火電廠變頻器室循環(huán)冷卻水供冷的通風(fēng)方案

李子彥

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)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(shí)施，變頻裝置在一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵、疏水泵、循環(huán)水泵、空冷島風(fēng)機(jī)等設(shè)備中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是變頻裝置在運(yùn)行中有2%～4%左右的功耗會(huì)變成熱量，這些熱量不及時(shí)排除，將會(huì)造成變頻器發(fā)生超溫故障報(bào)警，影響設(shè)備的正常運(yùn)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(yán)重，而變頻器對(duì)環(huán)境溫濕度有要求，同時(shí)對(duì)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(jìn)風(fēng)口及排風(fēng)口過(guò)濾網(wǎng)的堵塞，造成通風(fēng)不暢，使柜內(nèi)溫度升高，出現(xiàn)設(shè)備超溫故障，并對(duì)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(jì)、節(jié)能的通風(fēng)降溫系統(tǒng)是設(shè)計(jì)人員方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本文中通過(guò)對(duì)常見(jiàn)變頻器室降溫通風(fēng)系統(tǒng)的比對(duì)及案例分析，對(duì)變頻器室采用冷卻循環(huán)水供冷的通風(fēng)方案進(jìn)行了探討，希望能對(duì)以后工程設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

1 變頻器室內(nèi)環(huán)境要求

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

表1 變頻裝置的運(yùn)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(jiàn)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(jiàn)表2。

表2 變頻裝置冷卻方式的對(duì)比

直流通風(fēng)冷卻方式受當(dāng)?shù)赝L(fēng)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(fēng)量很大的全新風(fēng)直流，對(duì)取風(fēng)點(diǎn)的空氣潔凈度及通風(fēng)設(shè)備空氣過(guò)濾器的要求較高。由于電廠內(nèi)運(yùn)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(guò)濾網(wǎng)清洗頻繁，運(yùn)行維護(hù)壓力很大。直流蒸發(fā)冷卻方式由于送風(fēng)溫度低，降低了通風(fēng)所需的新風(fēng)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(hù)工作量也大。

基于潔凈的考慮，業(yè)主對(duì)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(jì)時(shí)就明確提出變頻器室采用柜式空調(diào)機(jī)組來(lái)進(jìn)行密閉式降溫冷卻，以防止室外污染空氣進(jìn)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(huì)造成能源的二次浪費(fèi)，變頻器室本身布置就很緊湊，空調(diào)機(jī)布置往往也成問(wèn)題，而且冷媒直接蒸發(fā)的空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度過(guò)低會(huì)造成變頻器控制機(jī)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(biāo)僅為密閉式空調(diào)冷卻的0.2倍，避免二次能源的浪費(fèi)。相比較于直流冷卻通風(fēng)的方式，空－水冷卻封閉循環(huán)的通風(fēng)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(zhǎng), 減輕了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)量和人力成本?？眨鋮s方式具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、設(shè)備(包括變頻裝置及冷卻通風(fēng)設(shè)備)成本及運(yùn)行成本較低、可靠性高的特點(diǎn)。所以，在用戶現(xiàn)場(chǎng)有循環(huán)冷卻水供水時(shí)，變頻器室通風(fēng)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(jī)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(jī)房8.60 m層內(nèi)一個(gè)12 m×5 m×5.5 m(高)的獨(dú)立房間內(nèi)，設(shè)備的平面布置圖見(jiàn)圖1。變頻裝置由1個(gè)變壓器柜、1個(gè)功率單元柜、2個(gè)旁路柜和1個(gè)控制柜組成，變頻裝置的高度為2.65 m，變頻裝置為下進(jìn)線，設(shè)備發(fā)熱量參數(shù)見(jiàn)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(jì)

用不燃保溫材料作為室內(nèi)吊頂將變頻器室隔離成熱風(fēng)區(qū)和冷風(fēng)區(qū)。熱風(fēng)區(qū)可作為排風(fēng)的均壓箱，熱風(fēng)經(jīng)風(fēng)道由空氣處理機(jī)組吸入空冷冷卻器進(jìn)行熱交換，見(jiàn)圖2。

變頻裝置變壓器及功率單元柜門(mén)上有若干個(gè)過(guò)濾進(jìn)風(fēng)口。變頻器運(yùn)行時(shí)，變頻器頂部自帶的風(fēng)機(jī)工作，經(jīng)空氣處理機(jī)組空－水冷換熱器冷卻后的低溫空氣通過(guò)變頻器盤(pán)柜的進(jìn)風(fēng)口直接進(jìn)入變頻裝置內(nèi)部，冷卻各元件后設(shè)備排風(fēng)機(jī)排入熱風(fēng)區(qū)，再回到空氣處理機(jī)組進(jìn)行過(guò)濾與冷卻，如此循環(huán)往復(fù)達(dá)到降溫目的。

將變頻器室分隔為兩個(gè)區(qū)域有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其一，變頻裝置制造廠商在無(wú)法滿足在變頻盤(pán)柜上加設(shè)排風(fēng)帽的情況下將全部的設(shè)備排風(fēng)排出，使冷風(fēng)區(qū)和熱風(fēng)區(qū)隔離；其二，由于變頻盤(pán)柜上多臺(tái)離心風(fēng)機(jī)性能與空氣處理機(jī)組送風(fēng)機(jī)有著較大的不同，熱風(fēng)區(qū)勻壓箱能起到穩(wěn)壓作用，減少多臺(tái)不同性能風(fēng)機(jī)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(jìn)風(fēng)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(guò)設(shè)計(jì)溫度，在變頻器室內(nèi)另設(shè)置單元柜機(jī)備用。

