智能變電站通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與經(jīng)濟技術(shù)指標分析

王 慧, 李冬梅, 李盛偉

(1.中國電力能源建設(shè)集團 天津電力設(shè)計院有限公司,天津 300081; 2.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 機械與控制工程學(xué)院,山東 東營 257000;3.國網(wǎng)天津市電力公司 經(jīng)濟技術(shù)研究院,天津 300171)

2017-05-20

王 慧(1989—),女,山東菏澤人,中國能源建設(shè)集團天津電力設(shè)計院有限公司工程師,碩士,主要從事智能變配電工程設(shè)計技術(shù)研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2017.03.010

智能變電站通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與經(jīng)濟技術(shù)指標分析

王 慧1, 李冬梅2, 李盛偉3

(1.中國電力能源建設(shè)集團 天津電力設(shè)計院有限公司,天津 300081; 2.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 機械與控制工程學(xué)院,山東 東營 257000;
3.國網(wǎng)天津市電力公司 經(jīng)濟技術(shù)研究院,天津 300171)

智能變電站的通風(fēng)系統(tǒng)是智能變電站智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分,是保障變電站設(shè)備安全可靠運行的重要技術(shù)措施。根據(jù)置換通風(fēng)的原理,結(jié)合機械驅(qū)動排風(fēng)和自然排風(fēng)的優(yōu)點,提出一種低位送風(fēng)、高位排風(fēng)的智能變電站通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案,可對送風(fēng)地點、送風(fēng)速度、送風(fēng)方向、送風(fēng)品質(zhì)等實現(xiàn)可控及對通風(fēng)系統(tǒng)的氣流流程優(yōu)化控制，并通過與典型通風(fēng)方式的比較，驗證新方案在增加一定通風(fēng)設(shè)備投資的條件下大大提高電氣設(shè)備間運行環(huán)境，且節(jié)能降耗效果顯著，確保3年可回收投資額。

智能變電站;通風(fēng)系統(tǒng);經(jīng)濟技術(shù)指標分析

1 變電站通風(fēng)系統(tǒng)簡述

智能變電站電氣房間的設(shè)備種類多、布置緊密,消防通風(fēng)系統(tǒng)是其重要的組成部分,也是保障變電站設(shè)備安全可靠運行的重要技術(shù)措施[1- 4]。

1.1 變電站通風(fēng)方式

根據(jù)空氣流動的驅(qū)動力不同,通風(fēng)方式可分為熱壓驅(qū)動的自然通風(fēng)方式、自然進風(fēng)機械排風(fēng)方式和機械通風(fēng)自然排風(fēng)方式。

1.1.1 熱壓驅(qū)動的自然通風(fēng)方式

指直接利用電氣設(shè)備散發(fā)的熱量產(chǎn)生的室內(nèi)外空氣溫度差所形成的熱壓,通過自然對流交換完成散熱的通風(fēng)方式,常應(yīng)用于一些夏季室外通風(fēng)溫度較低以及一些室內(nèi)溫度要求不高的地區(qū),其最大優(yōu)勢在于通風(fēng)系統(tǒng)的能耗低。并且,采用自然通風(fēng)散熱方式需要具備一些前提,主要有:(1)保證足夠的高度和進排風(fēng)面積;(2)室內(nèi)空氣與發(fā)熱設(shè)備之間充分的熱交換;(3)進風(fēng)無過濾而保持室內(nèi)空氣的潔凈度良好。

1.1.2 自然進風(fēng)機械排風(fēng)方式

為了有效控制室內(nèi)溫度,同時又盡量利用自然通風(fēng)系統(tǒng)能耗低的優(yōu)勢,學(xué)者們提出了自然進風(fēng)機械排風(fēng)方式,它在電氣設(shè)備發(fā)熱產(chǎn)生的熱壓作用的基礎(chǔ)上,附加了通風(fēng)設(shè)備產(chǎn)生的靜壓。與自然通風(fēng)相比有以下優(yōu)點:

(1)有效地保證通風(fēng)系統(tǒng)所需的風(fēng)量。根據(jù)計算確定的風(fēng)量,選擇排風(fēng)設(shè)備,實際運行中,只要保持進排風(fēng)通道的通暢,通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量就能滿足計算要求。

(2)縮小進風(fēng)口的面積。通過排風(fēng)設(shè)備的運行,進風(fēng)口處的室內(nèi)外壓差將會在原有熱壓的基礎(chǔ)上,附加了風(fēng)機產(chǎn)生的負壓,可以提高進風(fēng)速度,在同樣通風(fēng)量的前提下,減小進風(fēng)口的面積。

