人民防空工程的柴油发电机房通风设计

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人民防空工程的柴油发电机房通风设计

发布时间：2019-04-18 12:16:48 ▏阅读：次

摘要：柴油发电机要正常运行必须要有适宜的温湿度环境，否则将影响发电机组的发电效率。电站的通风降温系统是为柴油发电机提供适宜的空气环境而设置，是保障电站正常运转的必要设施。结合实际工程设计中遇到的问题，本文以深圳某小区人防地下室移动式电站（100 kW发电机组）为例，系统阐述了柴油发电机房（风冷）通风设计思路与方法；深入解析了闭式风冷循环中冷却排热量对机房余热量的主导影响，指出规范中机房余热量计算公式对闭式风冷系统不严密，应加入冷却排热量；详细介绍了进风量计算的两种方法——按消除余热计算和按风量平衡计算，本工程前者为8293 m³/h，后者为12315 m³/h，设计取较大值12315 m³/h；给出了排风量计算公式并附加10%裕量（；最后强调冷却排热量必须通过专用风道直接排出室外（而非排入机房），否则余热量和进风量将大幅增加，既不合理也不经济。本文可为柴油发电机房通风系统的设计计算提供参考。

一、人防对发电机房的要求

1. 人防工程对备用电源的需求背景

人民防空工程是战时掩蔽人员、物资以及保护人民生命财产安全的重要场所，也是实施人民防空最重要的物质基础。在现代战争条件下，核、生、化和常规武器对工程的毁伤已成为防护重点。由于战时外部电力供应很容易遭到敌人破坏，因此要求人防重点工程设置备用电源——柴油发电站。

2. 规范依据与电站功能定位

现行规范《人民防空地下室设计规范》GB 50038-2005第7.7.2条对防空地下室备用电源的设置有详细规定，明确了不同类型、不同等级人防工程的供电要求。电站设置的目的就是当外电源遭到破坏后，依靠内部的电源保障工程内部动力、照明、通讯等设备的正常运转，确保掩蔽人员的基本生存条件和工程防护功能的持续有效。

3. 柴油发电机房的温湿度环境要求

柴油发电机要正常运行必须要有适宜的温湿度环境，否则将影响发电机组的发电效率、启动可靠性和使用寿命。规范中对柴油发电机房的温湿度要求如下：

1）当人员直接操作设备时，机房内温度不大于35 °C（操作人员需在机房内进行设备的监视、操作和维护）。

2）当人员隔室操作时，机房内温度不大于40 °C（操作人员在独立的控制室内通过仪表和控制系统远程监控）。

3）电站控制室温度不大于30 °C，相对湿度不大于75%（控制室内安装有精密的电子控制设备和仪表，对温湿度较为敏感）。

4）温湿度超标的影响：温度过高会导致柴油机进气密度下降（功率降低）、发电机绕组绝缘老化和润滑系统性能下降；湿度过高会导致发电机绝缘电阻降低（增加漏电风险）和电气设备腐蚀；湿度过低则容易产生静电。

4. 电站通风降温系统的功能定位

电站的通风降温系统是为柴油发电机提供适宜的空气环境而设置，是保障电站正常运转的必要设施。其主要功能包括：

1）排除机房内柴油机、发电机及排烟管道等设备散发的余热量，维持机房温度在规定范围内。

2）为柴油机燃烧提供足够的新鲜空气（每千瓦制动功率约需0.1 m³/min的燃烧空气量）。

3）排除机房内可能产生的有害气体（如CO、HC及油蒸气等），保障操作人员安全。

4）维持机房内适当的正压或微负压状态，防止外部污染空气侵入。

5. 通风量计算的规范依据

战时清洁通风时，柴油发电机房的进排风量计算规范中第5.7.2条有明确规定：

1）当柴油发电机房采用空气冷却时（即风冷），按排除柴油发电机房内余热量计算进风量。即根据机房内设备散热量和允许温升，确定所需通风量。

2）当柴油发电机房采用水冷却时（即水冷），按排除柴油发电机房内有害气体所需的通风量经计算确定。水冷机组将大部分热量通过冷却水带走，机房内主要需处理的是有害气体。

6. 本文的研究范围与目的

结合实际工程设计中遇到的问题，本文就柴油发电机房（风冷）的通风设计思路及方法作以阐述，重点分析闭式风冷循环中冷却排热量的计算及其对机房余热量的影响，并提出合理的通风设计方案。

