誘導風機在水電站廠房通風改造中的應用

劉 垚，曾金海

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

1 引言

水電站發電廠房特別是水輪機層、蝸殼層等大多處于地下，若通風系統運行效果不佳，廠房內夏季容易產生悶熱潮濕的感覺，影響設備運行以及運維人員的舒適度[1]。為能及時排出廠內產生的熱濕空氣，在老舊電站新增通風系統或對已陳舊老化的通風系統進行重新改造很有必要[2]。相比于新建電站，舊水電站廠房通風系統改造時，機電設備已安裝完成，廠房空間較為局促，若按傳統做法新增送排風風管，往往空間受限，難以布置。誘導通風系統無需增設風管，具有安裝靈活、不受空間限制、占用位置少等優點[4]，可適用于發電廠房內的通風系統改造。

無風道誘導通風系統在上世紀80 年代已開始在日本應用[3]，我國現階段主要應用在公路、鐵路隧道、地下停車庫、船舶及大空間維修檢查車間的通風換氣中[4-7]。許淑惠等將地下車庫誘導通風設計與傳統通風系統設計進行對比分析，得出誘導風機應用更具靈活性及經濟性[4]；王飛以fluent 軟件為平臺對地下車庫誘導通風系統的應用進行了模擬，結果表明無風管誘導通風系統在地下車庫應用中具有良好的通風換氣效果[5]；潘志信 等對車庫誘導通風射流及風口的設計與計算方法進行了研究分析，得出相應的設計要點與方法[6]；田利偉 等對蓋下動車檢查車庫的誘導通風系統進行了三維模擬研究，提出了誘導通風系統應用于動車檢查庫的設計方案及關鍵技術參數[7]；但對于誘導通風系統在水電站中的應用研究較少。

本文對誘導風機在水電站通風改造中的應用做探討，得出其應用特性，為相關水電站通風及改造工程提供參考。

2 誘導通風計算原理

由流體力學可知，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間的動量交換，射流將不斷卷吸周圍空氣并不斷擴大，并以一定的速度向前移動，從而可形成氣流組織[8]，圖1 為自由射流原理圖[8，9]。誘導風機出口噴射出高速氣流，帶動周圍的空氣形成滿足一定風速要求并具有一定有效射程和覆蓋寬度的“氣墻”，氣流不斷擾動卷吸周圍空氣向前流動，再經過多臺誘導風機的接力，推動室內氣流向指定的方向流動。

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

圖1 自由射流原理圖

2.1 射流主體段軸心速度

根據自由射流的規律性研究結果，以風口為起點，射流軸心速度ux的變化關系式為[9]：

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

當誘導風機安裝在頂棚之下貼近頂棚時，射流的運動規律有所變化，形成貼附射流，貼附射流可視為完整射流的一半，其規律不變，可按出風口斷面加倍、出口流速不變的完整射流進行計算，將自由射流公式（1）的送風口直徑d0代以d0，由此可得貼附射流狀態下，射流軸心速度ux的變化關系式為：

