直接空冷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)變頻器群水冷系統(tǒng)研究

崔超

(中國大唐科技工程有限公司，北京 100097)

直接空冷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)變頻器群水冷系統(tǒng)研究

崔超

(中國大唐科技工程有限公司，北京 100097)

直接空冷系統(tǒng)變頻器布置集中，夏季高溫天氣下變頻器群運(yùn)行時經(jīng)常超溫報警，影響電廠安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。對變頻器群超溫報警原因進(jìn)行分析，提出了外加水冷系統(tǒng)的解決方案，實(shí)際運(yùn)行效果良好且節(jié)能環(huán)保，有效延長了變頻器的使用壽命。

直接空冷系統(tǒng);風(fēng)機(jī)；變頻器群; 散熱; 水冷系統(tǒng)

0 引言

我國燃煤電廠的發(fā)展受到水資源短缺的制約，一座濕冷電廠的耗水量相當(dāng)于10～15座同容量空冷電站的耗水量，所以發(fā)展空冷技術(shù)是解決這一問題的重要途徑[1]?；诳绽浼夹g(shù)的空冷電站的建設(shè)和運(yùn)行具有極好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。直接空冷系統(tǒng)由于設(shè)備少、系統(tǒng)簡單、基建投資較少、占地面積小，應(yīng)用比較廣泛。直接空冷系統(tǒng)通常采用機(jī)械通風(fēng)冷卻，一個2×300 MW機(jī)組的直接空冷系統(tǒng)需要配備56～64臺大型風(fēng)機(jī)，每臺風(fēng)機(jī)配備1臺變頻器。多臺變頻器布置在一個變頻器室內(nèi)，形成了一定規(guī)模的變頻器群。夏季高溫天氣時，變頻器群散熱量大，空調(diào)制冷無法滿足變頻器群散熱要求，變頻器經(jīng)常超溫報警，導(dǎo)致部分部件損壞，從而使變頻器無法工作，嚴(yán)重影響直接空冷系統(tǒng)的運(yùn)行和機(jī)組發(fā)電功率，變頻器群的散熱問題已成為影響電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的問題之一。本文對變頻器群運(yùn)行中超溫報警的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 原因分析

2014年年初，中國大唐集團(tuán)科技工程有限公司承接了某2×300 MW電廠直接空冷系統(tǒng)的設(shè)計和供貨總承包合同，其中包含2臺機(jī)組共56臺風(fēng)機(jī)和變頻器的供貨，風(fēng)機(jī)功率為132 kW，變頻器的銘牌功率至少應(yīng)為160 kW，以滿足過載運(yùn)行和啟動要求。2014年12月，電廠完成168 h試運(yùn)行。2015年6月，電廠反饋夏季高溫天氣時直接空冷風(fēng)機(jī)變頻器經(jīng)常超溫報警。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，夏季高溫天氣時柜體表面溫度可達(dá)80～90 ℃(內(nèi)部溫度更高)，造成變頻器室內(nèi)環(huán)境溫度過高，多次顯示(模塊溫差大)報警。變頻器屬于大型電子設(shè)備，對環(huán)境溫度要求較嚴(yán)格，溫度的變化會影響元器件的開通和關(guān)斷，溫度過高時甚至?xí)?dǎo)致功率開關(guān)元器件永久損壞，從而使變頻器無法工作[2]。

目前，各種變頻器的工作效率通常為96%～98%，其中2%～4%的功率損耗主要以熱量的形式散失在周邊環(huán)境中，如果不能及時有效地降低變頻器機(jī)房的環(huán)境溫度，將直接危及變頻器本體的安全。為確保變頻器長期、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，必須保證變頻器機(jī)房的溫度在-5～40 ℃。

常規(guī)變頻器一般采用風(fēng)冷方式降溫：充分考慮元件發(fā)熱因素，柜內(nèi)風(fēng)扇與變頻器采用閉鎖裝置，只有風(fēng)扇啟動變頻器才能運(yùn)行；設(shè)置一定的散熱空間及風(fēng)冷通道，同時裝設(shè)排氣扇等機(jī)械通風(fēng)裝置；變頻器室內(nèi)設(shè)置空調(diào)，用于調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。采用風(fēng)冷方式降溫，夏季高溫天氣時變頻器經(jīng)常超溫報警，影響變頻器的工作性能，甚至導(dǎo)致部分部件損壞，從而使變頻器無法工作，變頻器室內(nèi)空調(diào)調(diào)節(jié)溫度能力差、能耗大。

