張輝亮 劉金革

冷水機組在電力電子水冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張輝亮 劉金革

（常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025）

現(xiàn)有電力電子設(shè)備水冷卻系統(tǒng)中，通常使用空氣冷卻器或冷卻塔作為外冷設(shè)備，該種設(shè)備不適合在常年高溫缺水的地區(qū)應(yīng)用。本文通過對目前換流站中電力電子設(shè)備水冷卻系統(tǒng)的分析和研究，提出了將冷水機組應(yīng)用于外冷卻系統(tǒng)的新思路，即采用冷水機組直接冷卻去離子水。通過實際工程應(yīng)用，驗證了該方案的可行性，為高溫缺水地區(qū)大功率電力電子閥的冷卻提供了技術(shù)支持。

電力電子；密閉式；水冷卻系統(tǒng)；冷水機組

0 引言

目前國內(nèi)外輸配電電力電子閥水冷卻系統(tǒng)室外熱交換器分為水冷卻、空氣冷卻或兩種混合的冷卻方式。當(dāng)采用水冷卻方式時，一般采用冷卻塔；當(dāng)采用空氣冷卻方式時，一般采用空氣冷卻器[1]。近年來輸配電電力電子設(shè)備用水冷卻系統(tǒng)實際工程應(yīng)用中，大多采用空氣冷卻器，也有少量工程應(yīng)用冷卻塔。

然而，使用空氣冷卻器要求環(huán)境溫度低于被冷卻對象進水溫度，當(dāng)環(huán)境溫度高于50℃時，會使冷卻系統(tǒng)的效率下降，電力電子設(shè)備的溫度升高，使用壽命降低，從而影響其正常使用；如使用冷卻塔則需項目地有充足的水資源。因此，在高溫缺水地區(qū)，上述的兩種冷卻方式的應(yīng)用均受到限制。

因此，需要研究一種水冷系統(tǒng)，能夠適應(yīng)高溫缺水地區(qū)的應(yīng)用,滿足輸配電電力電子設(shè)備的冷卻要求，并且保證電力電子設(shè)備可靠運行[2-10]。

1 水冷卻系統(tǒng)簡介

1.1 水冷卻系統(tǒng)的工作原理

輸配電電力電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，一般采用密閉式循環(huán)的冷卻方式。它包括主循環(huán)泵組、熱交換器、控制保護系統(tǒng)和管道等組成，其中主水泵組包括主水泵、去離子樹脂回路、穩(wěn)壓回路；熱交換器一般為空氣冷卻器、冷卻塔等一種或多種設(shè)備。其主要工作原理如圖1所示。冷卻媒質(zhì)（純水或水與防凍液混合物，即去離子水）經(jīng)主水泵增壓后，通過水管道進入熱交換器中（空氣冷卻器或冷卻塔），再與室外空氣進行熱量交換從而達到降低溫度的目的，然后流過電力電子設(shè)備閥組，帶出電力電子設(shè)備工作所產(chǎn)生的熱量而溫度升高，升溫后的冷卻媒質(zhì)經(jīng)過脫氣罐回到主水泵入口，形成一個密閉式循環(huán)回路，如此連續(xù)往復(fù)運行。為保證電力電子設(shè)備可靠運行，冷卻水需要滿足電力電子設(shè)備運行的電導(dǎo)率要求。為此，部分冷卻媒質(zhì)需要經(jīng)過離子交換器，不斷地處理系統(tǒng)中的冷卻水，使其滿足電力電子設(shè)備所要求的電導(dǎo)率值。

圖1 密閉式水冷卻系統(tǒng)工作原理

1.2 空氣冷卻器

空氣冷卻器是利用空氣來實現(xiàn)熱量交換，從而達到降低水溫的目的。空氣冷卻器與冷卻塔相比，具有節(jié)約水資源、節(jié)省維護成本、減少環(huán)境破壞和污染等優(yōu)點[11]。

空氣冷卻器由穿片管束或套片管束、風(fēng)扇和電機、配電箱、匯集水管、鋼結(jié)構(gòu)和其他附件組成。熱冷卻媒質(zhì)在管束內(nèi)流動，風(fēng)機帶動空氣流動并吹過管束，使管束內(nèi)高溫介質(zhì)得到冷卻，實現(xiàn)熱量的交換。

