蒸發(fā)冷卻技術(shù)在電廠風(fēng)機(jī)高壓變頻系統(tǒng)中的應(yīng)用

王亮，趙文博

(中國節(jié)能減排有限公司，北京 100011)

蒸發(fā)冷卻技術(shù)以其天然制冷的神奇魅力，已在我國西部大地上生根發(fā)芽。隨著國家全面推行節(jié)能減排與鼓勵使用蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的相關(guān)政策與措施的出臺，蒸發(fā)冷卻技術(shù)迎來蓬勃發(fā)展的新階段。除傳統(tǒng)的應(yīng)用于建筑與暖通系統(tǒng)等場合外，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場的使用也日益廣泛。尤其在干熱地區(qū)，由于其具有節(jié)能、耗水量低、制冷效果好等優(yōu)勢，可應(yīng)用于高壓變頻器直接空冷與間接空冷等多種應(yīng)用場合。本文就蒸發(fā)冷卻技術(shù)在某電廠二次風(fēng)、引風(fēng)機(jī)變頻改造工程的應(yīng)用進(jìn)行具體的闡述。

1 工作原理

空氣的干濕程度不同，其容納水蒸氣的能力亦不同。由于干燥的空氣可以容納較多的水蒸氣，而水蒸發(fā)會吸收熱量，因此，空氣在由干變濕的過程中，能為空調(diào)提供所需要的能量。干燥空氣所具有的這種能量，就稱為干空氣能。

干空氣能在我國的北部、西北部區(qū)域，可以說是取之不盡，用之不竭的清潔可再生能源。

蒸發(fā)冷卻是利用水蒸發(fā)制冷的技術(shù)。水在空氣中具有蒸發(fā)的能力。在沒有其他熱源條件下，水與空氣間的熱濕交換過程是空氣將顯熱傳遞給水，使空氣的溫度下降，而由于水的蒸發(fā)，不但空氣的含濕量要增加，而且進(jìn)入空氣的水蒸氣會帶回一些汽化潛熱，當(dāng)這兩種熱量相等時(shí)，水溫達(dá)到空氣的濕球溫度。只要空氣不是飽和的，利用循環(huán)水直接（或通過填料層）噴淋空氣，就可獲得降溫效果。將冷卻后的空氣作為送風(fēng)以降低室溫，這種處理空氣的方式被稱為蒸發(fā)冷卻。

2 應(yīng)用概況

某電廠二次風(fēng)、引風(fēng)機(jī)變頻改造工程共采用6kV/1400kW高壓變頻器8臺，6kV/3200kW變頻器8臺，采用集中布置方式。

變頻器室為二層獨(dú)立框架結(jié)構(gòu)，高10.5m，其中零米層布置6kV/1400kW高壓變頻器4臺，6kV/3200kW變頻器4臺，上進(jìn)線方式；6.5m層布置6kV/1400kW高壓變頻器4臺，6kV/3200kW變頻器4臺，下進(jìn)線方式。10.5m層布置蒸發(fā)冷卻機(jī)組4臺。

變頻器等電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中發(fā)熱量較大，使變頻器在室內(nèi)的環(huán)境溫度不斷升高。電氣設(shè)備長期處于高溫環(huán)境中工作，對電氣設(shè)備的壽命和設(shè)備的工作狀態(tài)都會有較大的影響，控制變頻器工作的環(huán)境溫度至關(guān)重要。

變頻器主要發(fā)熱部件為變壓器和功率單元，采用直接空冷方式，通過柜頂風(fēng)機(jī)向變頻器室內(nèi)散熱。變頻器室采用蒸發(fā)冷卻方式，設(shè)置直接蒸發(fā)冷卻段和間接蒸發(fā)冷卻段，通過二級蒸發(fā)冷卻機(jī)組進(jìn)行整體冷卻。

2.1 設(shè)計(jì)條件

（1）室外空氣設(shè)計(jì)參數(shù)。夏季室外空氣計(jì)算干球溫度：29.2℃，夏季室外空氣計(jì)算濕球溫度：19℃；夏季大氣壓：84863Pa。

（2）室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)參數(shù)。室內(nèi)設(shè)計(jì)空氣干球溫度：28～35℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)空氣相對濕度：30～50%。

（3）變頻器柜頂風(fēng)機(jī)參數(shù)（見表1）。

表1 變頻器柜頂風(fēng)機(jī)參數(shù)表

2.2 蒸發(fā)冷卻機(jī)組選型

變頻器本身帶有冷卻風(fēng)機(jī)，將柜內(nèi)發(fā)熱元件產(chǎn)生的部分熱量靠空氣帶走，冷卻空氣總量為584000m3/h。如果在變頻器頂部接上排風(fēng)道道，把40%熱風(fēng)排至室外，那么至少40%顯熱負(fù)荷被排至室外。蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組只需要處理剩余的60%（728.64kW）的顯熱負(fù)荷。

