徐大坤 甘 露

高溫缺水地區(qū)調(diào)相機(jī)外冷卻系統(tǒng)研究

徐大坤 甘 露

（山東電力工程咨詢院有限公司 濟(jì)南 250000）

調(diào)相機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)熱量巨大，選取可靠高效的外冷卻系統(tǒng)對于保障機(jī)組的正常運(yùn)行具有重要的作用。探討了調(diào)相機(jī)外冷卻系統(tǒng)的多種冷卻方案，結(jié)合工程所在地高溫缺水的環(huán)境特點(diǎn)，選取了空冷塔聯(lián)合蒸發(fā)冷卻塔的干濕聯(lián)合蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅保證調(diào)相機(jī)可靠運(yùn)行，而且節(jié)約水源，降低了全壽命周期成本。

調(diào)相機(jī)；外冷卻；空冷塔；蒸發(fā)冷卻塔

0 引言

隨著新能源尤其是風(fēng)電容量的不斷增大，其發(fā)電的不連續(xù)性對電網(wǎng)造成較大的沖擊[1]。調(diào)相機(jī)設(shè)備可快速吸收無功能力，降低風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)概率，可保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定[2-6]。調(diào)相機(jī)在運(yùn)行過程中，其定子與轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生大量的熱，該熱量首先傳遞至調(diào)相機(jī)自帶的冷卻器，并最終通過與冷卻器相連的外冷卻系統(tǒng)排至室外，因此外冷卻系統(tǒng)對于保證調(diào)相機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行，具有非常重要的作用。本文介紹的調(diào)相機(jī)工程所在地位于新疆哈密市，該地區(qū)夏季溫度極高，且屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)，對外冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型帶來一定的困難。

本文對調(diào)相機(jī)外冷卻系統(tǒng)的不同方案進(jìn)行了研究，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行要求及室外環(huán)境狀況，最終采用空冷塔+蒸發(fā)冷卻塔的干濕聯(lián)合冷卻方案，保證調(diào)相機(jī)設(shè)備可靠運(yùn)行。

1 工程概況

該工程位于新疆哈密市南偏西方向，與哈密天山±800kV換流站貼建，位于換流站西南側(cè)，緊貼換流站南側(cè)圍墻建設(shè)。

調(diào)相機(jī)站本期裝設(shè)2臺300Mvar調(diào)相機(jī)，每臺調(diào)相機(jī)通過1臺360MVA變壓器接入天山換流站500kV側(cè)不同的交流濾波器大組母線，每臺調(diào)相機(jī)具備長期穩(wěn)定運(yùn)行工況下無功出力-200Mvar～300Mvar的能力。兩臺調(diào)相機(jī)在廠房內(nèi)縱向?qū)ΨQ布置，調(diào)相機(jī)房總長度為69m、跨度15m、屋面標(biāo)高20.6m。

本工程地處新疆哈密市，干旱少雨，夏季極端最高溫度為43.9℃，極端最高濕球溫度為23.7℃，且夏季高溫時間持續(xù)較長。其缺水、高溫差高寒的環(huán)境條件為外冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型提出了較高的要求。

2 外冷卻系統(tǒng)方案對比分析

調(diào)相機(jī)冷卻系統(tǒng)分為內(nèi)冷卻系統(tǒng)與外冷卻系統(tǒng)。內(nèi)冷卻系統(tǒng)換熱器集成在調(diào)相機(jī)設(shè)備本體內(nèi)[7]，其作用是吸收調(diào)相機(jī)內(nèi)熱量并傳遞給換熱管束，換熱管束內(nèi)冷卻介質(zhì)為去離子水，內(nèi)冷卻水經(jīng)循環(huán)水泵加壓后通過冷卻管道進(jìn)入調(diào)相機(jī)內(nèi)換熱器，將熱量吸收后進(jìn)入外冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降溫，降溫后的冷卻水再次進(jìn)入調(diào)相機(jī)換熱器進(jìn)行下一個冷卻循環(huán)，見圖1。

圖1 調(diào)相機(jī)內(nèi)外冷卻系統(tǒng)流程圖

外冷卻水系統(tǒng)是調(diào)相機(jī)重要的系統(tǒng)之一，關(guān)系到調(diào)相機(jī)站的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。調(diào)相機(jī)外冷卻系統(tǒng)按照其冷卻方式不同可分為空冷系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)三種不同形式。根據(jù)調(diào)相機(jī)設(shè)備運(yùn)行要求，每臺調(diào)相機(jī)冷卻系統(tǒng)額定冷卻容量為7200kW，進(jìn)入調(diào)相機(jī)內(nèi)換熱器的內(nèi)循環(huán)冷卻水溫度不得高于38℃。

