基于熱電制冷技術(shù)的預(yù)制艙變電站防潮方案設(shè)計與試驗

周繼承，王流火，林濤，廖一鍵，韓鳳琴，杜兆斌，張堯

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523120；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510600；3.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

在當(dāng)前新時期環(huán)境下，國家提出了“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的工業(yè)化”的建設(shè)要求。移動式預(yù)制艙變電站作為新型的智能變電站建造模式，實現(xiàn)了設(shè)備的集成化、整體的模塊化、預(yù)制的工廠化和系統(tǒng)的整合化[1]，其“快速化、節(jié)約化、智能化”的設(shè)計建造理念與新時期工業(yè)建設(shè)要求相契合，將成為未來新型智能變電站建設(shè)的主流方式[2-4]。

智能變電站采用預(yù)制艙式建設(shè)方案，在建造周期、經(jīng)濟性和土地使用效率等方面優(yōu)勢顯著。然而，預(yù)制艙變電站布置緊湊且多建造于郊區(qū)，需要綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件、運行環(huán)境等實際情況來對艙體設(shè)計方案進行改進(如南方沿海濕熱地區(qū)側(cè)重于防強風(fēng)、防潮和防腐蝕性能，高寒地區(qū)則側(cè)重于防凍及保溫隔熱性能等)，實現(xiàn)差異化運營管理。廣東地處南亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)且臨近南海，氣候環(huán)境具有明顯的高溫、高濕、高鹽特點，外部環(huán)境溫度驟變、相對濕度增大等因素容易導(dǎo)致艙體內(nèi)部發(fā)生潮濕凝露的現(xiàn)象，進而降低設(shè)備的絕緣強度[5]，易引起設(shè)備故障[6]。

近年來，圍繞加熱除濕、通風(fēng)除濕、冷卻除濕技術(shù)及解決方案，國內(nèi)外學(xué)者及工程人員積極探索新型除濕技術(shù)[7]，開發(fā)新型除濕系統(tǒng)[8]，尤其是預(yù)制艙與箱式設(shè)備的防潮技術(shù)及措施[9-10]。

針對通風(fēng)除濕模式：王延盛等[11]提出柜內(nèi)通風(fēng)除濕解決方案，并比較分析正壓、負壓方案的優(yōu)劣；徐富強等[12]分析不同除濕方案的可靠性，結(jié)合下進風(fēng)和半導(dǎo)體冷凝除濕技術(shù)，有效解決了端子箱的濕氣排出問題；張煒等[13]對現(xiàn)有戶外環(huán)網(wǎng)柜的結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，分析結(jié)構(gòu)、通風(fēng)口位置與形狀、風(fēng)速等因素的影響，結(jié)果表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)和進風(fēng)口的形狀位置可改善通風(fēng)環(huán)境并增強防凝露的效果。傳統(tǒng)通風(fēng)除濕模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，有助于調(diào)節(jié)內(nèi)部環(huán)境的相對濕度，但屬于被動式相對濕度調(diào)節(jié)方式，不能滿足溫度、濕度驟變環(huán)境下的調(diào)節(jié)需求，需要與除濕設(shè)備或加熱設(shè)備相結(jié)合。

針對加熱除濕模式：張建文等[14]提出基于無功環(huán)流的主動熱控制技術(shù)，具有溫度調(diào)節(jié)范圍寬、受發(fā)電功率影響小等特點，但僅適用于防凝露控制；文獻[15-19]設(shè)計并開發(fā)在線監(jiān)測與輔助加熱相結(jié)合的防凝露控制系統(tǒng)，實現(xiàn)降溫保護，并在高壓配電室中驗證了溫度、濕度雙向控制的防潮防凝露方法的有效性。但這些方法均以預(yù)防為主，對于內(nèi)部環(huán)境含濕量的動態(tài)調(diào)節(jié)作用甚微。因預(yù)制艙變電站及箱式電柜中電纜眾多，電纜間均存在間隙，而電纜間隙是造成預(yù)制艙及箱式電柜內(nèi)部環(huán)境持續(xù)潮濕的主要因素之一[20]，僅采用傳統(tǒng)輔助加熱模式不能起到真正的除濕作用[21]，需要采用更高效的除濕技術(shù)與設(shè)備。

針對冷卻除濕模式：張鵬等[22]開發(fā)基于熱電制冷技術(shù)的除濕設(shè)備，結(jié)果表明該除濕設(shè)備的除濕效率是僅采用傳統(tǒng)電加熱除濕模式的5倍；李紅蕾等[23]開發(fā)了智能除濕防凝露控制系統(tǒng)，并從實現(xiàn)方式、綜合能耗方面進行系統(tǒng)評價，發(fā)現(xiàn)采用除濕機相較于空調(diào)設(shè)備可降低能耗約66%。

