李子彥

(中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063)

隨著火力發(fā)電廠節(jié)能減排要求的規(guī)范化實施，變頻裝置在一次風機、二次風機、凝結(jié)水泵、疏水泵、循環(huán)水泵、空冷島風機等設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛。但是變頻裝置在運行中有2%～4%左右的功耗會變成熱量，這些熱量不及時排除，將會造成變頻器發(fā)生超溫故障報警，影響設(shè)備的正常運行和使用壽命。燃煤電廠變頻器室一般布置在主廠房區(qū)域，周圍空氣粉塵污染較為嚴重，而變頻器對環(huán)境溫濕度有要求，同時對空氣的潔凈度也有很高的要求，含塵空氣容易造成變頻器柜本體進風口及排風口過濾網(wǎng)的堵塞，造成通風不暢，使柜內(nèi)溫度升高，出現(xiàn)設(shè)備超溫故障，并對設(shè)備元器件造成損害。因此，如何為變頻器室提供安全、經(jīng)濟、節(jié)能的通風降溫系統(tǒng)是設(shè)計人員方案設(shè)計的重點。本文中通過對常見變頻器室降溫通風系統(tǒng)的比對及案例分析，對變頻器室采用冷卻循環(huán)水供冷的通風方案進行了探討，希望能對以后工程設(shè)計提供借鑒與參考。

1 變頻器室內(nèi)環(huán)境要求

國標GB/T 12668.2－2002 《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng) 第2部分：一般要求 低壓交流變頻電氣傳動系統(tǒng)額定值的規(guī)定》及GB/T 12668.4－2006《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng) 第4部分：一般要求交流電壓1000 V以上但不超過35 kV的交流調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)額定值的規(guī)定》中對變頻裝置的運行環(huán)境要求見表1。

表1 變頻裝置的運行環(huán)境參數(shù)

2 變頻器室冷卻方式的選擇

目前的變頻器室常見的冷卻方式常用的有三種：直流冷卻、密閉式降溫冷卻方式和空－水冷卻，各冷卻方式的比較見表2。

表2 變頻裝置冷卻方式的對比

直流通風冷卻方式受當?shù)赝L干球溫度的限制往往不能很好的控制室內(nèi)溫度，而且由于采用風量很大的全新風直流，對取風點的空氣潔凈度及通風設(shè)備空氣過濾器的要求較高。由于電廠內(nèi)運行環(huán)境差，特別是在鍋爐房和電除塵區(qū)域，使得變頻器的過濾網(wǎng)清洗頻繁，運行維護壓力很大。直流蒸發(fā)冷卻方式由于送風溫度低，降低了通風所需的新風量，但其廣泛使用受到室外干濕球溫度的限制，且設(shè)備投資較高，耗水量較大，維護工作量也大。

基于潔凈的考慮，業(yè)主對變頻器室室內(nèi)空氣質(zhì)量尤為關(guān)注，很多業(yè)主在工程初步設(shè)計時就明確提出變頻器室采用柜式空調(diào)機組來進行密閉式降溫冷卻，以防止室外污染空氣進入室內(nèi)的可能。但是，變頻裝置自身是節(jié)能設(shè)備，采用空調(diào)密閉冷卻的方式則會造成能源的二次浪費，變頻器室本身布置就很緊湊，空調(diào)機布置往往也成問題，而且冷媒直接蒸發(fā)的空調(diào)機組送風溫度過低會造成變頻器控制機柜內(nèi)壁空氣結(jié)露，產(chǎn)生安全隱患。

空－水冷卻方式耗電指標僅為密閉式空調(diào)冷卻的0.2倍，避免二次能源的浪費。相比較于直流冷卻通風的方式，空－水冷卻封閉循環(huán)的通風系統(tǒng)使室外空氣與室內(nèi)隔絕，避免含塵空氣的侵入，保證了室內(nèi)空氣質(zhì)量，使變頻裝置濾網(wǎng)清洗周期大大延長, 減輕了現(xiàn)場設(shè)備維護量和人力成本。空－水冷卻方式具有系統(tǒng)簡單、設(shè)備(包括變頻裝置及冷卻通風設(shè)備)成本及運行成本較低、可靠性高的特點。所以，在用戶現(xiàn)場有循環(huán)冷卻水供水時，變頻器室通風可采用循環(huán)水供冷的空－水冷卻方式。

3 案例分析

以淮南某1000 MW發(fā)電機組的10 kV 凝結(jié)水泵變頻裝置為例，該變頻裝置布置在汽機房8.60 m層內(nèi)一個12 m×5 m×5.5 m(高)的獨立房間內(nèi)，設(shè)備的平面布置圖見圖1。變頻裝置由1個變壓器柜、1個功率單元柜、2個旁路柜和1個控制柜組成，變頻裝置的高度為2.65 m，變頻裝置為下進線，設(shè)備發(fā)熱量參數(shù)見表3。