柴发机房进通风设计图.png

柴发机房进通风设计图

二、案例简介

1. 工程概况

以深圳某小区的人防地下室为例，平战结合——战时为核六级、常六级二等人员掩蔽所，平时为地下车库，停车412辆，属于三类地下车库。本工程人防建筑面积4355 m²，建筑层高4.5 m。

2. 人防防护单元划分

根据建筑专业的分隔，战时人防划为三个防护单元，每个防护单元的有效人员掩蔽面积和掩蔽人员数量分别为：

1）第一防护单元：有效人员掩蔽面积1567 m²，掩蔽人员1567人。

2）第二防护单元：有效人员掩蔽面积1574 m²，掩蔽人员1320人。

3）第三防护单元：有效人员掩蔽面积1214 m²，掩蔽人员1214人。

3. 移动式电站配置

在第一防护单元中设有移动式电站，该电站中有容量为100 kW的移动式发电机一台，作为战时的备用电源。移动式电站的优势在于机动性强，可在不同防护单元间调配使用，但也对通风接口的通用性和灵活性提出了要求。

4. 发电机组技术参数

该发电机组的主要技术参数如下：

1）额定功率：100 kW（电站主用功率，满足战时基本电力需求）。

2）燃烧空气量：396 m³/h（柴油机额定工况下消耗的空气量，用于计算新风供给量）。

3）柴油机机头风扇转速：2200 r/min（带动散热器风扇，决定冷却风量）。

4）排风量：11628 m³/h（通过柴油机空气-水散热器的冷却风量，是进风量计算的核心依据）。

5）排烟管道保温材料：矿渣棉管壳，保温厚度60 mm（减少排烟管在机房内的散热，降低机房余热量）。

三、机房余热量与进排风的计算

1. 机房余热量的计算原则

要确定柴油发电机房（风冷）余热量的计算范围，需先了解柴油机内部循环的原理。柴油机的内部水循环大致可分为三类：闭式水循环、开式水循环和混合水循环。其中闭式水循环又可分为闭式风冷和闭式水冷。所谓的闭式风冷是指柴油机冷却水在柴油机前部的表面式空气-水换热器和柴油机内部的冷却系统组成的封闭管路内循环，散热器与柴油机组成一个整体。其原理如图2所示。

规范第5.7.4条规定：柴油发电机房内的余热量应包括柴油机、发电机和排烟管道的散热，即 $Q_{y u} = (Q_{1} + Q_{2}) β + Q_{3}$ 。笔者认为这种说法对于闭式风冷系统是不严密的——当柴油机为闭式水循环（风冷）时，如果空气-水换热器排出的热量直接进入机房内的空气中，则此部分冷却排热量 $Q_{4}$ 也应计入到机房的余热量中，即：

$Q_{y u} = (Q_{1} + Q_{2}) β + Q_{3} + Q_{4}$

因为冷却排热量值较大，一般为 $Q_{1} + Q_{2}$ 的3.5倍左右，设计中需对这部分热量采取有效的方法进行控制和排除。

2. 柴油机散热量 $Q_{1}$

规范中没有列出 $Q_{1}$ 的计算公式。《全国民用建筑工程设计技术措施——防空地下室》第4.3.5条和《防空地下室设计手册——暖通、给水排水、电气分册》第2页公式6-6给出了统一公式：

$Q_{1} = 1.5 \times 10^{- 4} \times n_{1} \times q \times N_{e} \times B$

其中： $Q_{1}$ ——柴油机发热量（kW）； $n_{1}$ ——柴油机工作时散向周围空气的热量系数（%）； $q$ ——柴油机燃料热值，可取41.87 MJ/kg； $N_{e}$ ——柴油机额定功率（kW）； $B ——柴油机耗油率（kg/kW·h）。$