2.2 射流圓斷面直徑

根據圖1 自由射流原理圖，結合式（1）～式（2），在距出風口距離為x處的貼附射流的射流圓斷面直徑dx1計算式為[8]：

2.3 誘導風量的確定

設誘導風機出口處風量為Q0，距離出口為x處的與出口平行斷面誘導風量為Qx，由動量守恒定律可得[9]：

m0—氣流質量，kg/s；由m=Qρ可得

式中：Q0—誘導風機出口處風量，m3/s；Qx—距離出口為x處的與出口平行斷面誘導風量，m3/s；

式中：A0—出風口斷面面積，m2；u0—風口出流的平均速度，m/s；

聯立式（1）、式（4）～式（6）可得，距離出風口x 處的誘導風量為：

由式（7）可知，當出口直徑和速度一定，誘導風量與射流距離x成正比，當x為最大射程時，誘導風量達到最大。

上式為無限空間自由射流誘導風量計算式，當為貼附射流時，將送風口直徑d0代以d0可得貼附射流情形下的誘導風量計算式：

3 誘導風機應用關鍵影響因素分析

不同于常規通風系統采用管道系統進行氣流的匯集，誘導風機利用射流原理誘導室內氣流向指定方向流動，并通過前后風機之間的“接力”使得氣流向前推進，如何保證氣流的連續性是影響風機應用效果的關鍵。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，若兩臺風機縱向接力間距較遠，風機可能無法接力；另一方面，根據射流圓斷面直徑計算式（3）結合圖1，誘導氣流隨著射流距離的增大，氣流直徑將會不斷增大，若在射流向前推進過程中，射流下方受到障礙物的遮擋，將會對射流的向前傳播造成阻礙，影響射流推進效果。以上兩點，均可能減弱氣流向前推進的作用或阻斷氣流的連續流動，使得誘導風機的作用降低。因此，風機布置的縱向接力間距及風機下方凈空情況，是影響氣流連續性的兩個關鍵因素。下面將對這兩個關鍵因素進行分析討論。

3.1 風機縱向接力間距

前后風機的縱向接力間距主要與風機的射流距離相關。根據射流軸心速度變化關系式（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。軸心速度的計算還與出口速度、紊流系數、風口直徑有關，但風機一旦確定，這些參數在射流過程中可視為固定值。根據文獻[10]研究及結合實際誘導風機樣本可知，誘導風機出口風速取10～12 m/s 較為合適，在此取出口速度為12 m/s，風口直徑根據相關樣本參數取為0.08 m，紊流系數主要與風口形式有關，一般取0.08，因此由式（2）可計算出軸心速度隨著射流距離增加的變化關系，計算結果如圖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，之后射流距離繼續增加，軸心速度的下降呈現較為平緩趨勢，說明此時射流對周圍空氣的卷吸推動能力已逐漸減弱。由文獻[10-12]研究可知，大于0.5 m/s的氣流速度才能更好帶動周圍氣流向前推進，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在射流距離13 m 處，即為風機最大射流距離，考慮一定的余量，可設置最大射流距離為10 m，即為誘導風機縱向接力的最大間距，此時軸心速度為0.8 m/s。綜上所述，誘導風機布置時，在縱向距上一個誘導風機出口10 m 內的距離設置下一個誘導風機進行接力將能保證氣流的不斷推進。

3.2 風機下方凈空要求

由第2 章節射流原理可知，射流由出口射出后，卷吸周圍空氣成為一個直徑不斷擴大的氣柱。根據射流圓斷面直徑計算式（3）可得，紊流系數、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，射流范圍不斷擴大。射流距離與射流斷面直徑的變化關系如圖3 所示。

圖3 射流斷面直徑隨射流距離增大的變化

根據上文3.1 分析可知，風機射流距離最大值為10 m，結合圖3，當射流距離為10 m 時，射流斷面直徑為5.6 m。對于貼附射流，風機下方所能覆蓋的范圍為射流直徑的一半，如圖4 所示。故當風機縱向布置距離為10 m 時，為使得誘導風機的自由射流不受干擾或阻斷，應滿足頂棚下方距離為2.8 m 的凈空空間內無明顯障礙物的遮擋。同理，當風機射流距離減小，射流圓斷面最大直徑減小，射流覆蓋范圍減小。即當風機布置縱向接力距離縮短，風機下方所需的凈空空間相應減小，下方障礙物高度限制可增大。例如若電氣設備高度高于頂棚下2.8 m 的空間，則誘導風機布置時，前后風機的布置的最大距離應小于10 m，同時再根據實際的布置間距校核射流的最大直徑，確保風機射流不被下方障礙物遮擋。

圖4 誘導風機貼附射流示意圖

4 誘導風機應用選型示例分析

以某水電站通風改造為例，在水輪機層增設誘導通風系統以排除室內熱濕空氣，結合上文第3 節所述應用特點進行誘導風機的選型布置。如圖5 所示，電站水輪機層廠房層高4.1 m，主要為貼墻水機管路和高度較低的設備，空間較開闊。新風通過下游側開敞樓梯間等進入水輪機層，在水輪機層內設置多臺誘導風機，將本層氣流向上游側副廠房內進行誘導，在副廠房內設置排風系統，將熱濕空氣集中排至通風豎井再排出廠外。

圖5 誘導風機在水電站通風改造應用中布置示意圖

4.1 通風量的計算

水輪機層設置通風系統一方面是消除室內余熱，保證室內設備的運行環境溫度要求，另一方面是消除室內余濕，減少設備管路的結露現象。按消除余熱和消除余濕分別計算通風量，二者取大值為最終通風量[13，14]。

