两种不同冷却方式在高压变频应用中的对比分析
水泥 2011-08-10
0 引言
目前，高压变频调速节能技术已在电力行业中得到广泛应用。随着600MW及以上机组成为火力发电的主力机型，高压变频器在引风机、一次风机、凝结泵等变频节能改造应用中的容量，也都在逐步提高到2000kW以上。高压变频器应用中的设备散热和运行环境问题成为直接影响变频器自身运行可靠性和机组安全稳定的重要因素。而且，随着变频器装机容量和功率的增加，其辅助冷却系统的投资和运营成本也逐渐成为项目实施不可小觑的一个重要环节。采取配套适用的高压变频专用冷却系统，对提高设备安全稳定性能、降低辅助冷却系统的运营成本，实现高压变频节能项目收益最大化，具有积极意义。
1 两种冷却方案比较
大唐某电厂根据节能降耗措施的需要，对3#、4#机组配套的2240kW一次风机系统实施变频节能改造。按照变频器额定功率2240kW、变频器效率96%计算，每台高压变频器的额定发热量。即：如果将变频器室内环境维持在允许工作温度范围内，必须将变频器产生的热量全部带出室外，避免变频器室内出现热量累积。因此，每台变频器对制冷或热交换系统的冷量需求约90kW。
如果采用空调方式冷却，那么，每小时需要将消耗36kWh的电能用于变频器本体散热。这不仅需要大量的设备投资，还需要以损失一次风机变频器节约的电量作为代价；既不经济也不符合变频改造的初衷。采用风道冷却方式，可以节能；但是又会因现场粉尘原因，带来设备维护量大、易引发设备故障等影响设备运行安全。
经过多方研究论证，结合现场的安装位置和空间情况，为两台HARVERT系列一次风机高压变频器分别采用了空-水冷却系统和密闭冷却系统。从而，既满足设备运行安全，又解决了冷却系统运行成本高的问题，达到节能降耗的目的。
1.1空-水冷却方案
3#机组A一次风机现场空间位置较大，适合采用空间需求较大的空-水冷却系统。
1.1.1系统介绍
BLH-CK系列空－水冷却系统，从根本上解决了单位散热密度高、功率大，有效提高系统安全可靠性、降低运营成本的问题。该系统是一种可将变频器柜顶排出的热风100%进行热交换冷却的高效、环保、节能的封闭式冷却系统。该系统由于其采用完全机械型式设计，较空调等电力、电子设备而言系统简单，具有明显的安全、可靠性。
其工作原理是：将变频器的热风通过风道直接通过空冷装置进行热交换，由交换器内部的冷却水管道与热空气进行非介质接触式交换，直接将变频器散失的热量带走；避免变频器对室内环境形成加热作用。空冷装置的供水压力在0.25~0.35MPa、冷水温度不大于33 ℃时，即可保证热风经过交换器后，将变频器室内的环境温度控制在40℃以下。从而，保证了变频器室内良好的运行环境。
同时，由于房间密闭，变频器利用室内的循环风进行设备冷却，具有粉尘度低，维护量小的特点；减少了环境对变频器功率柜、控制柜运行稳定性的不利影响。空-水冷却系统结构原理图如下：
该系统具备以下几方面的特点：
1)设备安装简单、快捷。
2)设备使用寿命长，故障率低，性能可靠。
3)运营成本低。空－水冷却系统的运营成本只有同等热交换功率空调冷却方式的1/5~1/8。
4)变频器免维护周期长、维护量低小，环境卫生。
1.1.2安全性能评价
该系统设备整体安装于高压变频器室墙外，冷却水与循环风完全分离，水管线在变频室外与高压设备明确分离，确保高压设备室不会受到防水、绝缘破坏等安全威胁和事故；避免冷却水管线在高压室内布局容易出现破裂后漏水危及高压设备运行安全的严重事故发生。在空-水冷却系统的设计当中，为了防止空冷装置出口侧凝露带水排入室内，对空－水冷却装置的出风口、风速等指标进行设计计算；保证良好的排压情况下，运行安全稳定。同时，冷却系统提供风机、空－水冷却装置的故障报警检测点，可远传至DCS。
1.2 密闭冷却方案