本文針對南方高溫高濕的環(huán)境特征，考慮預(yù)制艙變電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、拼接處與線纜進口處存在潮濕源的特點，開發(fā)基于熱電制冷技術(shù)的冷卻除濕方案[27]。參照預(yù)制艙的應(yīng)用環(huán)境，搭建預(yù)制艙防潮防凝露測試平臺，分析3種除濕模式在不同潮濕源環(huán)境下的除濕效果，以及在不同相對濕度環(huán)境下各模式的除濕效率與適應(yīng)性，確定各模式的應(yīng)用范圍，為預(yù)制艙變電站的防潮除濕提供有效的解決方案。

1 試驗與原理

除濕技術(shù)可以分為冷卻除濕和加熱除濕[24-26]2種。在冷卻除濕過程中，空氣的除濕是在其被冷卻至露點溫度以下時發(fā)生的。此時，冷卻表面的溫度保持低于空氣露點溫度，當(dāng)潮濕空氣經(jīng)過冷卻表面時，溫度開始下降，在某一點達到其露點溫度時，空氣中的水分開始在冷卻表面上形成露水顆粒，從而降低內(nèi)部潮濕空氣的含濕量。

本文依托東莞長龍預(yù)制艙變電站工程中的設(shè)備艙，按照除濕設(shè)備的布置進行分割，根據(jù)幾何相似按比例2∶9搭建試驗艙體，幾何尺寸為1.84 m×1.38 m×0.8 m。試驗平臺的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，試驗平臺設(shè)備根據(jù)試驗要求進行搭建。采用安捷倫34972A進行溫度測量，相對濕度測點布置如圖1(a)所示。

a)通風(fēng)模式：采用2個軸流風(fēng)機，為保障預(yù)制艙內(nèi)滿足DL/T 5035—2019《火力發(fā)電廠采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》要求，風(fēng)機功率為10.8 W，風(fēng)量為181.9～234.6 m3/h，分別安裝于進風(fēng)口與出風(fēng)口處。

b)電加熱模式：采用6組功率為70 W/組的加熱板，總功率為420 W。

c)除濕模式：采用基于熱電制冷技術(shù)開發(fā)的除濕設(shè)備[27]，其結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，額定功率為400 W。除濕設(shè)備采用側(cè)掛式安裝于預(yù)制艙艙體，使用過程中根據(jù)設(shè)備運行環(huán)境參數(shù)進行預(yù)設(shè)置。熱電制冷原理如圖1(c)所示，熱電PN結(jié)材料通過電流時，空穴與電子將產(chǎn)生定向移動，斷鍵與合鍵將產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，其核心效應(yīng)為帕爾貼效應(yīng)[28]。該技術(shù)具有無機械部件、無噪音、實用壽命長且為固態(tài)制冷等優(yōu)點。

圖1 預(yù)制艙實驗平臺

根據(jù)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及Q/GDW 11157—2014《預(yù)制艙式二次組合設(shè)備技術(shù)規(guī)范》要求，試驗的加濕量分別設(shè)定為1.967 mL/min(工況1)、3.14 mL/min(工況2)和3.63 mL/min(工況3)，分別模擬常規(guī)潮濕、電纜溝槽受潮以及高溫高濕環(huán)境3種不同的受潮工況。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 通風(fēng)模式分析

通風(fēng)模式是指僅采用通風(fēng)系統(tǒng)進行內(nèi)外空氣流動交換以達到降低相對濕度目的的調(diào)節(jié)模式。圖2為艙外環(huán)境相對濕度70.5%和加濕工況1下，初始相對濕度分別為95.3%、86%時，啟動通風(fēng)模式后相對濕度B隨時間t的變化趨勢。在通風(fēng)模式下，艙內(nèi)環(huán)境相對濕度開始快速下降，10 min后相對濕度變化率減小，在10 min時艙內(nèi)相對濕度分別降低至72.6%和72.5%，與艙外環(huán)境相對濕度趨于一致。

圖2 工況1下相對濕度與時間的關(guān)系(通風(fēng)模式)

圖3為艙外環(huán)境相對濕度70.5%和加濕工況1下，初始相對濕度72.6%～97%時，啟動通風(fēng)模式10 min后相對濕度的變化趨勢。其中，D為10 min內(nèi)的除濕量，ΔB為10 min內(nèi)相對濕度的變化量。在初始相對濕度為97%時，采用通風(fēng)模式10 min后，艙內(nèi)含濕量降低28.62 mL，最終艙內(nèi)相對濕度降低至72.5%。

圖3 工況1下相對濕度與除濕量的關(guān)系(通風(fēng)模式)