圖1 凝結(jié)水泵變頻裝置平面布置圖

表3 凝結(jié)水泵變頻裝置的基本參數(shù)

3.1 氣流組織的設(shè)計

用不燃保溫材料作為室內(nèi)吊頂將變頻器室隔離成熱風區(qū)和冷風區(qū)。熱風區(qū)可作為排風的均壓箱，熱風經(jīng)風道由空氣處理機組吸入空冷冷卻器進行熱交換，見圖2。

變頻裝置變壓器及功率單元柜門上有若干個過濾進風口。變頻器運行時，變頻器頂部自帶的風機工作，經(jīng)空氣處理機組空－水冷換熱器冷卻后的低溫空氣通過變頻器盤柜的進風口直接進入變頻裝置內(nèi)部，冷卻各元件后設(shè)備排風機排入熱風區(qū)，再回到空氣處理機組進行過濾與冷卻，如此循環(huán)往復(fù)達到降溫目的。

將變頻器室分隔為兩個區(qū)域有三個優(yōu)點，其一，變頻裝置制造廠商在無法滿足在變頻盤柜上加設(shè)排風帽的情況下將全部的設(shè)備排風排出，使冷風區(qū)和熱風區(qū)隔離；其二，由于變頻盤柜上多臺離心風機性能與空氣處理機組送風機有著較大的不同，熱風區(qū)勻壓箱能起到穩(wěn)壓作用，減少多臺不同性能風機串聯(lián)系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象；其三，分區(qū)后因熱區(qū)側(cè)空氣溫度(即空－水冷卻換熱器空氣側(cè)進風溫度)升高，空－水冷卻換熱器換熱效率得到提高。

為了防止房間內(nèi)溫度在室外極端溫度條件下超過設(shè)計溫度，在變頻器室內(nèi)另設(shè)置單元柜機備用。

圖2 空－水冷卻系統(tǒng)的氣流組織形式

3.2 熱風平衡計算

由于變頻器室內(nèi)的設(shè)計溫度一般≤40℃，所以不考慮圍護結(jié)構(gòu)的得熱量。變頻裝置的大部分散熱量由自身的排風機排出至熱風區(qū)，另一部分則散發(fā)到冷風區(qū)，最終由變頻裝置的排風機排出到熱風區(qū)。變頻器室內(nèi)夏季通風按公式(1)～(7)進行熱風平衡計算。根據(jù)送排風風量和設(shè)備發(fā)熱量，出送風溫度ts便可得到排風溫度tp和室內(nèi)溫度tn。

式中：∑Q得為變頻器室內(nèi)得熱量之和(kW)；∑Q失為變頻器室內(nèi)失熱量之和(kW)；∑QS為變頻裝置的總發(fā)熱量(kW)，取值為130 kW；Q1為變頻裝置自帶排風排除的余熱量(kW)，取該設(shè)備總散熱量的90%；Q2為變頻裝置散發(fā)到室內(nèi)的余熱量(kW)，取該設(shè)備總散熱量的10%；GS為送風量(kg/s)，取 值 為13.2 kg/s；Gp為排風量(kg/s)，

取值為 1 3.2 kg/s；c為空氣比熱，c=1.01 kJ/(kg·℃)；tS為送風溫度(℃)；tp為排風溫度(℃)；tn為室內(nèi)溫度(℃)。

4.3 循環(huán)冷卻水及水系統(tǒng)設(shè)計

火力發(fā)電廠凝汽式機組的循環(huán)冷卻水具有水質(zhì)好、污染少、供水溫度低(供水溫度一般低于33.5℃)和流量穩(wěn)定等特點，非常適合做變頻器裝置空－水冷卻的冷源。案例中電廠的1～12月份的循環(huán)水供水溫度詳見表4。夏季，空－水冷卻系統(tǒng)可取31.50℃作為最高供水溫度。冷卻塔進出水溫差一般為8～10℃，空－水冷卻系統(tǒng)循環(huán)水供回水溫差取9℃。

空－水冷卻的水系統(tǒng)可從循環(huán)供回水管道上引出支路來滿足空氣處理機組冷卻盤管的負荷，其中空氣處理機組按照2×50%容量配置。由于電廠中央循環(huán)水泵的揚程僅考慮凝汽器管路系統(tǒng)的阻力，且空－水冷卻的空氣處理機組布置在變頻器室旁，為保證空－水冷卻系統(tǒng)的水系統(tǒng)具備足夠的輸送能力，在空－水冷卻系統(tǒng)的水系統(tǒng)中增設(shè)加壓泵。加壓泵揚程選取100 kPa，并按照2×100%容量配置，水系統(tǒng)圖見圖3。

