转轮除湿在水电站的设计应用

空气除湿有冷却除湿、压缩除湿、固体吸附除湿、液体吸收除湿等多种方式,转轮除湿是固体吸附除湿的一种,采用涂布高效吸湿剂的蜂窝状转轮来吸收空气中的水分,从而达到干燥去湿的作用,是近年来在中国逐步发展起来的一种除湿新技术。

转轮除湿的机理

耐高温陶瓷由成型机制成蜂窝状转轮,再将高效吸湿材料———硅胶经高温烧结工艺( 或其他特殊工艺) 涂布于蜂窝表面。在除湿段内部,由密封系统将转轮分为处理区和再生区。当湿空气通过处理区时,转轮上的硅胶将空气中的水分以物理方式吸附于蜂窝间隙,水蒸气同时发生相变,释放出凝结热,处理空气因水分减少和吸收潜热而变成干的热空气; 同时,在再生区域,再生风经过加热后变成高温低湿( 相对湿度) 的再生空气( 一般为100 ~ 140℃) ,穿过吸湿后的饱和转轮,使转轮中已吸附的水分蒸发,从而恢复转轮的除湿能力。转轮在除湿过程中,由驱动电机带动,每小时旋转8 ~ 42 转,不断重复吸湿再生动作,以保证除湿是一个连续的过程。

转轮除湿在理论上是一个等焓过程,水分子相变放出的潜热被处理空气吸收,处理空气实现等焓升温减湿。但在实际工程中,由于再生空气的加热作用,转轮会达到高温,高温转轮在处理区除了吸附处理空气中的水分外,还对处理空气产生加热作用,导致处理空气焓值上升,温度进一步升高( 通常处理空气在转轮出口会达到40 ℃以上) 。在实际工程中,为了降低转轮负荷,提高转轮的效率,达到绿色节能的目的,常常在转轮入口加设预冷盘管。根据转轮的特性,如果进口空气的温湿度越低,其除湿能力越强,转轮的利用效率越高。同时为了适应不同环境的送风温度要求,在转轮的出口增设后冷却( 加热) 盘管,也可称再冷( 热) 盘管,以达到适宜的送风出口温度( 一般设置为15 ~ 22 ℃)

目前常用的冷冻吸附联合除湿基本原理,转轮不断地转动,除湿机再生风机周而复始地进行,从而保证除湿机持续稳定的除湿状态。

转轮除湿的特点

由于转轮的结构特点和硅胶的超强吸附能力,转轮除湿较其他常规除湿技术而言,具有以下特点:

( 1) 常规冷冻除湿受冷冻水温的限制,处理空

气的露点一般不低于10 ~ 15 ℃,过低的蒸发温度表冷器有结霜的危险。而转轮除湿可轻易地获得0 ~-50 ℃的空气露点,除湿能力强,效率高。

( 2) 在运行操作方面,转轮除湿明显优于系统控制复杂的液体吸收式除湿机。转轮除湿机不产生腐蚀,不造成污染,吸湿剂不脱落,可长年运行,不需补充吸湿剂。

( 3) 设备体积小,安装简便,易于在新建、扩建

和技术改造中应用。

( 4) 转轮除湿机可采用电、蒸汽、燃气等能源进行再生,可选择多种再生方式。但转轮再生能耗较大。

( 5) 转轮再生温度可精确控制,采用n 级交流接触器有级控制+ 1 级可控硅无级调节,节约再生能源。根据再生能量控制、稳定和调节处理空气的湿度,可与系统控制一体化,也可单独控制。

( 6) 系统结构简单,转轮以低速运转,转动部件少,机械故障率低,维护保养工作量小。

行业应用

由于转轮除湿超低露点的强大除湿能力,近年来,逐步在化工、制药、电子、食品、仓储等众多工业领域得到了广泛应用。根据转轮除湿的技术特点,其特别适用于低温潮湿的环境以及对露点温度要求很高的场合,而常规机械制冷除湿由于蒸发温度的限制以及低温下蒸发器表面可能结霜的风险,限制了其在上述环境中的应用。