變頻器室內(nèi)發(fā)熱量，根據(jù)變頻器生產(chǎn)廠家給出的計(jì)算方法確定：首先將變頻器的額定功率相加匯總，按照匯總后的額定總功率乘以110%作為計(jì)算額定功率，按照計(jì)算額定功率的3%，計(jì)算變頻器的顯熱發(fā)熱量。計(jì)算結(jié)果如下：

計(jì)算額定功率：N=8×(3200+1400)×1.1=40480kW。

顯熱發(fā)熱量：Q=N×3%=40480×3%=1214.4kW。

（1）間接蒸發(fā)冷卻器工作效率78%：

其中：tm1為間接蒸發(fā)冷卻器出口干球溫度；tw為間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口空氣干球溫度；tws為間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口空氣濕球溫度；η為間接蒸發(fā)冷卻器熱交換效率。

（2）直接蒸發(fā)冷卻器效率74%，直接蒸發(fā)冷卻器的終狀態(tài)干球溫度計(jì)算：

式中：to為直接蒸發(fā)冷卻器出口干球溫度；tm1為直接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口干球溫度；tm1s為直接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口濕球溫度。

通過計(jì)算說明，間接蒸發(fā)冷卻+直接蒸發(fā)冷卻處理后，空氣的終狀態(tài)點(diǎn)可達(dá)17.8℃。通過兩級蒸發(fā)冷卻處理，室外空氣由29.2℃處理到17.8℃送入室內(nèi)，室內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度為30℃，送風(fēng)溫差為12.2℃,完全可保證室內(nèi)溫度的要求。

2.3 風(fēng)道布置

變頻器室設(shè)置1條等截面風(fēng)道。風(fēng)道上設(shè)置不銹鋼球形射流可調(diào)風(fēng)口，側(cè)向射流送風(fēng)。在建筑樓梯間走廊區(qū)設(shè)置風(fēng)井1處，從2層屋面到底層貫穿。1、2層分別從風(fēng)井送風(fēng)至變頻器室。

室內(nèi)風(fēng)道設(shè)置回流調(diào)節(jié)閥，用于平衡室內(nèi)的氣流組織。墻面設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)并配置球形噴口，可調(diào)節(jié)室內(nèi)外的氣流。

2.4 蒸發(fā)冷卻與空水冷系統(tǒng)的比較

蒸發(fā)冷卻作為一種新型設(shè)備冷卻技術(shù)，相比較于傳統(tǒng)的空水冷方式，具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)。

（1）占地小，安裝方便。蒸發(fā)冷卻機(jī)組可以利用屋面等室外空間進(jìn)行布置，同時(shí)風(fēng)道和蒸發(fā)冷卻機(jī)組的安裝簡單方便，可以根據(jù)現(xiàn)場的散熱狀況進(jìn)行靈活的布置。

（2）耦合性低，聯(lián)結(jié)方便。空水冷方式通過循環(huán)冷卻水帶走設(shè)備內(nèi)部的熱量，和變頻器耦合性高，一旦空水冷發(fā)生故障，就會導(dǎo)致變頻器超溫，嚴(yán)重會造成變頻器保護(hù)動作。而蒸發(fā)冷卻機(jī)組是通過室內(nèi)空氣的冷卻來給變頻器整體降溫，室內(nèi)設(shè)置多臺機(jī)組可互為備用。某個(gè)蒸發(fā)冷卻裝置故障、檢修等，不影響變頻器的整體運(yùn)行。蒸發(fā)冷卻機(jī)組通過室內(nèi)風(fēng)道對重點(diǎn)發(fā)熱部位進(jìn)行降溫冷卻，聯(lián)結(jié)方式較空水冷方便。

（3）維護(hù)量小，運(yùn)行省電。蒸發(fā)冷卻機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，各級冷卻部件可單獨(dú)維修，運(yùn)行安全可靠。利用高溫干燥的空氣與水之間的顯熱和潛熱的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)制冷的過程，沒有壓縮機(jī)等大功耗設(shè)備，較其他冷卻方式省電。

（4）運(yùn)行方式靈活。蒸發(fā)冷卻機(jī)組投運(yùn)和退出方便，可根據(jù)變頻器運(yùn)行工況靈活調(diào)整投運(yùn)方式。風(fēng)道設(shè)置回流調(diào)節(jié)閥，在冬季可利用變頻器自身發(fā)熱向室內(nèi)補(bǔ)充熱量，保證室內(nèi)運(yùn)行溫度，尤其適用于西北寒冷地區(qū)。