1.1.3 機械驅(qū)動的自然排風(fēng)方式

為了有效解決由于室外進風(fēng)而室內(nèi)分布不均,造成局部地點形成通風(fēng)死角的問題,學(xué)者們提出了機械驅(qū)動的自然排風(fēng)方式,與前兩種通風(fēng)系統(tǒng)相比,優(yōu)點如下:

(1)室外新風(fēng)全方位覆蓋設(shè)計區(qū)域,無死角。在機械送風(fēng)的驅(qū)動下,通過優(yōu)化風(fēng)管和送風(fēng)口的布置點,可將室外新風(fēng)全方位、無死角的送至設(shè)計區(qū)域的發(fā)熱體周圍,有利于快速散熱。

(2)機械驅(qū)動的自然排風(fēng)系統(tǒng)可有效的對進風(fēng)進行處理。在送風(fēng)裝置的前端加裝一些過濾、除濕、消毒、PM2.5處理等前置設(shè)備,有效地保證進入室內(nèi)空氣的品質(zhì),有利于變電站設(shè)備的安全運行環(huán)境。

(3)具有良好的節(jié)能效果及降噪效果。

1.2 常見通風(fēng)系統(tǒng)詬病

智能變電站中,設(shè)備種類繁多且所處環(huán)境復(fù)雜,溫度、濕氣、粉塵、噪聲等環(huán)境情況是通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的重要因素,也是變電站設(shè)備運行的關(guān)鍵;主要常見通風(fēng)系統(tǒng)詬病主要有:

(1)變電站電氣設(shè)備室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計基本沿用火力發(fā)電廠的一些設(shè)計方法,對變電站電氣設(shè)備室內(nèi)環(huán)境的影響因素缺乏系統(tǒng)分析和研究。

(2)電氣設(shè)備室采用自然進風(fēng)、軸流風(fēng)機機械排風(fēng)方案,配置的通風(fēng)系統(tǒng)噪聲偏大,或者系統(tǒng)啟動后,大量不經(jīng)過濾的室外空氣進入室內(nèi),導(dǎo)致電氣設(shè)備表面粉塵積聚,增加運行人員維護工作量,導(dǎo)致運行人員不愿啟動通風(fēng)設(shè)備、以至室內(nèi)環(huán)境溫度偏高。

(3)部分地方選用空調(diào)系統(tǒng)對設(shè)備房間進行降溫,不僅能耗增加,投資增加,過低的環(huán)境溫度還可能導(dǎo)致電氣設(shè)備表面發(fā)生凝露,影響電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

2 變電站智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

智能通風(fēng)系統(tǒng)是一種基于置換通風(fēng)原理的機械驅(qū)動和自然排風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)系統(tǒng)。

2.1 置換通風(fēng)原理

置換通風(fēng)原理是指通過優(yōu)化設(shè)計通風(fēng)的位置,以較低速在設(shè)計區(qū)域的下部送風(fēng),使設(shè)計區(qū)域范圍的氣流以類似層流的活塞流狀態(tài)緩慢向上移動,當氣流到達一定高度后,由于受外部熱源和區(qū)域頂板的影響,發(fā)生紊流現(xiàn)象,形成下部單向流動區(qū)和上部紊流混合區(qū)的兩個熱力分層現(xiàn)象,即上部紊流混合區(qū)和下部單向流動清潔區(qū),且智能變電站的主要設(shè)備安裝在下部區(qū)域,從而形成了良好的散熱效果。智能通風(fēng)熱力分層情況如圖1所示。

從置換通風(fēng)的設(shè)計原理不難發(fā)現(xiàn),該設(shè)計不僅受外部機械驅(qū)動的送風(fēng)動量控制,而且受設(shè)備散熱的熱浮升力作用,從而在發(fā)熱設(shè)備周圍形成煙羽。同時,煙羽因密度低于周圍空氣而上升,從而不斷卷吸周圍空氣并流向頂部,從而有利于氣流排放。

圖1 置換通風(fēng)原理圖

如果煙羽流量在設(shè)計區(qū)域的頂棚處大于送風(fēng)量,根據(jù)連續(xù)性原理,必將有一部分熱濁氣流下降,從而在頂部形成一個熱濁空氣層。根據(jù)連續(xù)性原理,在任一個標高平面上的上升氣流流量Qp等于送風(fēng)量Qs與回返氣流流量Qr之和。因此必將在某一個平面上煙羽流量Qp正好等于送風(fēng)量Qs,在該平面上回返空氣量等于零。

2.2 智能通風(fēng)系統(tǒng)特點

智能通風(fēng)的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)送風(fēng)地點可控。變電站內(nèi)不同的電氣設(shè)備其發(fā)熱部位不一致,為盡量減少發(fā)熱體對室內(nèi)溫度的影響,一般需要調(diào)整機械送風(fēng)的送風(fēng)口位置,將發(fā)熱體位于送風(fēng)氣流的下游段,可有效地維持室內(nèi)大部分區(qū)域的溫度,減少因室內(nèi)空氣混流造成的整個室內(nèi)環(huán)境溫度的普遍升高;同時,通過送風(fēng)點的選擇,有效消除室內(nèi)渦流區(qū),避免局部地點因渦流造成的溫度異常升高。