空氣冷卻器被廣泛應(yīng)用在國內(nèi)、外電力電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中。選用該設(shè)備時，一般被冷卻設(shè)備的進口水溫要高于環(huán)境極端溫度，以大于5℃為宜，設(shè)備散熱效果理想并且設(shè)備造價經(jīng)濟。因受電力電子設(shè)備進水溫度和環(huán)境溫度的制約，當(dāng)電力電子設(shè)備要求的進口溫度比環(huán)境溫度低時，該設(shè)備不能使用。

1.3 閉式蒸發(fā)冷卻塔

閉式蒸發(fā)冷卻塔近幾年在鋼鐵冶金、電力電子、機械加工、空調(diào)系統(tǒng)等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[12]。閉式冷卻塔源自于工業(yè)用蒸發(fā)式冷卻器，是利用自然環(huán)境中空氣的干濕球溫度差以間接蒸發(fā)的方式來降低水的溫度。熱的冷卻媒質(zhì)在蒸發(fā)冷卻塔盤管內(nèi)流過，冷卻塔頂部噴淋水均勻流過布置在塔頂?shù)膰娏芩?，在噴淋水泵的?qū)動下噴灑在冷卻塔盤管的表面，大氣中的冷空氣由塔體的進風(fēng)口流入塔內(nèi)，并在風(fēng)機的驅(qū)動下形成空氣循環(huán)，塔內(nèi)的空冷與噴灑下來的噴淋水呈反方向流過塔體盤管，通過噴淋水吸熱和風(fēng)機的驅(qū)動冷卻降低盤管中冷卻媒質(zhì) 溫度。

蒸發(fā)冷卻塔主要受濕球溫度的影響，一般地區(qū)濕球溫度小于28℃，所以能夠保證將電力電子設(shè)備入口水溫控制在45℃以下，因此水資源豐富的地區(qū)閉式冷卻塔也被廣泛應(yīng)用。雖然該設(shè)備能夠滿足冷卻要求，但是需要消耗大量的水資源，所以在常年缺水地區(qū)也不能使用。

2 冷水機組

相變是指物質(zhì)急劇的變化，例如冰變成水就是一種相變的過程。在現(xiàn)代制冷技術(shù)中，相變制冷是利用某種物質(zhì)相變時的吸熱效應(yīng)，從而達到降低溫度的效果[13]。冷水機組就是利用制冷劑（即134a、407c等環(huán)保冷媒）的相變實現(xiàn)制冷的常用設(shè)備。

本文主要以風(fēng)冷冷水機組為例來介紹制冷循環(huán)過程。冷水機組主要包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥、控制箱、蒸發(fā)器、連接管道等部件，構(gòu)成一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)。主要工作原理為：低溫低壓液態(tài)的制冷劑進入蒸發(fā)器，吸收被冷卻物的熱量后變成低溫低壓氣態(tài)的制冷劑再進入壓縮機，經(jīng)過壓縮機壓縮成高溫高壓氣態(tài)的制冷劑進入冷凝器，高溫高壓蒸汽通過冷凝器向大氣中釋放熱，同時制冷劑變成低溫高壓的液體，最后經(jīng)過膨脹閥節(jié)流后再回到蒸發(fā)器中，如此周而復(fù)始地循環(huán)，從而實現(xiàn)制冷過程。冷水機組工作原理如圖2所示。

圖2 冷水機組工作原理

3 冷水機組在水冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 工程概況

某海外項目需要為電力電子設(shè)備提供一套水冷卻系統(tǒng)，要求冷卻容量150kW，項目最高環(huán)境溫度為50℃，電力電子設(shè)備入口水溫要求小于45℃。項目地常年缺水，所以水資源比較匱乏，水的成本較高。受以上條件所限，常規(guī)冷卻系統(tǒng)空氣冷卻器和冷卻塔均不能應(yīng)用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱管制冷技術(shù)應(yīng)用普遍，技術(shù)成熟，且在高溫環(huán)境中可實現(xiàn)制冷，能夠滿足電力電子設(shè)備冷卻要求。經(jīng)過對比150kW同換熱容量下空冷器、冷卻塔和冷水機組的電源損耗和成本，發(fā)現(xiàn)冷水機組的電源損耗和成本相比其他兩種設(shè)備較高，電源損耗和成本對比見表1。