2.5 運(yùn)行效果

電廠風(fēng)機(jī)高壓變頻系統(tǒng)投運(yùn)后，經(jīng)過一年半時(shí)間的運(yùn)行檢驗(yàn)，蒸發(fā)冷卻機(jī)組運(yùn)行良好。當(dāng)夏季室外溫度35℃，風(fēng)機(jī)負(fù)荷70～80%時(shí)，室內(nèi)溫度約28℃。

3 蒸發(fā)冷卻應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

3.1 冷量的匹配問題

蒸發(fā)冷卻機(jī)組在應(yīng)用系統(tǒng)中，需要注意冷量與實(shí)際散熱需要保持匹配的問題。根據(jù)室外溫度的區(qū)間段，可以調(diào)節(jié)直接蒸發(fā)機(jī)組和間接蒸發(fā)機(jī)組的工作模式，依靠自然蒸發(fā)等滿足制冷要求，最大限度節(jié)能，見表2。

表2 蒸發(fā)冷卻機(jī)組運(yùn)行模式表

3.2 室內(nèi)氣壓的平衡問題

蒸發(fā)冷卻機(jī)組工作中，通過風(fēng)道向室內(nèi)輸送冷風(fēng)，通過變頻器柜頂風(fēng)機(jī)將部分熱空氣送出室外。

為保證室內(nèi)空氣平衡，經(jīng)過蒸發(fā)冷卻機(jī)組處理過的冷空氣由風(fēng)管送至室內(nèi)，在室內(nèi)用球形射流風(fēng)口給變頻器室內(nèi)送風(fēng)。在變頻器排風(fēng)道上設(shè)置回流調(diào)節(jié)閥，保持室內(nèi)的正壓狀態(tài)。

變頻器室墻面設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，將變頻器柜頂風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)排至室外。在排風(fēng)管室內(nèi)側(cè)裝設(shè)對開多頁調(diào)節(jié)閥，把排風(fēng)總量的一部分回流至室內(nèi)，以調(diào)節(jié)送風(fēng)與排風(fēng)的平衡。

空氣平衡校核：總排風(fēng)量為584000m3/h，40%排風(fēng)量為233600m3/h。冷卻后總送風(fēng)量為240000m3/h。送風(fēng)量大于排風(fēng)量，室內(nèi)處于微正壓狀態(tài)運(yùn)行，符合規(guī)范要求。

3.3 防塵問題

變頻器是一種電子設(shè)備，功率單元多由高密度電力電子元件組成，對于工作環(huán)境有較高的要求，尤其對于灰塵的影響比較敏感。積灰有可能導(dǎo)致絕緣下降甚至擊穿，造成功率單元的損壞。

蒸發(fā)冷卻機(jī)組在送風(fēng)時(shí)，需要由室外補(bǔ)充空氣，對于電廠的工作環(huán)境，由于粉塵的含量高，極易造成外部粉塵被吹入變頻室內(nèi)，造成室內(nèi)積灰。因此，在蒸發(fā)冷卻應(yīng)用過程中，要采取以下措施。

（1）在蒸發(fā)冷卻機(jī)組的直接蒸發(fā)段和間接蒸發(fā)段上均需加裝濾塵網(wǎng)，且應(yīng)定期的清理，保證機(jī)組內(nèi)部的清潔。

（2）保證變頻室內(nèi)正壓，避免由門窗等縫隙吸入粉塵。

（3）風(fēng)道安裝制作過程中，注意接口嚴(yán)密，可以大大減少冷卻系統(tǒng)中的含塵量，有利于蒸發(fā)冷卻機(jī)組的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

蒸發(fā)冷卻機(jī)組的應(yīng)用為電廠風(fēng)機(jī)高壓變頻系統(tǒng)的冷卻方式提供了更加靈活的選擇方式。通過實(shí)際運(yùn)行證明，蒸發(fā)冷卻的方式穩(wěn)定可靠、節(jié)能、維護(hù)方便，為高壓變頻系統(tǒng)提供了良好的運(yùn)行保證。

[1] 黃翔，徐方成，武俊梅等.蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在節(jié)能減排中的重要作用[J].制冷與空調(diào)，2008，(4):17-20.

[2] 陳俊萍，黃翔，宣永梅等.露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的應(yīng)用分析[J].制冷與空調(diào)，2008(5):21-24.

[3] 黃翔，白延斌，汪超等. 全空氣蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 [J]. 流體機(jī)械，2014(1):68-74.