（1）消除余熱通風量

計算可知，本層余熱量Q為21 kW，消除余熱所需通風量可按下式進行計算[13]：

式中，G—消除余熱所需通風量，kg/s；c—空氣比熱容，c=1.01 kJ/(kg.℃)；tp—水輪機層排風溫度，根據規范[14]規定取值33℃；tj—水輪機層進風溫度，取28℃。

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

（2）消除余濕通風量

由計算可得本層余濕量W為1 750 g/h，根據下式進行通風量計算[15]：

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

由此可計算出，消除余濕所需排風量為253.6 kg/h，即是211 m3/h。

二者取大值，可得水輪機層通風量為12 475 m3/h。

4.2 誘導風機的選型

根據計算出的通風量，下面進行誘導風機的選型布置。

（1）單個風機誘導風量的計算

由3.1 節分析可知，誘導風機最大接力間距為10 m。如圖5 所示，根據本廠房條件，水輪機層縱向方向長度為10 m，在最大接力間距之內，可考慮不需另設風機進行接力；但水輪機層上游副廠房內還有3 m 的寬度，為保證氣流能進入上游副廠房內通過排風管排走，擬再設置一排誘導風機進行接力。根據廠房內設備布置情況，水輪機層電氣設備較少，風機下方的凈空可滿足要求，接力間距可設置為8 m。故設誘導風機紊流系數取0.08，出口直徑0.08 m，出口流速12 m/s，射流距離8 m，根據式（8），計算得出單臺誘導風機風量為4 624 m3/h。

（2）風機臺數確定

根據計算的通風量為12 475 m3/h，考慮風機余量，乘以1.05 的系數，總通風量為13 098 m3/h。單臺誘導風機風量為4 624 m3/h，當設置3 臺風機，總誘導風量為13 872 m3/h，可滿足通風量的要求。

（3）風機布置

由上文計算分析結果可得誘導風機的布置方案：如圖5 所示，在水輪機層下游側設置3 臺誘導風機，通過樓梯間等引入新風，在上游距風機出口8 m處再分別對齊設置3 臺誘導風機進行接力，將水輪機層空氣引入上游副廠房內，再通過上游副廠房內的排風系統排出廠外。

5 誘導風機在水電站通風改造中的應用分析

上文第3 章節分析了誘導風機的最大縱向接力間距和風機下方凈空要求，由分析可知，要保證誘導氣流的連續性，風機間最大縱向接力間距為10 m，風機下方凈空要求為2.6 m。在實際的應用中，水電站內各樓層高度一般在4～6 m，同時電站內機械設備、電氣設備柜較多，大多設備柜高度在2～2.5 m之間，不一定能保證設備柜上方2.6 m 的凈空要求，故在實際應用中，應綜合考慮層高、設備柜布置情況、風機下方凈空要求、經濟性等因素，進行風機的布置。

（1）對于母線層、中間層等電氣設備較多的房間，應盡量在設備間通道或人行通道上方布置誘導風機，從而可避免誘導風機氣流受到下方設備的阻斷；若兩臺風機前后之間有障礙設備遮擋，可縮短風機之間的縱向接力間距，再結合實際設備高度和風機間距校核下方空間是否滿足要求。

（2）對于水輪機層等房間，若電氣設備較少，空間較充足，可按10 m 最大接力間距進行布置，從而減少誘導風機的選用臺數，減少設備投資。

（3）如圖3 所示，風機射流斷面直徑與風機縱向接力間距成正比，風機間距越小，則射流斷面直徑越小，風機下方凈空要求越小。故對于層高較低樓層，可適當縮短誘導風機接力間距，減少最大射流半徑，避免層高空間較低對風機的射流傳遞產生影響。

6 結論

（1）誘導風機的縱向接力間距和風機下方凈空要求是保證誘導氣流連續的兩個關鍵因素，布置風機的數量應綜合考慮風量、接力間距、凈空狀況及經濟性等的影響。

（2）隨著射流距離增大，誘導風機軸心速度減小，卷吸能力減弱。為保證氣流連續性，風機布置的最大縱向接力間距以10 m 為宜。

（3）風機的射流斷面直徑隨射流距離增大而增大，直徑越大，風機下方凈空要求越大?？臻g凈空較低時，為保證射流不被阻礙，可適當減小風機接力間距來降低凈空要求。