潮湿问题是中国国内水电站厂房的普遍现象,特别是大库容、低水温的地下式厂房,厂内岩洞壁面温度低,各种技术供排水管道管壁温度低,容易导致结露现象的发生,而洞壁岩体本身的渗水和厂内明沟的散湿,又加剧了这种现象发生的程度。而这种场合,是制冷除湿的短板,恰恰是转轮除湿的强项。

水电站行业长期以来采用的是冷却除湿方式,转轮除湿在水电站行业的应用还属于起步阶段。由于部分电站冷却除湿效果不理想,尤其是大库容、低水温地下电站,厂内空气潮湿,结露现象明显,具有除湿系统改造的需求,而转轮除湿面对行业需求,凭借其自身特点和技术优势,具有一定的应用前景。同时在新建电站的设计中,转轮除湿有可能作为比较方案胜出而获得应用。

据了解,目前中国设计中的水电站部分将采用转轮除湿技术,而已建成电站的除湿系统改造中,湖南东江水电站采用了转轮除湿机组,改造后系统运行良好,除湿效果明显; 贵州锦屏三板溪水电站除湿系统改造正在进行中,也拟采用转轮除湿和空调除湿相结合的联合除湿方式。

下面以贵州三板溪水电站除湿系统改造为例,分析转轮除湿在水电站的设计应用。

转轮除湿在三板溪水电站的应用

电站概况

三板溪水电站位于沅水干流上游清水江中下游,在贵州省锦屏县境内。电站安装4 台混流式水轮发电机组,总装机容量1 000 MW。电站厂房为地下式结构,地下洞室群由主机洞、母线洞、主变洞构成。主机洞从上至下依此分为发电机层、母线层、水轮机层、蜗壳层和锥管层; 主变洞分3 层,从上至下分别为GIS 开关站、管线层、主变层。进厂交通洞长约500 m,是主机洞与外界的主要交通通道。

厂内通风空调系统存在的问题

根据设计回访,与厂内工作人员进行深入交流并实地查勘,厂内通风空调系统主要存在以下问题:

( 1) 厂内空气湿度大

原设计对厂内散湿考虑不足,未考虑充分的除湿措施( 虽设置了空气处理,但除湿能力有限) ,尤其在潮湿季节( 每年的4—8 月) ,厂内空气非常潮湿( 水轮机层以下部位更为明显,经实地测量,相对湿度在( 80% ~ 98%) RH 之间,局部地方甚至达到100%RH) ,多部位积水、水管表面结露、设备及管道表面锈蚀,降低电气设备绝缘性能,有可能使自动化元件失灵或误动作,埋下安全隐患,严重影响厂内机电设备的长期稳定运行及厂内运行人员的身体健康。

( 2) 库水温度偏高

原设计利用坝前低温水作为天然冷源,但因来水不足,电厂长期低水位运行,坝前取水水温偏高( 平均17 ℃左右) ,偏离了原设计的坝前取水设定值( 14 ℃) ,不能满足设计要求,导致空气处理机组不能达到预定的降温除湿效果。

( 3) 空气处理机组长年停运由于空气处理机组过滤段迎风面锈蚀,空气处理机组长年不投运。空气处理机组使用的是天然冷源( 上游水库水) ,虽制冷和除湿能力不及机械冷源,但毕竟具有一定的除湿能力。该机组长年停运,不仅使厂内送风量得不到保证,而且使自然对流及在排风机开启的状态下产生的自然进风几乎没有得到任何降温及除湿处理( 进厂洞设置了离壁衬砌,除湿作用非常微弱) ,这样洞外进来的热湿空气加大了厂内的湿度,导致局部低温表面产生结露现象。

( 4) 厂内风量偏低

由于空气处理机组长年停运,部分排风机也是间歇运行甚至停运( 如母线洞排风机) ,通风系统仅有部分排风机运行,没有机械送风,导致厂内风量大幅偏离设计值,并且在部分区域形成通风死角,气流组织与原设计形成较大差异。

