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        火電廠變頻器室循環(huán)冷卻水供冷的通風(fēng)方案

        2018-03-06 05:36:35李子彥
        電力勘測設(shè)計 2018年1期
        關(guān)鍵詞:變頻器系統(tǒng)

        李子彥

        (中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計院有限公司,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)用越來越廣泛。但是變頻裝置在運(yùn)行中有2%~4%左右的功耗會變成熱量,這些熱量不及時排除,將會造成變頻器發(fā)生超溫故障報警,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,而變頻器對環(huán)境溫濕度有要求,同時對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)計人員方案設(shè)計的重點(diǎn)。本文中通過對常見變頻器室降溫通風(fēng)系統(tǒng)的比對及案例分析,對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,希望能對以后工程設(shè)計提供借鑒與參考。

        1 變頻器室內(nèi)環(huán)境要求

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

        表2 變頻裝置冷卻方式的對比

        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,對取風(fēng)點(diǎn)的空氣潔凈度及通風(fēng)設(shè)備空氣過濾器的要求較高。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)計時就明確提出變頻器室采用柜式空調(diào)機(jī)組來進(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)布置往往也成問題,而且冷媒直接蒸發(fā)的空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度過低會造成變頻器控制機(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, 減輕了現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)量和人力成本??眨鋮s方式具有系統(tǒng)簡單、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)場有循環(huán)冷卻水供水時,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)備的平面布置圖見圖1。變頻裝置由1個變壓器柜、1個功率單元柜、2個旁路柜和1個控制柜組成,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

        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,見圖2。

        變頻裝置變壓器及功率單元柜門上有若干個過濾進(jìn)風(fēng)口。變頻器運(yùn)行時,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變頻器盤柜的進(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區(qū)域有三個優(yōu)點(diǎn),其一,變頻裝置制造廠商在無法滿足在變頻盤柜上加設(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,由于變頻盤柜上多臺離心風(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設(shè)計溫度,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)平衡計算

        由于變頻器室內(nèi)的設(shè)計溫度一般≤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

        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滿足空氣處理機(jī)組冷卻盤管的負(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)溫度的大小將對空氣處理機(jī)組冷卻盤管的排數(shù)、盤管空氣阻力、盤管水側(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,并考慮冷卻盤管設(shè)計裕量為1.2,則取每臺空氣處理機(jī)組的冷卻量為80 kW,風(fēng)量為6.6 kg/s。通過熱風(fēng)平衡計算和設(shè)備選型計算,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,詳見表5。

        表5 不同送風(fēng)溫度下的技術(shù)對比

        從表5可看出,在冷卻水供/回水溫度為31.5/40.5℃時,通過空-水冷換熱器可使室內(nèi)溫度維持在36℃~40℃,且對于不同的機(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)計溫度≤35℃時,可在室內(nèi)配置單元風(fēng)冷柜機(jī)來滿足夏季室內(nèi)溫度的要求,同時系統(tǒng)運(yùn)行及控制也較為簡單。所需風(fēng)冷柜機(jī)的制冷量可按公式(8)來計算:

        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(℃)。

        對應(yīng)本案例,當(dāng)系統(tǒng)送風(fēng)溫度為35℃(對應(yīng)室內(nèi)溫度約為36℃),變頻器室要滿足室內(nèi)設(shè)計溫度為35℃時,需要增加13 kW的制冷量,即需2臺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)組的空氣過濾器僅用來消除少量變頻裝置自發(fā)性發(fā)塵量,可大大延長變頻裝置本體過濾網(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。以上述電廠為實例,在保證變頻裝置運(yùn)行環(huán)境潔凈的前提下,對以單元柜式空調(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,見表6。若需要室內(nèi)設(shè)計溫度≤35℃,空-水冷卻系統(tǒng)中2臺風(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0.7元/kWh,一年可節(jié)省約27萬元。

        表6 兩種冷卻方式的經(jīng)濟(jì)對比

        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)計和熱風(fēng)平衡計算對室內(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,具有一定的借鑒意義。

        [1] GB/T 1266 8.2-2002,調(diào)速電氣傳動系統(tǒng) 第2部分:一般要求 低壓交流變頻電氣傳動系統(tǒng)額定值的規(guī)定[S].

        [2] GB/T 12668.4-2006,調(diào)速電氣傳動系統(tǒng) 第4部分:一般要求交流電壓1000 V以上但不超過35 kV的交流調(diào)速電氣傳動系統(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)計導(dǎo)則[S].

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

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