控制。

同時，為保證壓縮空氣的供給安全與穩定，廠內總圖布置采取以下措施：廠內集中壓縮空氣站布置在爆炸危險區域外，即使生產區發生事故也不會影響壓縮空氣站的正常工作；壓縮空氣站布置在污染區的上風側，能夠保證空壓機吸入口空氣不被有毒有害氣體污染。

在采用常規正壓送風無法滿足空氣品質要求時，廠內壓縮空氣氣源安全可靠、系統配置簡單，能夠滿足保證正壓室內設備安全運行以及人員人身健康的要求。

6 結語

廠用壓縮空氣具有膨脹制冷、空氣品質高、輸送距離遠的特點，相較于常規通風方式，其在地下電纜隧道通風、加壓送風及正壓室的設計應用中具有系統配置簡單、高效、響應快等優勢，具有一定的可行性，拓展了其在暖通設計領域應用的新方法、新思路，在遇到實際工程常規通風設計嚴重受限時，可結合現行國家規程規范進行具體實施。

但同時因壓縮空氣制取成本較高、設備投資大，在實際項目中同樣應該考慮其應用的經濟性。