圖4為艙外環(huán)境相對濕度為62%和加濕工況2下，初始相對濕度分別為95.5%、85.4%、80.4%、78%時，啟動通風(fēng)模式后相對濕度B隨時間t的變化趨勢。初始相對濕度分別為95.5%、85.4%時，艙內(nèi)相對濕度在快速下降之后變化趨于穩(wěn)定，在10 min時相對濕度分別降低至81.3%、78.6%；初始相對濕度分別為80.4%、78%時，艙內(nèi)相對濕度則逐步上升，10 min后相對濕度升至84.9%、84.5%并趨于穩(wěn)定。

圖4 工況2下相對濕度與時間的關(guān)系(通風(fēng)模式)

圖5為艙外環(huán)境相對濕度62%和加濕工況2下，初始相對濕度72.6%～97%時，啟動通風(fēng)模式10 min后相對濕度的變化趨勢。在初始相對濕度97%時，采用通風(fēng)模式10 min后，除濕量為37.64 mL，最終艙內(nèi)相對濕度降低至81%。

圖5 工況2下相對濕度與除濕量的關(guān)系(通風(fēng)模式)

圖6為艙外環(huán)境相對濕度為62%和加濕工況3下，初始相對濕度為95.5%時，啟動通風(fēng)模式后相對濕度B隨時間t的變化趨勢。艙內(nèi)相對濕度在短時間內(nèi)快速下降后逐漸上升，并在120 min后穩(wěn)定在94.4%。

圖6 工況3下相對濕度與時間的關(guān)系(通風(fēng)模式)

圖7為艙外環(huán)境相對濕度62%和加濕工況3下，初始相對濕度73%～97%時，啟動通風(fēng)模式10 min后相對濕度的變化趨勢。初始相對濕度為97%時，采用通風(fēng)模式10 min后，除濕量為40.53 mL，最終艙內(nèi)相對濕度降低至90%。艙內(nèi)存在恒定加濕源時，通風(fēng)模式不能滿足其除濕需求。

圖7 工況3下相對濕度與除濕量的關(guān)系(通風(fēng)模式)

通風(fēng)模式在不同工況下的除濕結(jié)果統(tǒng)計見表1。結(jié)果表明，通風(fēng)模式在預(yù)制艙內(nèi)相對濕度調(diào)節(jié)方面具有局限性，尤其是艙內(nèi)存在恒定加濕源時，通風(fēng)模式不能滿足除濕需求。

表1 通風(fēng)模式不同工況下的除濕結(jié)果

2.2 加熱模式分析

加熱模式是指采用正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient，PTC)加熱器提高環(huán)境溫度從而降低環(huán)境空氣的相對飽和度以達到降低相對濕度的方式。

加熱模式下，相對濕度B、溫度T與時間t的關(guān)系如圖8所示。相對濕度隨著溫度的增加而逐步降低，預(yù)制艙內(nèi)部環(huán)境溫度增加將使相對濕度降低。初始相對濕度為95%，啟動加熱模式，艙內(nèi)相對濕度與溫度成反比，經(jīng)過56 min后艙內(nèi)相對濕度降至50%并趨于穩(wěn)定，此時艙內(nèi)環(huán)境溫度為37.5 ℃，相較于初始溫度提高約10 ℃。在120 min時，艙內(nèi)相對濕度降低至40%，溫度為41℃。加熱模式可有效降低環(huán)境的相對濕度，但僅適用于環(huán)境含濕量一定的工況。

圖8 相對濕度、溫度與時間的關(guān)系(加熱模式)

在沒有加濕源的情況下，初始相對濕度分別為95.3%、90.3%、85.5%時，啟動加熱模式后艙內(nèi)相對濕度與時間的關(guān)系如圖9所示。隨著時間的增加，艙內(nèi)相對濕度逐步下降，經(jīng)過30 min后各工況的相對濕度分別降低至60.2%、53.3%、49.6%。

圖9 不同初始相對濕度下，相對濕度與時間的關(guān)系(加熱模式)

啟動加熱模式10 min，相對濕度和含濕量的關(guān)系如圖10所示。初始相對濕度73%～97%時，采用加熱模式，除濕量先增加后減少；當(dāng)初始相對濕度為85%時，除濕量最大。由此可知，當(dāng)艙內(nèi)相對濕度大于85%時，加熱模式難以有效調(diào)節(jié)環(huán)境的相對濕度。

圖10 相對濕度與除濕量的關(guān)系(加熱模式)

加熱模式下的除濕結(jié)果統(tǒng)計見表2。

表2 加熱模式下的除濕結(jié)果

2.3 除濕模式分析

除濕模式中，采用基于熱電制冷技術(shù)的冷卻設(shè)備進行除濕，根據(jù)相對濕度與溫度，快速調(diào)節(jié)至露點溫度。

啟動除濕模式10 min，加濕工況1下相對濕度與除濕量的關(guān)系如圖11所示。隨著相對濕度的增加，在相同時間內(nèi)熱電除濕設(shè)備的除濕量逐步增加。初始相對濕度95%時，熱電除濕設(shè)備10 min可將艙內(nèi)相對濕度控制至55%以下，除濕量為41.8 mL。