2.1 空冷系統(tǒng)

調(diào)相機(jī)采用的空冷系統(tǒng)，散熱器垂直布置在塔外，高溫冷卻水在管內(nèi)流動，空氣在管束外吹過，以達(dá)到換熱的目的。由于換熱所需的通風(fēng)量很大，而風(fēng)壓不高，一般采用在空冷塔屋頂設(shè)軸流式通風(fēng)機(jī)，以提供風(fēng)量和散熱器管束外側(cè)空氣阻力等其它所需的空氣阻力。見圖2、圖3。

圖2 空冷系統(tǒng)流程圖

圖3 空冷塔氣流組織圖

空冷系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)水，但夏季氣溫在30℃以上時需輔助噴霧（除鹽水）強(qiáng)化冷卻[8]，且只能將輔機(jī)循環(huán)水冷卻至38℃。當(dāng)環(huán)境溫度高過36℃時，噴淋降溫的方法冷卻效率下降的速度很快，特別是當(dāng)環(huán)境溫度高過38℃時，冷卻效率下降的速度更快，38℃為采用此種冷卻方式的極限最高室外溫度。當(dāng)室外溫度較低時，外冷卻自動控制系統(tǒng)根據(jù)換熱管束內(nèi)外溫差自動關(guān)閉部分風(fēng)機(jī)，內(nèi)冷循環(huán)水在室外管道內(nèi)流動即可滿足降溫要求。

2.2 水冷系統(tǒng)

調(diào)相機(jī)采用的水冷系統(tǒng)，其外冷卻設(shè)備為蒸發(fā)冷卻塔。高溫冷卻水經(jīng)過密閉式蒸發(fā)冷卻塔的盤管內(nèi)部，其熱量經(jīng)過盤管散入流過盤管外部的噴淋水中，同時冷卻塔外四周的常溫空氣從底盤上的進(jìn)風(fēng)格柵進(jìn)入，與噴淋水的流動相反，向上經(jīng)過盤管外部，一小部分噴淋水蒸發(fā)而帶走熱量，飽和的熱濕空氣由冷卻塔的風(fēng)機(jī)排出到大氣中，其余的水落入底部水盤，匯至冷卻塔調(diào)節(jié)水池，再由噴淋泵循環(huán)至水分布系統(tǒng)又噴淋到盤管。在環(huán)境溫度較低時，風(fēng)機(jī)可停止運(yùn)行，閉式循環(huán)水的熱量由噴淋水蒸發(fā)帶入大氣中。風(fēng)機(jī)的啟停、噴淋泵的減速等均由外冷卻的溫度要求控制，保證內(nèi)循環(huán)冷卻水的溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，見圖4、圖5。

圖4 水冷系統(tǒng)流程圖

圖5 蒸發(fā)冷卻塔外形圖

將哈密地區(qū)極端最高濕球溫度23.7℃，出現(xiàn)此溫度時的氣壓911.6hpa、相對濕度15%，作為蒸發(fā)冷卻器最高冷卻水溫的氣象條件[9]，選擇單臺換熱量約為3600kW的冷卻塔3臺，50%冗余，該方案可滿足調(diào)相機(jī)外冷系統(tǒng)在極端最高溫度下的冷卻要求。當(dāng)室外溫度較低時，外冷卻自動控制系統(tǒng)根據(jù)換熱管束內(nèi)外溫差，自動開啟或關(guān)閉冷卻塔內(nèi)風(fēng)機(jī)與噴淋水泵，當(dāng)室外溫度達(dá)到極端最低溫度-32.0℃時，所有冷卻塔內(nèi)風(fēng)機(jī)與噴淋水泵均關(guān)閉，內(nèi)冷循環(huán)水在室外管道內(nèi)流動即可滿足降溫要求。

2.3 干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)

干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)由空冷塔與蒸發(fā)冷卻塔組成，兼具空冷與水冷的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)以空氣冷卻為主，當(dāng)氣溫較高時，輔以部分蒸發(fā)冷卻?？绽渌耘R界噴水溫度點(diǎn)（29℃）作為設(shè)計(jì)邊界條件進(jìn)行選型，然后校核滿足夏季設(shè)計(jì)工況下內(nèi)冷循環(huán)水的流量與降溫要求，需要輔以蒸發(fā)冷卻的換熱面積、噴淋水量、冷卻風(fēng)量與蒸發(fā)冷卻塔臺數(shù)。一般空冷塔與蒸發(fā)冷卻塔并聯(lián)運(yùn)行，在環(huán)境氣溫低于干濕聯(lián)合臨界噴水溫度（29℃）時，純空冷運(yùn)行；當(dāng)氣溫高于臨界噴水溫度（29℃）時，在節(jié)水優(yōu)先的控制策略下，逐步開啟若干臺蒸發(fā)空冷器的噴淋水泵，在濕冷段空冷與蒸發(fā)空冷串聯(lián)運(yùn)行，滿足在環(huán)境氣溫較高的條件下內(nèi)冷循環(huán)水降溫要求。見圖6、圖7。