(2)送風(fēng)速度可控。為了維持電氣設(shè)備室的溫度分層界面穩(wěn)定在電氣設(shè)備的頂部,必須控制送風(fēng)裝置送風(fēng)口速度,既要滿足有效維持室內(nèi)溫度所需的合理通風(fēng)量,又要保持室內(nèi)空氣處于近似層流的穩(wěn)定流狀態(tài)。

(3)送風(fēng)方向可控。送風(fēng)裝置的送風(fēng)速度難以滿足維持室內(nèi)穩(wěn)定氣流組織時,可通過調(diào)整送風(fēng)方向,利用空氣擴散、反射等理論,使送風(fēng)裝置送出的新風(fēng)卷吸部分室內(nèi)氣流,速度下降后到達發(fā)熱部件周圍,使發(fā)熱部件周圍的空氣呈近似層流狀態(tài)。

(4)送風(fēng)品質(zhì)可控。根據(jù)室外氣候條件的變化和變電站所處的環(huán)境變化,送風(fēng)裝置可以對進風(fēng)進行過濾、控濕等,以有效保證室內(nèi)空氣品質(zhì)。

(5)送風(fēng)時機可控。智能通風(fēng)借助于智能控制系統(tǒng),根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境溫度變化,自動調(diào)整送風(fēng)裝置的送風(fēng)量,實現(xiàn)滿足設(shè)備運行環(huán)境溫度的節(jié)能運行。

(6)設(shè)備附加噪聲可控。通過對設(shè)備本體箱體、引風(fēng)管道的消聲處理,可有效防治設(shè)備噪聲對周圍環(huán)境的影響。

(7)通風(fēng)系統(tǒng)的氣流流程優(yōu)化控制。變電站作為一個綜合體建筑,可以利用各工藝設(shè)備房間的相互位置和室內(nèi)對環(huán)境溫度的要求不同,將相鄰房間作為一個整體考慮,既達到控制室內(nèi)溫度的目的,又簡化了通風(fēng)系統(tǒng)。

2.3 智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

智能通風(fēng)是以熱平衡原理、置換通風(fēng)理論為基礎(chǔ),以追求通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果為目標,在保持室內(nèi)合理的氣流組織前提下,適當提高了通風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)溫度,降低了通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)量,同時充分利用設(shè)備散熱形成的熱壓,降低送風(fēng)裝置的能耗;通過送風(fēng)裝置的控制優(yōu)化,實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的智能控制。

(1)氣流組織設(shè)計。智能系統(tǒng)采用房間下部機械送風(fēng),進入室內(nèi)的氣流可根據(jù)室內(nèi)設(shè)備的布置狀況、發(fā)熱部件的分布情況,送至相應(yīng)的區(qū)域,對設(shè)備散熱量有效吸收后,在熱壓和風(fēng)機靜壓的共同作用下,上升到室內(nèi)的上部空間,通過源源不斷的氣流補充,維持電氣設(shè)備周邊的溫度;排至上部空間的熱空氣溫度不斷上升,熱壓增加,通過設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)的排風(fēng)口排至室外;通過對送風(fēng)氣流的控制,將“分層界面”穩(wěn)定地控制在電氣設(shè)備的上方,從而實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境溫度的有效控制;然后,通過送風(fēng)點的優(yōu)化布置,讓室外新風(fēng)先經(jīng)過發(fā)熱量少的設(shè)備區(qū)域,最終到達主要發(fā)熱設(shè)備,就可以減少發(fā)熱設(shè)備對室內(nèi)其他環(huán)境的熱污染。

(2)排風(fēng)溫度的確定。常規(guī)的通風(fēng)系統(tǒng)由于采用的是自然進風(fēng)、機械排風(fēng),排風(fēng)溫度一般取設(shè)備的環(huán)境溫度;而智能通風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織形式,決定排風(fēng)口位于上部紊流區(qū)內(nèi),其溫度要明顯高于“分層界面”下設(shè)備周圍的溫度,即環(huán)境溫度,所以排風(fēng)溫度可以根據(jù)室內(nèi)電氣設(shè)備的種類和建筑高度,比室內(nèi)環(huán)境溫度提高3～5 ℃,而提高排風(fēng)溫度,也增加了進排風(fēng)溫差,可以減少系統(tǒng)通風(fēng)量,達到節(jié)能的目的。

(3)排風(fēng)口位置。智能通風(fēng)以排熱通風(fēng)為主,排熱通風(fēng)的排風(fēng)口,一般應(yīng)布置在房間的上部,接近梁底或板底,也是室內(nèi)溫度最高的區(qū)域。