( 5) 风道系统紊乱

厂内部分风道未按设计要求形成( 如拱顶送风未完成) ,安装场进口门洞未按设计要求进行封堵( 设置可开启大门) ,导致厂内气流紊乱,进厂洞与主厂房因洞外风压作用发生频繁热湿交换,在潮湿季节大量湿空气进入厂内,增加了厂内湿度。

通风除湿系统改造

总体方案

( 1) 制冷与转轮联合除湿系统

鉴于上述厂内通风空调系统存在的问题,拟对厂内通风空调系统进行改造。由于目前厂内空气环境最大的问题是潮湿结露问题,因此改造的首要目的是除湿,其次是降温。由于地下厂房洞壁温度较低( 坝址区域地表面年平均温度为17. 8 ℃) ,技术供排水等水机管道的平均温度为17 ℃,并且有一定的波动性,因此要彻底解决潮湿结露问题,必须将厂内空气露点处理到14 ℃以下( 考虑了壁面及管道水温的波动性) ,并且要求系统设备具备一定的可调性,在较差或极端情况下,仍然具有足够的除湿能力,能将空气露点处理到更低状态。要达到上述目的,很显然,采用机械制冷与转轮除湿联合运行的系统设计,是比较适合的配置方式。

因此,根据本电站的实际情况,采用机械制冷与转轮除湿相结合的除湿冷却处理方式。并且为了最大限度地节约能源,除湿空调系统采用一次回风系统,保证厂内环境必须的新风量,最大限度地采用回风。

( 2) 新排风系统

原设计方案中排风系统仍然保留,但需对部分风机进行改造或更换,以达到不同的排风量要求。根据不同季节温度和湿度情况,除湿系统和排风系统采用不同的联合运行方式。

( 3) 风道系统改造

原设计方案为直流式通风系统,无回风循环,现根据新系统设计要求,在厂内进行回风风道系统改造,以实现一次回风系统循环,保证除湿空调系统的正常运转。

( 4) 水轮机层以下局部廊道除湿高程314,

310, 306 m 廊道位于水轮机层以下,温度较低,湿度很大,因无法实现回风循环并且空间狭小,采用移动式除湿机( 电制冷除湿方式) ,实现局部就地除湿和升温。根据移动式除湿机的布置位置和周围设备的布置情况,部分移动式除湿机可采用喷口送风形式,并且可考虑在廊道上方设置小型射流风机,保证廊道内空气的温湿度均匀。

通过三板溪水电站通风除湿改造设计运用实例,可以看出转轮除湿在大库容、低水温电站的应用是适宜的。根据转轮除湿机组的技术特性,为提高转轮的除湿效果,通常采用转轮除湿和空调冷却联合运行的模式。处理风先由机械冷源进行预冷却,初步除湿,然后再发挥转轮对低温潮湿空气除湿能力强的优势,由转轮进行第2 轮强化除湿,达到低露点、干空气的除湿效果。

由于地下厂房埋置较深,厂房距地表洞口一般有几百米甚至上千米的距离,转轮除湿的再生热湿空气的排放是一个难题。是用风管引出排出厂外还是就地降温去湿处理,要做一定的技术经济比较。对于改造工程而言,由于往往没有风管的布置位置,只能就地处理,就地处理以水库水冷却为佳,相对而言比较节能( 地下厂房一般具有较低水温水库水的条件) ; 对于新建电站的设计,如果距离洞口的距离在五六百米以内,排出厂外应当比较经济; 如果距离

洞口的距离在七八百米甚至千米以上,就地以水库水进行处理应该比较经济。一般而言,不建议采用机械制冷,那与目前建设资源节约型和谐社会的发展宗旨背道而离。

转轮除湿的再生耗能是转轮除湿技术应用的一个短板,以三板溪水电站转轮除湿选型计算为例,6万m3 /h 风量的机组,除湿量为468 kg /h,而再生功率达到了420 kW,对厂用电提出了较高的要求。如何在将来的实践中,研究转轮再生的新技术,突破自身发展瓶颈,将是转轮除湿技术发展需要面对并攻克的课题。

可以预见,随着转轮除湿技术的进步,转轮除湿必将在包括水电站在内的越来越多的工业领域获得更多的应用和发展。

转轮除湿在水电站的设计应用

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