地下发电机房的冷却通风系统设计与原理
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机房设计与设备安装 |
地下发电机房的冷却通风系统设计与原理 |
摘要：地下发电机房的冷却通风系统设计是其安全、可靠、高效运行的生命线，其与地上机房相比，它面临着散热困难、通风路径复杂、安全隐患大等独特挑战。但是相同的目的都是为了给柴油发动机的燃烧提供充足和洁净的新鲜空气，这是发电机组机组稳定运行和完全燃烧的前提。总之，地下发电机房的冷却通风设计是一个系统工程，必须将冷却、通风、消防、安全和控制视为一个整体来考虑，任何环节的缺失都可能导致整个系统失效。
一、开式循环冷却通风系统
“柴油发电机自带水箱+开式水池冷却方式”是一种通过外部水池为发电机散热进风进行预冷却的高效散热方案。它完美地结合了风冷和水冷的优点，解决了大功率发电机组在恶劣环境下的散热难题。然而，其成功运行高度依赖于严格和持续的水质维护管理。在决策是否采用此方案时，必须权衡其强大的散热能力与后续的维护成本和复杂性。
1、系统组成
（1）自带循环系统（一次循环/内循环）
① 柴油发动机：运行过程中会产生大量热量。
② 自带散热水箱：如图1所示，通常安装在发电机的风扇端，类似于卡车的水箱。内部有水管和散热翅片。
③ 循环水泵：驱动冷却液在发动机和水箱之间循环。
④ 冷却风扇：由发动机曲轴驱动，强制吸入空气，吹过自带水箱的散热翅片，带走热量。
⑤ 节温器：控制冷却液流向，确保发动机快速升温到最佳工作温度。
（2）外部开式水池循环系统（二次循环/外循环）
① 开式冷却水池：一个敞开的、暴露在空气中的水池。
② 外部热交换器：这是连接内外两个循环系统的关键设备。通常采用板式换热器或壳管式换热器。
③ 外部循环水泵：驱动水池中的水在热交换器和冷却水池之间循环。
④ 管道、阀门和过滤器：连接整个系统并保证水质。
2、工作原理
这种系统采用了两级散热的原理，将发动机的热量最终释放到大气中。
（1）第一级散热（发动机自带系统）：发动机内部的冷却液被循环水泵驱动，流经发动机缸体、缸盖等高温部件，吸收热量。高温冷却液然后流入自带散热水箱。发电机的风扇吸入环境空气，吹过水箱，对冷却液进行初步冷却。这个过程的散热效率直接受环境空气温度的影响。
（2）第二级散热（外部水池系统）：利用柴油发电机自带风扇把机房内的热空气吹过水箱，使热空气与水箱的冷水进行热交换，水箱中的冷水就把空气中的热量带走，达到降温的目的。从水箱出来的水再供给柴油发电机冷却用。从柴油发电机出来的水经节温器，一部分重新进入柴油发电机缸套内，另一部分由建筑排水沟排走。
简而言之，原理为：发动机热量→自带水箱冷却液→热空气→外部热交换器→外部循环水→开式水池→大气。
3、注意事项
（1）“水箱”的进水压力不得超过0.8kg/c㎡，压力过大会压坏水箱。
通常采用两种办法来控制水箱的压力：一种办法是在满足水量的条件下，选小扬程的水泵，同时在供水管上适当增加阀门，用调节阀门、增大阻力的办法达到控制水箱压力的目的；另一种办法是加装减压阀来控制水箱的压力。加装减压阀的办法简单，一次调好，即可长期使用。
（2）扩大供水干管和回水干管。
因为从水箱出来的水，大部分经回水干管流走，只有很少一部分经自带水泵进入汽缸套。如果供水干管、回水干管和原来的支管一样粗，就会导致水量分配的失调。
（3）排水管的设置位置。
实践证明，排水管不宜直接接在自带水箱的回水管上，因为有时进水量小于排水量，这样就会使自带水箱里的水被放空，导致自带水泵吸不上补充的冷却水，引起柴油发电机温度迅速上升，甚至可能出现汽缸被烧坏的事故。因此，排水管应设在比自带水箱略高一些的地方，通常设在水池前挡墙的回水管上。
（4）恒温器出水管与自带水箱的连接问题。
从图2中可以看出，水池、水泵、自带水箱、风扇等作为降低机房温度使用，与柴油发电机汽缸套冷却系统本身不直接发生关系。只是因为从自带水箱出来的水温度不高，通过支管与柴油发电机自带水泵吸水管相接，作为柴油发电机汽缸套补充冷却水之用。恒温器的出水管与自带水箱必须连起来（图2中虚线部分），这一点很重要。原因是考虑到战时，在外水源遭到破坏，水池存水又用完的情况下，或者在隔绝式通风的情况下，如果恒温器的出水管与自带水箱连起来了，那么就可以利用自带水箱来冷却汽缸套的循环水。虽然，这时机房温度会迅速升高，但总还能够多运行一段时间，从而多保证一段时间的供电。根据这个要求，必须将恒温器出水管和自带水箱连接起来，只是平时要将阀门关闭，不到万不得已时，不要打开。
4、优点
（1）散热能力强：两级散热，尤其依赖水池的蒸发散热，效率非常高，能支持发电机组长时间满负荷运行。