圖3 空－水冷卻系統(tǒng)水系統(tǒng)示意圖

表4 二次循環(huán)機組循環(huán)水供水溫度

3.4 系統(tǒng)設(shè)備的選型及分析

空氣處理機組的空氣冷卻器的送風溫度至少比冷卻水進口溫度高3.5℃，對于31.50℃冷卻水供水溫度而言，空－水冷卻系統(tǒng)的送風溫度ts≥35℃。送風溫度的大小將對空氣處理機組冷卻盤管的排數(shù)、盤管空氣阻力、盤管水側(cè)阻力、風機選型及加壓泵選型產(chǎn)生影響。變頻裝置的滿載發(fā)熱量為130 kW，空氣處理機組按照2×50%熱容量配置，并考慮冷卻盤管設(shè)計裕量為1.2，則取每臺空氣處理機組的冷卻量為80 kW，風量為6.6 kg/s。通過熱風平衡計算和設(shè)備選型計算，可得到不同送風溫度下空－水冷卻系統(tǒng)的設(shè)備情況和室內(nèi)溫度情況，詳見表5。

表5 不同送風溫度下的技術(shù)對比

從表5可看出，在冷卻水供/回水溫度為31.5/40.5℃時，通過空－水冷換熱器可使室內(nèi)溫度維持在36℃～40℃，且對于不同的機組送風溫度，僅換熱器排數(shù)改變，電功率基本不變。

若室外極端高溫的出現(xiàn)而使循環(huán)冷卻水供水溫度上升，或者業(yè)主需要提高變頻器運行可靠性而要求室內(nèi)設(shè)計溫度≤35℃時，可在室內(nèi)配置單元風冷柜機來滿足夏季室內(nèi)溫度的要求，同時系統(tǒng)運行及控制也較為簡單。所需風冷柜機的制冷量可按公式(8)來計算：

式中：Qc為所需單元風冷柜機的制冷量(kW)；t'n為變頻器室要達到的溫度(℃)。

對應(yīng)本案例，當系統(tǒng)送風溫度為35℃(對應(yīng)室內(nèi)溫度約為36℃)，變頻器室要滿足室內(nèi)設(shè)計溫度為35℃時，需要增加13 kW的制冷量，即需2臺3HP的柜機即可。

該系統(tǒng)完全為室內(nèi)封閉循環(huán)，不與外界空氣接觸，空氣處理機組的空氣過濾器僅用來消除少量變頻裝置自發(fā)性發(fā)塵量，可大大延長變頻裝置本體過濾網(wǎng)的清洗周期。

3.5系統(tǒng)經(jīng)濟分析

系統(tǒng)的經(jīng)濟性也是選用何種冷卻方式的主要原因。以上述電廠為實例，在保證變頻裝置運行環(huán)境潔凈的前提下，對以單元柜式空調(diào)為冷源的空調(diào)密閉冷卻方式和空－水冷卻方式的經(jīng)濟性進行分析比較，見表6。若需要室內(nèi)設(shè)計溫度≤35℃，空－水冷卻系統(tǒng)中2臺風冷柜機僅在7月、8月運行。從表6可看出，空－水冷卻系統(tǒng)相比空調(diào)密閉冷卻方式，初投資少，且每年節(jié)約用電量385048 kWh，按照電價0.7元/kWh，一年可節(jié)省約27萬元。

表6 兩種冷卻方式的經(jīng)濟對比

4 結(jié)論

本文從變頻器室降溫通風系統(tǒng)設(shè)備的選擇、氣流組織、水系統(tǒng)設(shè)計和熱風平衡計算對室內(nèi)空氣潔凈度、送風溫度、室內(nèi)溫度和耗電量進行分析，認為空－水閉式冷卻的通風方式不但經(jīng)濟、節(jié)能、安全，而且能滿足對室內(nèi)空氣潔凈度的要求，值得火力發(fā)電廠中推廣使用。冷、熱分區(qū)的氣流組織方式，在變頻盤柜排風機不能滿足加設(shè)排風帽直接排風條件時，具有一定的借鑒意義。

[1] GB/T 1266 8．2－2002，調(diào)速電氣傳動系統(tǒng) 第2部分：一般要求 低壓交流變頻電氣傳動系統(tǒng)額定值的規(guī)定[S]．

[2] GB/T 12668．4－2006，調(diào)速電氣傳動系統(tǒng) 第4部分：一般要求交流電壓1000 V以上但不超過35 kV的交流調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)額定值的規(guī)定[S]．

[3] Q/DG 1－S008－2010，火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)則[S]．

[4] GB 5019－2003，采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S]．