3#机组B一次风机现场空间位置有限，采用占地面积较小的密闭冷却系统。
1.2.1 系统介绍
密闭式冷却系统采用R134a制冷剂作为热交换介质，利用高效制冷压缩机组进行冷热量转换。室内热交换器直接安装于变频器功率柜柜顶，柜顶排出的热风经热交换器后由制冷剂直接将热量带到室外；通过压缩机组将热量散失到大气中。该系统能够保证变频器始终处于30~35℃运行环境，大幅度延长滤网更换周期减少现场维护量。且不受现场安装空间、位置、环境温度等条件限制，具有更强的适应能力。制冷压缩机组安装于变频器附近，允许在-15~+45℃环境温度下持续工作。
该系统具备以下几方面的特点：
1)密闭冷却与变频器一体化设计，系统结构紧凑，体积小。
2)采用工业用高效涡旋式制冷压缩机组，高效、节能、环保。
3)运营成本低。密闭冷却系统的运营成本只有同等热交换功率空调冷却方式的1/3~1/2。
4)设备封闭环境运行，变频器不受室外环境影响。
1.2.2 安全性能评价
设备整体安装于变频器功率柜顶部，冷却器采用大风量小焓差的方式设计，出风口无冷凝。系统配备制冷压缩机组和两路独立电源供电，根据变频器运行功率负荷大小选择开启一台或两台工作，提高冷却装置的安全经济性能。当单段电源故障时，另外一侧电源带两台压缩机100％负荷，提高系统安全、可靠性能。同时，提供温度、运行状态、故障报警等DCS标准信号接口。
1.3 小结
通过对两种不同冷却方式在600MW机组一次风机变频器改造中应用的技术性对比分析可以看出：在现场空间允许的情况下，采用空-水冷却系统是最佳方案，而在空间受限的情况密闭冷冷却不失为一种理想的冷却解决方案。
2 运行效果
3#机组A、B一次风机系统在不同机组负荷工况采用变频方式运行时的温度曲线如下图所示。由图中可以看出：采用空水冷却系统的变频器温度在22~38.5℃之间变化，受室外环境温差和机组负荷的影响明显；采用密闭冷却的变频器温度则相对比较稳定，温度在31~35℃之间波动，受室外环境和机组负荷的影响较小。
3#机组采用变频改造后，两台一次风变频器冷却系统的实际耗电量统计如下所示。通过数据分析可以得出：在同一机组的同负载运行工况下，采用空水冷却系统的变频器较密闭冷却方式的变频器平均每天少用251度，相比而言节约66%电量。
|
设备编号 |
A一次风机
变频器 |
B一次风机
变频器 |
电量差 |
|
冷却方式 |
空-水冷却系统 |
密闭冷却系统 |
kWh |
|
6月16日 |
126.0 |
372.0 |
246.0 |
|
6月17日 |
128.2 |
380.4 |
252.2 |
|
6月18日 |
125.0 |
377.5 |
252.5 |
|
6月19日 |
128.6 |
380.9 |
252.3 |
|
平 均 值 |
127.0 |
377.7 |
251.0 |
若以年运行7000小时计算，两台变频器采用空调冷却则需要消耗50.4万度电；而A一次风机变频器空-水冷却系统的年耗电量3.7万kWh，B一次风机变频器密闭冷却的年耗电量11.0万kWh。两台变频器由于采用新型冷却方式运行，每年节约电量达35.7万度，经济效益显著。
3 结束语
自2009年4月投运以来，该系统已平稳运行超过16000h，未发生一起超温故障和变频器非停事故，为保障机组安全运行、变频器对发电生产的负面影响起到至关重要的作用。实践证明：两种新型冷却方式的实际应用，大大提高了高压变频的安全稳定性、实现节能效益最大化。并为今后高压变频节能改造实施提供了宝贵的可借鉴经验。
作者简介
林智谋(1964-)，男，长期从事火力发电厂的电气设备管理，以及高压电气节能技术改造工作。
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