（2）运行稳定可靠：相比单纯的风冷或单循环水冷，系统温度更稳定，避免了发动机因散热不足而高温停机。
（3）对高温环境适应性强：在炎热的夏季或通风不良的机房，外部水池系统能有效降低进风温度，保证发电机组出力。
（4）初始投资适中：相比闭式冷却塔等方案，开式水池的建设成本通常较低。
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图1 柴油发电机自带水箱冷却机组示意图 |
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图2 柴油发电机自带水箱降低机房温度示意图 |
二、淋水式冷却通风系统
这个系统的核心目标是解决地下发电机房因空间封闭、散热困难，导致环境温度过高，进而影响发电机组运行效率和寿命的问题。该系统使机房内的热空气与冷水直接接触，不仅能达到机房降温的目的，同时水还能溶解机房空气中的一部分瓦斯（CO）。目前地下电站中，常常采用带填料层的喷雾淋水装置-立式冷却器来进行机房的冷却降温。
1、系统主要组成部分
（1）立式冷却器
① 结构：如图3所示，通常由金属外壳、风机、换热盘管、水收集器和喷淋系统组成。它垂直安装，节省空间，故名“立式”。
② 功能：这是系统的核心换热部件。机房内的热空气在冷却器内部与冰冷的换热盘管表面进行热交换，从而被冷却。
（2）喷雾淋水装置
① 组成：包括高压水泵、精密过滤器、高压水管和雾化喷嘴。
② 安装位置：喷嘴通常安装在立式冷却器的进风口外侧，或者直接对准冷却器的换热盘管。
③ 功能：将水雾化成极其细微的水珠（直径通常为10-50微米），增大水与空气的接触面积。
（3）通风管网系统
① 组成：送风管道、回风管道、防火阀、调节阀等。
② 功能：负责组织机房内的空气流动。将热空气引导至立式冷却器，并将冷却后的冷空气输送回机房。
（4）控制系统
① 组成：温湿度传感器、控制器、电控箱。
② 功能：监测机房环境温度和控制整个系统的启停与运行模式。当温度达到设定上限时，启动系统；温度降低后，停止或降频运行。
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图4 立式冷却器 |
2、系统工作原理详解
整个工作过程可以分为三个层面来理解：空气循环、换热冷却和智能控制。用立式冷却器降温的电站通风系统原理如图4所示。
（1）空气循环路径
① 回风（热空气）：发电机组运行时产生大量热量，使机房环境温度升高。这部分热空气通过回风管道，在冷却器顶部风机的抽吸作用下，被强制送入立式冷却器的内部。
② 送风（冷空气）：热空气在冷却器内被冷却后，变成冷空气，通过送风管道被重新输送回发电机房，对发电机组进行冷却，完成一个完整的空气循环。
（2）核心冷却原理（喷雾+换热）
这是该系统最巧妙的地方，它结合了两种冷却方式：
① 直接蒸发冷却（喷雾淋水）：高压水泵将水加压，通过雾化喷嘴产生微米级的水雾，喷洒在立式冷却器的进风区域或换热盘管表面。这些微小的水珠迅速吸收流经此处的热空气的热量，并蒸发成水蒸气。水的蒸发过程是一个强烈的吸热过程，能显著降低空气的干球温度。
② 间接表面换热（通过冷却器盘管）：经过喷雾预冷却的空气，温度已经降低，然后流经冷却器内部的换热盘管。换热盘管内部流动着常温的冷却水（或乙二醇溶液）。盘管壁作为换热面，空气与盘管内的冷媒进行热交换，热量被进一步带走。
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图4 立式冷却器降温的电站通风系统 |
3、系统优点
（1）高效节能：充分利用水的蒸发吸热原理，制冷效率高，比传统机械制冷空调省电约30%-50%。
（2）温湿度控制精确：通过间接换热，避免了向机房内直接加湿，能更好地控制环境湿度，保护发电机组电气设备。
（3）大风量、高换气率：系统风量大，能快速带走设备热量，防止局部过热。
（4）节省空间：立式设计非常适合空间有限的地下机房。
（5）增强可靠性：多级冷却模式，即使某一级出现故障，其他级仍能提供一定的冷却能力。
总结：
“柴油发电机自带水箱+开式水池冷却方式”是一种非常经典和可靠的发电机组冷却系统方案，特别适用于需要长时间连续运行（如作为主用电源）或功率较大的场合。而喷雾淋水装置与立式冷却器通风系统它通过将直接蒸发冷却技术与间接换热技术相结合，形成一个高效的复合式冷却系统。相比传统的前者，它更节能，冷却效果更好，同时对机房内的湿度影响更小。
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