经过量纲分析和公式验证可知，该公式计算结果偏小。根据《人民防空工程通风空调设计》一书给出的公式：

$Q_{1} = 0.278 \times N_{e} \times B \times q \times n_{1}$

本工程移动式柴油发电机组为100 kW， $n_{1}$ 取4%， $B$ 取0.23 kg/kW·h：

$Q_{1} = 0.278 \times 100 \times 0.23 \times 41.87 \times 4 % = 10.7 kW$

与查手册表6-6所得值13 kW接近，取 $Q_{1} = 10.7 。$

3. 发电机的散热量 $Q_{2}$

根据《人民防空工程通风空调设计》给出的公式：

$Q_{2} = P \times \frac{1 - n_{2}}{n_{2}}$

其中： $Q_{2}$ ——发电机发热量（kW）； $P ——发电机额定功率（kW）；$ $n_{2}$ ——发电机效率（%），通常为80%～94%。

查样本得知：当 $N_{e} = 100$ kW时， $P = 84$ ， $n_{2}$ 取90%，代入公式得：

$Q_{2} = 84 \times \frac{1 - 0.9}{0.9} = 9.3 kW$

4. 对 $Q_{1} + Q_{2}$ 的修正

当柴油机工作地点的大气压不是标准大气压或相对湿度大、温度高时，柴油机输出功率会发生变化，需修正系数 $β$ 。本工程位于青岛，海拔76 m，当温度25 °C、大气压力760 mmHg、相对湿度80%时， $β = 0.968$ ：

$Q_{1} + Q_{2} = (10.7 + 9.3) \times 0.968 = 19.36 kW$

查手册表6-6， $Q_{1} + Q_{2} = 22.4$ kW，与计算值接近。

5. 排烟管散热量 $Q_{3}$

保温排烟管单位长度散热量公式：

$q_{c} = \frac{2 π \cdot λ \cdot (t_{y} - t_{n})}{\ln (D / d)}$

其中： $q_{c}$ ——保温排烟管单位长度散热量（kW/m）； $D$ ——排烟管道保温外径（m）； $d$ ——排烟管道外径（m）； $λ$ ——保温材料导热系数（W/m·°C）； $t_{y}$ ——排烟管外壁面温度（°C），一般取300～400 °C； $t_{n}$ ——排烟管道周围空气温度（°C），一般取35～40 °C。

排烟管散热量： $Q_{3} = q_{c} \times l$ ，其中 $l$ 为保温排烟管在机房内架空敷设的长度（m）。

本工程排烟管道直径150 mm，长度9 m，保温层厚度60 mm，机房设计温度35 °C，排烟管外壁面温度取400 °C， $λ$ 取0.05 W/m·°C：

$D = 0.15 + 2 \times 0.06 = 0.27 m$
$q_{c} = \frac{2 π \times 0.05 \times (400 - 35)}{\ln (0.27 / 0.15)} = \frac{2 π \times 0.05 \times 365}{0.588} = 0.196 kW/m$
$Q_{3} = 0.196 \times 9 = 1.76 kW$

6. 废热水热量

手册中关于废热水热量的计算公式为：

$Q_{f} = ε \times K_{B} \times N_{e}$

经过量纲分析，该公式漏了柴油机耗油率指标 $B$ ，修正后为：

$Q_{f} = 0.278 \times N_{e} \times B \times q \times ε \times K_{B}$

将本工程数据代入（ $ε = 30 %$ ， $K_{B} = 0.85$ ）：

$Q_{f} = 0.278 \times 100 \times 0.23 \times 41.87 \times 0.3 \times 0.85 = 6.8 kW$