圖6 干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)流程圖

圖7 干濕聯(lián)合冷卻布置示意圖

調(diào)相機(jī)外冷卻系統(tǒng)采用單元制，每臺調(diào)相機(jī)對應(yīng)一套獨(dú)立的外冷系統(tǒng)。每套外冷系統(tǒng)空冷單元設(shè)置7格空冷塔，每格冷卻塔配置10臺軸流風(fēng)機(jī)，每個空冷單元有2格空冷塔采用變頻風(fēng)機(jī)，其他5格空冷塔采用定頻風(fēng)機(jī)；每套外冷系統(tǒng)水冷單元設(shè)置3格蒸發(fā)冷卻塔。該方案可滿足調(diào)相機(jī)外冷系統(tǒng)在極端最高溫度下的冷卻要求。當(dāng)室外溫度較低時，系統(tǒng)純空冷運(yùn)行，外冷卻自動控制系統(tǒng)根據(jù)換熱管束內(nèi)外溫差自動關(guān)閉部分風(fēng)機(jī)，當(dāng)室外溫度達(dá)到極端最低溫度-32.0℃時，所有風(fēng)機(jī)均關(guān)閉，內(nèi)冷循環(huán)水在室外管道內(nèi)流動即可滿足降溫要求。

2.4 各系統(tǒng)對比分析

根據(jù)氣象資料，哈密地區(qū)極端最高溫度為43.9℃，依據(jù)最近5年夏季（三個月）逐時氣溫累積所統(tǒng)計(jì)的溫度分布顯示，哈密地區(qū)在典型年（2014年）超過38℃的累積數(shù)為40h。如果采用空冷系統(tǒng)，每年將有40h的時間，冷卻系統(tǒng)無法保證循環(huán)水的正常溫度，調(diào)相機(jī)設(shè)備不能正常運(yùn)行，因此空冷系統(tǒng)不適合本工程高溫的環(huán)境條件。

水冷系統(tǒng)與干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)均滿足調(diào)相機(jī)設(shè)備對外冷卻系統(tǒng)的技術(shù)要求，兩種冷卻方式單套系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)比較見表1。

表1 水冷與干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對比表

本調(diào)相機(jī)工程外冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用年限為40年，哈密地區(qū)由于水資源緊張，水費(fèi)為7.9元/m3，工業(yè)用電費(fèi)用為0.52元/kWh，兩種系統(tǒng)的運(yùn)行使用費(fèi)用及全壽命周期費(fèi)用對比見表2。

表2 水冷與干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用對比表

注：外冷卻系統(tǒng)價(jià)格中，包含其配電及自動控制系統(tǒng)

從表中可以看出，水冷系統(tǒng)占地面積較小，但其耗水量大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，全壽命周期費(fèi)用比干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)高1399.71萬元，且本工程所在地為荒漠，無植被，占地面積指標(biāo)并不是工程重大影響因素。綜上所述，本工程外冷卻系統(tǒng)采用干濕聯(lián)合蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。

3 結(jié)語

通過對比分析，空冷系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)所適用的室外環(huán)境條件各不相同。本工程所在地新疆哈密市屬于高溫差高寒缺水地區(qū)，干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)可滿足該地區(qū)環(huán)境條件下的冷卻要求，且其耗水量小，全壽命周期成本低，該系統(tǒng)可在類似環(huán)境條件地區(qū)推廣應(yīng)用。

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Research on Model Selection and Optimization for External Cooling System of Rotary Phase Modifier in High Temperature and Lack of Water Area

Xu Dakun Gan Lu

( Shandong electric power engineering consulting institute Co., Ltd, Jinan, 250000 )

The heat generated during the operation of the rotary phase modifier is huge. The selection of a reliable and efficient external cooling system plays an important role in ensuring the normal operation of the unit. In this paper , a variety of cooling schemes for external cooling system with the rotary phase modifier is discussed,and combined with the environmental characteristics of high temperature difference and lack of water in the project site,the combined evaporative cooling system of air cooling tower and evaporative cooler is selected. The system not only ensures the reliable operation of the rotary phase modifier, but also saves water and reduces the life cycle cost.

Rotary Phase Modifier; External Cooling; Air Cooling Tower; Evaporative Cooler

1671-6612（2019）06-609-04

TU86

B

徐大坤（1983.08-），男，研究生，高工，E-mail: 420221500@qq.com

2019-02-28