圖2 空－水冷卻系統(tǒng)的氣流組織形式

3.2 熱風(fēng)平衡計(jì)算

由于變頻器室內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度一般≤40℃，所以不考慮圍護(hù)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(fēng)機(jī)排出至熱風(fēng)區(qū)，另一部分則散發(fā)到冷風(fēng)區(qū)，最終由變頻裝置的排風(fēng)機(jī)排出到熱風(fēng)區(qū)。變頻器室內(nèi)夏季通風(fēng)按公式(1)～(7)進(jìn)行熱風(fēng)平衡計(jì)算。根據(jù)送排風(fēng)風(fēng)量和設(shè)備發(fā)熱量，出送風(fēng)溫度ts便可得到排風(fēng)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(fēng)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(fēng)量(kg/s)，取 值 為13.2 kg/s；Gp為排風(fēng)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(fēng)溫度(℃)；tp為排風(fēng)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(jì)

火力發(fā)電廠凝汽式機(jī)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(diǎn)，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(jiàn)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(jìn)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(lái)滿足空氣處理機(jī)組冷卻盤(pán)管的負(fù)荷，其中空氣處理機(jī)組按照2×50%容量配置。由于電廠中央循環(huán)水泵的揚(yáng)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(jī)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(yáng)程選取100 kPa，并按照2×100%容量配置，水系統(tǒng)圖見(jiàn)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(jī)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(jī)組的空氣冷卻器的送風(fēng)溫度至少比冷卻水進(jìn)口溫度高3.5℃，對(duì)于31.50℃冷卻水供水溫度而言，空－水冷卻系統(tǒng)的送風(fēng)溫度ts≥35℃。送風(fēng)溫度的大小將對(duì)空氣處理機(jī)組冷卻盤(pán)管的排數(shù)、盤(pán)管空氣阻力、盤(pán)管水側(cè)阻力、風(fēng)機(jī)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(jī)組按照2×50%熱容量配置，并考慮冷卻盤(pán)管設(shè)計(jì)裕量為1.2，則取每臺(tái)空氣處理機(jī)組的冷卻量為80 kW，風(fēng)量為6.6 kg/s。通過(guò)熱風(fēng)平衡計(jì)算和設(shè)備選型計(jì)算，可得到不同送風(fēng)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(jiàn)表5。

表5 不同送風(fēng)溫度下的技術(shù)對(duì)比

從表5可看出，在冷卻水供/回水溫度為31.5/40.5℃時(shí)，通過(guò)空－水冷換熱器可使室內(nèi)溫度維持在36℃～40℃，且對(duì)于不同的機(jī)組送風(fēng)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(yùn)行可靠性而要求室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度≤35℃時(shí)，可在室內(nèi)配置單元風(fēng)冷柜機(jī)來(lái)滿足夏季室內(nèi)溫度的要求，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行及控制也較為簡(jiǎn)單。所需風(fēng)冷柜機(jī)的制冷量可按公式(8)來(lái)計(jì)算：

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

對(duì)應(yīng)本案例，當(dāng)系統(tǒng)送風(fēng)溫度為35℃(對(duì)應(yīng)室內(nèi)溫度約為36℃)，變頻器室要滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為35℃時(shí)，需要增加13 kW的制冷量，即需2臺(tái)3HP的柜機(jī)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(jī)組的空氣過(guò)濾器僅用來(lái)消除少量變頻裝置自發(fā)性發(fā)塵量，可大大延長(zhǎng)變頻裝置本體過(guò)濾網(wǎng)的清洗周期。

3.5系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析

系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性也是選用何種冷卻方式的主要原因。以上述電廠為實(shí)例，在保證變頻裝置運(yùn)行環(huán)境潔凈的前提下，對(duì)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(jì)性進(jìn)行分析比較，見(jiàn)表6。若需要室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度≤35℃，空－水冷卻系統(tǒng)中2臺(tái)風(fēng)冷柜機(jī)僅在7月、8月運(yùn)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(jià)0.7元/kWh，一年可節(jié)省約27萬(wàn)元。

表6 兩種冷卻方式的經(jīng)濟(jì)對(duì)比

4 結(jié)論

本文從變頻器室降溫通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備的選擇、氣流組織、水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和熱風(fēng)平衡計(jì)算對(duì)室內(nèi)空氣潔凈度、送風(fēng)溫度、室內(nèi)溫度和耗電量進(jìn)行分析，認(rèn)為空－水閉式冷卻的通風(fēng)方式不但經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、安全，而且能滿足對(duì)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(pán)柜排風(fēng)機(jī)不能滿足加設(shè)排風(fēng)帽直接排風(fēng)條件時(shí)，具有一定的借鑒意義。

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

[2] GB/T 12668．4－2006，調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 第4部分：一般要求交流電壓1000 V以上但不超過(guò)35 kV的交流調(diào)速電氣傳動(dòng)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(jì)導(dǎo)則[S]．

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