对机房余热量影响较小，但不可完全忽略。

7. 柴油机冷却排热量 $Q_{4}$

根据《人民防空工程通风空调设计》，柴油机冷却排热量公式为：

$Q_{4} = 0.278 \times N_{e} \times B \times q \times n \times K_{B}$

其中： $n$ ——柴油机气缸冷却水带走的热量占燃料发热量的比例，一般取30%； $K_{B}$ ——考虑散热损失的安全系数，一般取0.85。

将本工程数据代入：

$Q_{4} = 0.278 \times 100 \times 0.23 \times 41.87 \times 0.3 \times 0.85 = 6.8 kW$

此值约为 $Q_{1} + Q_{2}$ 的3.5倍，设计中必须采取有效方法进行控制和排除。在本工程设计中，将专设风管接到柴油机空气-水散热器上，用以排除此部分热量。

8. 机房（风冷）余热量总和

当柴油机的冷却排热量直接排到机房内时：

$Q_{y u} = (Q_{1} + Q_{2}) β + Q_{3} + Q_{4} = 19.36 + 1.76 + 6.8 = 27.92 kW$

此值较大，排除该热量所需的进风量也很大。

若将柴油机冷却排热量通过专用风管直接排到室外：

$Q_{y u} = (Q_{1} + Q_{2}) β + Q_{3} = 19.36 + 1.76 = 21.12 kW$ 其正确排风方式如图3所示。

9、柴油发电机房进风量计算

（1）按消除余热计算

按消除余热计算电站进风量公式为：

$L_{j} = \frac{Q_{y u}}{C_{p} \cdot ρ \cdot Δ t}$

其中： $C_{p}$ ——空气定压比热，取1.01 kJ/(kg·°C)； $ρ ——空气密度，取1.2 kg/m³；$ $Δ t$ ——机房排风温度与进风温度之差，一般取8～10 °C。

本工程冷却排热直排室内时， $Q_{y u} = 27.92 kW，$ $Δ t = 10$ °C：

$L_{j} = \frac{27.92}{1.01 \times 1.2 \times 10} \times 3600 = 8293 m^{3} / h$

（2）按风量平衡计算

本工程柴油机采用闭式风冷循环，散热器排出的热风直接从专用风道排出工程外。根据风量平衡原理：

$L_{j} = L_{c} + L_{y} + L_{k}$

其中： $L_{c}$ ——通过柴油机空气-水散热器的排风量（m³/h），查样本为11628 m³/h； $L_{y}$ ——柴油机燃烧空气量（m³/h），查样本为396 m³/h； $L_{k}$ ——油库排风量（m³/h），按 $K \geq 5$ 次/h换气计算，油库容积 $12.91 \times 4.5 = 58.1$ m³， $L_{k} = 58.1 \times 5 = 290.5$ m³/h。

$L_{j} = 11628 + 396 + 290.5 = 12314.5 m^{3} / h$

对比两种方法，设计取较大值 $L_{j} = 12315 m³/h。$

10、柴油发电机房排风量计算

根据风量平衡原理：

$L_{p} = L_{j} - L_{y} - L_{k}$

本工程：

$L_{p} = 12314.5 - 396 - 290.5 = 11628 m^{3} / h$

柴油发电机站是产生有害气体的房间，机房内应呈微负压，实际排风量应比计算排风量稍大，故一般附加10%裕量：

$L_{p, 实际} = 11628 \times 1.1 = 12790.8 m^{3} / h$

柴油机闭水式循环冷却原理图.png

图2 柴油机闭水式循环冷却原理图

柴油发电机散热正确方向图示.png

图3 柴油发电机散热正确方向图示

总结：

若为固定式电站，设计时可考虑由建筑专业为柴油机冷却排热量专门设置风道，将此部分热量排出室外；若为移动式电站，可考虑将密闭排风罩接到柴油机的空气-水换热器上，再由专用风管将此部分热量排出室外。总之，此部分热量还是要排到室外去的，因为若直排到室内，余热量及计算进风量将大大增加，不合理也不经济。本工程若不采用专用风道排热，机房余热量为27.92 kW，进风量为12315 m³/h；若采用专用风道排出冷却排热量，机房余热量可大幅降低，进风量也随之减少。合理设计冷却排热风道是优化通风系统、降低设备容量、节约工程投资的关键措施。

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