經(jīng)過分析，認(rèn)為主要存在如下幾個問題：(1)每臺機(jī)組28臺風(fēng)機(jī)變頻器集中布置在一個房間內(nèi)，形成了一個變頻器群，散熱量過大；(2)空調(diào)選型時未充分考慮變頻器散熱要求，選型偏小；(3)變頻器長時間運(yùn)行，柜體內(nèi)有積灰，影響散熱。

通過分析，夏季室外環(huán)境溫度太高是主要原因，單憑室內(nèi)空調(diào)降溫?zé)o法滿足變頻器群的散熱要求。為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種變頻器冷卻方案，能夠使變頻器的散熱效率更高、更節(jié)能、可靠性更高。

2 解決方案

經(jīng)過研究，提出了2套方案：第1套方案是將空調(diào)數(shù)量增加1倍，制冷量由90 kW增加至180 kW；第2套方案是增加1套基于變頻器群的水冷系統(tǒng)，制冷量為180 kW。

從投資成本方面來說，第1套方案較好，但是長期運(yùn)行成本較高，且不符合節(jié)能方針。第2套方案可以利用電廠廉價的循環(huán)水資源，長期運(yùn)行成本低。經(jīng)各方討論和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，決定采用第2套方案。

變頻器常用的空氣冷卻方式包括強(qiáng)制風(fēng)冷和水冷，散熱效果對比見表1[3]。該方案采取外加水冷散熱系統(tǒng)的措施，既解決了內(nèi)置水冷模塊的成本高昂問題，又達(dá)到了極佳的散熱效果，可有效調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，節(jié)約空調(diào)電費(fèi)。

表1 變頻器冷卻裝置散熱效果對比

變頻器群水冷散熱系統(tǒng)方案：7臺變頻器共用1套水冷散熱器，由每面柜的柜頂引出一段風(fēng)道集合到一段匯流風(fēng)道，匯流風(fēng)道里設(shè)有增壓風(fēng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)，將每面柜的熱風(fēng)引至冷卻系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，冷卻后的空氣再經(jīng)過風(fēng)道排入室內(nèi)，形成空氣循環(huán)；冷卻系統(tǒng)與電廠循環(huán)水系統(tǒng)連接，以循環(huán)水作為冷卻介質(zhì)(要求循環(huán)水溫度≤33 ℃)，通過冷卻水不斷帶走熱交換器里空氣的熱量，從而達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的，形成水系統(tǒng)的循環(huán)。

風(fēng)向流程：變頻器室內(nèi)冷風(fēng)→變頻器內(nèi)部軸流風(fēng)機(jī)→發(fā)熱元件→熱風(fēng)→風(fēng)道→水冷散熱器→冷風(fēng)→冷卻系統(tǒng)加壓風(fēng)機(jī)→變頻器室內(nèi)冷風(fēng)。

冷卻水流程：循環(huán)冷卻水供水→水冷散熱器→循環(huán)冷卻水回水。

變頻器冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖和簡圖如圖1、圖2所示。變頻器群水冷散熱系統(tǒng)主要包括熱風(fēng)通道、水冷散熱器、冷卻水通道3部分。變頻器柜頂部連接熱風(fēng)通道的進(jìn)風(fēng)口，熱風(fēng)通道的出風(fēng)口連接水冷散熱器外殼頂部的進(jìn)風(fēng)口；水冷散熱器外殼的出風(fēng)口上設(shè)置有百葉窗，變頻器柜下部設(shè)置有具有百葉窗的進(jìn)風(fēng)口，水冷散熱器的外殼內(nèi)設(shè)置有換熱管，換熱管連接冷卻水通道。

圖1 變頻器冷卻系統(tǒng)原理圖

圖2 變頻器冷卻系統(tǒng)簡圖

冷卻水通道包括供水通道和回水通道，水冷散熱器的換熱管兩端分別連接供水通道和回水通道。換熱管在水冷散熱器外殼空腔中多層次排列，換熱管沿水冷散熱器進(jìn)風(fēng)口—出風(fēng)口的方向逐層排列。

變頻器群水冷散熱系統(tǒng)在變頻器柜的出風(fēng)口連接熱風(fēng)通道，熱風(fēng)通道與水冷散熱器連接。變頻器柜內(nèi)的熱空氣從熱風(fēng)通道流向水冷散熱器，水冷散熱器內(nèi)的換熱管道冷卻熱空氣，冷卻后的空氣從水冷散熱器的出風(fēng)口吹出并通過變頻器柜的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入變頻器柜。水冷散熱器內(nèi)的冷卻水與空氣進(jìn)行熱交換，使得空氣冷卻，冷空氣流入變頻器柜進(jìn)而使整個變頻器柜溫度降低。在變頻器柜的頂部設(shè)置出風(fēng)口，下部設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，熱空氣從變頻器柜頂部流出，冷空氣從變頻器柜底部流入，對變頻器柜內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行冷卻降溫，變頻器的散熱效率更高、更節(jié)能。