圖11 工況1下相對濕度與除濕量的關(guān)系(除濕模式)

啟動除濕模式10 min，加濕工況2下相對濕度與除濕量的關(guān)系如圖12所示。初始相對濕度97%時，熱電除濕設(shè)備10 min可將艙內(nèi)相對濕度降低至65%，除濕量為47 mL。

圖12 工況2下相對濕度與除濕量的關(guān)系(除濕模式)

啟動除濕模式10 min，加濕工況3下相對濕度與除濕量的關(guān)系如圖13所示。從除濕量的變化趨勢可看出，當(dāng)環(huán)境相對濕度大于95%，且加濕量為3.63 mL/min時，除濕模式達額定工況，其對應(yīng)除濕量為5 mL/min，相對濕度的變化量趨于一致，最終狀態(tài)的相對濕度值保持穩(wěn)定在70%。

圖13 工況3下相對濕度與除濕量的關(guān)系(除濕模式)

啟動除濕模式，加濕工況3下相對濕度與時間的關(guān)系如圖14所示。艙內(nèi)相對濕度經(jīng)過40 min降低至71%并趨于相對穩(wěn)定，經(jīng)過120 min相對濕度達到68%。

圖14 工況3下相對濕度與時間的關(guān)系(除濕模式)

除濕模式不同工況下的除濕結(jié)果統(tǒng)計見表3。不同工況下，艙內(nèi)環(huán)境相對濕度隨時間的變化關(guān)系呈現(xiàn)先快后慢的主要原因是：艙內(nèi)空氣流動性弱，未能與除濕設(shè)備進行充分的能量交換。建議強化預(yù)制艙內(nèi)部空氣的流動性，或提高出風(fēng)口流速，有助于提升除濕效率。

表3 除濕模式不同工況下的除濕結(jié)果

2.4 分析與討論

不同相對濕度調(diào)節(jié)模式的比較見表4。通風(fēng)模式與加熱模式均屬于被動除濕模式，適用于設(shè)備密封情況良好且不存在恒定加濕源的情況。綜合加熱模式、熱電除濕模式的相對濕度調(diào)節(jié)特性、單位時間除濕量和功耗等，推薦熱電除濕模式?？紤]現(xiàn)階段預(yù)制艙變電站的運行情況，艙體拼接處、線纜連接處等均存在縫隙，預(yù)制艙實際運行工況多為漏濕工況；隨著預(yù)制艙變電站內(nèi)部設(shè)備的電子化及智能化，為保障電力設(shè)備的高質(zhì)量可靠運行，同時滿足可應(yīng)對高溫高濕和溫濕度急驟變化環(huán)境的突變情況，冷卻除濕模式將成為首選。

表4 不同相對濕度調(diào)節(jié)模式的比較

3 結(jié)束語

本文在理論分析的基礎(chǔ)上搭建預(yù)制艙防潮防凝露試驗平臺，比較分析基于熱電制冷技術(shù)的除濕模式、通風(fēng)模式與加熱模式在預(yù)制艙防潮防凝露中的功能特點與適應(yīng)性。研究表明：

a)基于熱電制冷技術(shù)的除濕模式屬于主動除濕，當(dāng)艙體內(nèi)部存在加濕源且相對濕度需快速控制的情況下，采用該除濕模式可以短時間內(nèi)徹底降低環(huán)境相對濕度和含濕量，尤其是在有加濕源情況下，其除濕性能明顯優(yōu)于加熱模式和通風(fēng)模式。

b)通風(fēng)模式屬于被動模式，適用于預(yù)制艙內(nèi)相對濕度高、外環(huán)境相對濕度低且相對濕度差較大的情況，在有加濕源的情況下其調(diào)節(jié)效果較弱。

c)加熱模式可以通過提高環(huán)境的溫度從而降低空氣環(huán)境的相對濕度飽和度來降低相對濕度，但環(huán)境溫度的升高會加速設(shè)備及元器件的老化。當(dāng)相對濕度大于85%時，采用加熱模式降低相對濕度的能耗遠大于基于熱電制冷技術(shù)的除濕模式。

綜合能耗與設(shè)備的安全性，基于熱電制冷技術(shù)的除濕模式將成為預(yù)制艙防潮防凝露的主要有效措施。未來的研究工作包括：結(jié)合數(shù)值模擬對預(yù)制艙內(nèi)的流場、溫度場分布進行分析，優(yōu)化電力設(shè)備的布置，確定除濕設(shè)備的安裝位置，實現(xiàn)高效防潮除濕。