(4)排風(fēng)口的面積。排風(fēng)口的面積應(yīng)滿足排風(fēng)量的要求,但是并不是排風(fēng)口面積越大越好。排風(fēng)口應(yīng)通過設(shè)計計算確定,并根據(jù)通風(fēng)設(shè)備運行參數(shù)進行調(diào)節(jié)控制。

(5)智能通風(fēng)設(shè)計。設(shè)置一臺智能通風(fēng)設(shè)備,新風(fēng)經(jīng)過濾后送入室內(nèi),送風(fēng)吸收室內(nèi)電氣設(shè)備散熱量后經(jīng)高位設(shè)置的防雨百葉排出室外(圖2)。

圖2 智能通風(fēng)示意圖

3 智能通風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟技術(shù)指標分析

為有效對比分析,參照《總變配電室土建及安裝工程施工組織設(shè)計》、《通風(fēng)與空調(diào)技術(shù)標準》原則,按照工程總造價、設(shè)備運維成本、投資回收周期等指標[5-13],進行經(jīng)濟技術(shù)對比分析,主要的指標計算公式如下:

(1)

式中,P為工程總造價,萬元;Ai是前期工程費,萬元,包括規(guī)劃設(shè)計費、可行性研究費、配套費等;n是前期工程費用的種類個數(shù)。Bj是設(shè)備總費用,萬元,包括風(fēng)機、排管、導(dǎo)管等;k是設(shè)備的種類總數(shù)。Cl是工程施工總費用,萬元,包括土建、人員、調(diào)試等;l是施工費用的種類總數(shù)。

R=Q1i+Q2i+Q3i+Q4i.

(2)

式中,R是設(shè)備運維總費用,萬元。Q1i是第i年設(shè)備的折舊費用,萬元;Q2i是第i年的運維人員費用,萬元;Q3i是第i年的設(shè)備維修費用,萬元;Q4i是第i年的能源費用,萬元。

一般投資回收期可分為靜態(tài)投資回收期和動態(tài)投資回收期,本文選用動態(tài)投資回收期。

(3)

式中,P是動態(tài)投資回收期,年;Pc是累積凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年數(shù);Ry是上一年累計凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值的絕對值;Rn是出現(xiàn)正值年份凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值。

為了進行經(jīng)濟技術(shù)分析對比的標準統(tǒng)一,設(shè)定基本的參數(shù)為:(1)年運行小時數(shù):8 000 h，按全年不間斷運行考慮;(2)能源費用:設(shè)備運行的電價格，0.875元/(kW·h)。機械送風(fēng)自然排風(fēng)方案(常規(guī)方案)和智能通風(fēng)方案的經(jīng)濟技術(shù)指標對比情況,如表1～3所示。

表1 主要設(shè)備投資比較表

表2 兩種方案用電負荷統(tǒng)計表

表3 兩種方案的經(jīng)濟技術(shù)指標

從表1～3可以看出:

(1)在通風(fēng)設(shè)備方面,智能方案的基本投資達到了4萬,相對偏高,是常規(guī)方案2萬的2倍;而智能方案的年用電僅僅2 400 kW·h,常規(guī)方案是8 000 kW·h,其實際電費智能方案僅僅不到常規(guī)方案的1/3,因此,3年基本可以回收全部超額的投資。

(2)從表3可知,智能方案的投資回收周期為5.2年,常規(guī)投資回收周期為14年,智能方案大大縮短投資回收期,且日常運維簡單,可實現(xiàn)無人值守,將會大大減少運維人員及其費用開銷。

(3)從表2可知,采用智能通風(fēng)控制系統(tǒng),與常規(guī)的控制方式相比,在實際運行過程中,系統(tǒng)本身的運行能耗將顯著下降,大大改善電氣設(shè)備間運行環(huán)境,同時,也在可靠地維持室內(nèi)的環(huán)境溫、濕度前提下,可提高現(xiàn)有設(shè)備的負載率。

4 結(jié)束語

低位送風(fēng)、高位排風(fēng)的智能變電站通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案,達到了減少工程總投資和運行維護工作量、降低項目總成本的目的,實現(xiàn)了對變電站電氣房間布置的優(yōu)化,可指導(dǎo)實際智能變電站的設(shè)備排放原則。

在該方案前提下,可最大限度將變電站中發(fā)熱量大的設(shè)備所在房間布置在夏季主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)口,利用風(fēng)壓自然通風(fēng),而將大部分發(fā)熱量相對較小的設(shè)備露天布置,從而達到節(jié)能環(huán)保的目標,為后續(xù)智能變電站的整體規(guī)劃建設(shè)提供一定的借鑒。

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[責(zé)任編輯]董大偉