3 運(yùn)行效果

方案實(shí)施后電廠反饋良好，不僅解決了變頻器超溫報警的問題，還節(jié)約了大量空調(diào)電費(fèi)，優(yōu)點(diǎn)如下。

(1)采用水冷散熱系統(tǒng)，散熱效果好。該系統(tǒng)徹底解決了夏季變頻器散熱難題，有利于變頻設(shè)備的長周期穩(wěn)定運(yùn)行，可延長變頻設(shè)備的使用壽命[4]。

(2)節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益明顯。夏季停止使用空調(diào)，可以節(jié)約大量電費(fèi)。

(3)采用循環(huán)冷卻水作為水冷介質(zhì)，成本低。普通水源水質(zhì)較差，水中雜質(zhì)較多，運(yùn)行一段時間后容易造成堵塞，導(dǎo)致水冷換熱器無法進(jìn)行熱量交換[5]。循環(huán)冷卻水是電廠專用設(shè)備冷卻水，經(jīng)過多級處理，水中雜質(zhì)較少，運(yùn)行成本低，可以循環(huán)利用。

(4)幾臺變頻器共用1套水冷散熱系統(tǒng)，可以減小風(fēng)道質(zhì)量及水冷散熱器數(shù)量，便于布置。

4 效益分析

該技術(shù)方案可以有效改善變頻器運(yùn)行環(huán)境，提高變頻器可靠性和使用壽命；結(jié)構(gòu)簡單，因地制宜充分利用電廠循環(huán)水資源，運(yùn)行成本低。水冷散熱系統(tǒng)運(yùn)行成本：循環(huán)水量約為13.9L/s，散熱功率約為180kW，消耗功率P=qVgh/η=13.9×9.8×30÷0.75÷1000=5.5(kW)(式中：qV為體積流量，取13.9L/s；g為重力加速度，取9.8m/s2；h為高度，取30m；η為效率，取0.75)；每臺加壓風(fēng)機(jī)額定功率為0.75kW，則風(fēng)機(jī)消耗功率=0.75×4=3.0(kW)；共消耗功率8.5kW。

按照180 kW的制冷量，空調(diào)消耗功率為60～78 kW。按每年高溫天氣4 個月計算，使用空冷器可節(jié)約用電(60-8.5)×24×30×4=148 320 (kW·h)。按電價為0.3元/(kW·h)計算，可節(jié)約電費(fèi)約4.45萬元。

該項(xiàng)目設(shè)備投資約為8萬元，其他費(fèi)用約為2萬元，總投資10萬元，投資回收期為2～3年。

5 結(jié)束語

增加水冷系統(tǒng)后，徹底解決了夏季火電廠直接空冷變頻器群散熱難題，有利于變頻器的長周期穩(wěn)定運(yùn)行，可有效延長變頻器的使用壽命。夏季停止使用空調(diào)，可以節(jié)約用電。

該變頻器群水冷散熱系統(tǒng)已成功應(yīng)用，運(yùn)行良好。該系統(tǒng)屬于小型技改，既節(jié)能環(huán)保，又能延長變頻器壽命，應(yīng)用前景廣闊。

[1]束紅，陳杰.直接空冷與間接空冷機(jī)組的工程造價及經(jīng)濟(jì)性分析[J].山東電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2011,14(6):35-39.

[2]王丹，毛承雄，范澍，等.高壓變頻器散熱系統(tǒng)的設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2005,39(2):115-117.

[3]黃煒，何人望，周瑜.高壓變頻器散熱系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2006,23(5):105-108.

[4]劉兆偉,江飛虹.通用變頻器散熱系統(tǒng)設(shè)計[J].變頻器世界，2007(9):73-74.

[5]趙吉金，王偉峰，冶文軍，等.ABB水冷變頻器水冷系統(tǒng)故障分析及解決方法[J].電子世界，2013(10):90.

(本文責(zé)編：劉芳)

2017-05-04；

:2017-07-10

TM 621

：B

：1674-1951(2017)09-0034-02

崔超(1980—)，男，河南商丘人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事電廠空冷、大氣污染物排放控制方面的工作(E-mail:cuic@cdte.com.cn)。