表1 電源損耗和成本對比

盡管冷水機組損耗和成本較高，但是制冷能夠滿足電力電子設(shè)備冷卻要求，該設(shè)備可提供更低的進水溫度，相比其他兩種冷卻設(shè)備制冷效果好，同時也可提高電力電子設(shè)備的使用壽命。其次因為工程實際受高溫和缺水條件限制，因此該工程只能選用冷水機組。通過工程應(yīng)用實例，專門設(shè)計了一種使用冷水機組直接冷卻去離子水的密閉式水冷系統(tǒng)，并申請了專利（專利號：201821638338.X），經(jīng)工程實施驗證，可以滿足電力電子設(shè)備運行要求。

3.2 冷水機組設(shè)計

經(jīng)設(shè)計，該項目將冷水機組串聯(lián)于主循環(huán)泵和被冷卻電力電子設(shè)備之間，電力電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量傳遞給水，通過主循環(huán)泵提升，進入冷水機組，經(jīng)過冷水機組冷卻后的水再回到電力電子設(shè)備，形成密閉式循環(huán)，周而復(fù)始運行。冷卻系統(tǒng)用冷水機組示意圖如圖3所示。

圖3 冷卻系統(tǒng)用冷水機組示意圖

在設(shè)計中，將冷水機組串聯(lián)于主循環(huán)泵和被冷卻電力電子設(shè)備之間，電力電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量經(jīng)由主循環(huán)泵組將冷凍水傳遞到冷水機組的蒸發(fā)器，然后蒸發(fā)器通過制冷劑（即134a環(huán)保冷媒），制冷劑將熱量傳遞給冷水機組中的冷凝器，最終由冷凝器將熱量傳遞至大氣中。

我國暖通專業(yè)工程設(shè)計界目前普遍采用冷卻水進出口溫度為32～37℃[14]。電力電子設(shè)備入口水溫一般要求小于45℃。根據(jù)項目環(huán)境50℃運行要求，總設(shè)計制冷量為150kW。經(jīng)設(shè)計選用3臺50kW壓縮機，每臺壓縮機可以獨立控制。根據(jù)相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和部件的選型要求，選用R134a作為制冷劑，它屬于中溫制冷劑；冷水機組的蒸發(fā)溫度范圍為15～20℃，冷凝溫度為65℃，冷凍水出口水溫度≤32℃，冷凍水入口水溫度≤38℃。

3.3 制冷試驗

為了驗證冷水機組的實際制冷效果，試驗通過模擬不同環(huán)境溫度和不同制冷容量條件下，測量冷水機組冷凍水出口水溫（也即內(nèi)冷卻系統(tǒng)中進入電力電子設(shè)備的入口水溫）來進行判斷。

試驗時，將冷水機組放置在密閉的氣候試驗室內(nèi)，室內(nèi)裝有環(huán)境溫度傳感器，可以實時監(jiān)測室內(nèi)的空氣溫度。用電加熱器來模擬電力電子設(shè)備的發(fā)熱，提高循環(huán)被冷卻水的溫度。在冷水機組蒸發(fā)器被冷卻水側(cè)入口和出口分別安裝有溫度傳感器，監(jiān)測入口和出口的水溫。測試系統(tǒng)回路圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)回路圖

改變室內(nèi)的環(huán)境溫度，并開啟對應(yīng)編號的壓縮機，記錄環(huán)境溫度、出口水溫、入口水溫的測試數(shù)據(jù)。最后調(diào)節(jié)實驗室內(nèi)環(huán)境溫度，將環(huán)境溫度升高到50℃以上，同時開啟3臺壓縮機，記錄相關(guān)的測試數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)見表2。

通過對試驗數(shù)據(jù)分析可以得到，在環(huán)境平均溫度50.3℃、發(fā)熱量150.1 kW時，冷水機組冷凍水的出口平均溫度為30.5℃，進口平均溫度為36.7℃，均小于設(shè)計要求的32℃和38℃，從而證明該冷水機組達到了設(shè)計的制冷要求，滿足電力電子設(shè)備的入口溫度要求。此外，試驗也從側(cè)面分別對3臺壓縮機的工作性能進行了驗證。

表2 冷水機組制冷測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

冷水機組技術(shù)作為一種高效的制冷方式，其在空調(diào)制冷行業(yè)應(yīng)用十分普遍，技術(shù)也比較成熟，但在國內(nèi)外換流站電力電子設(shè)備水冷卻系統(tǒng)中卻未見有相關(guān)的報道或應(yīng)用。本文通過對常年高溫缺水地區(qū)換流站電力電子設(shè)備外冷卻系統(tǒng)的研究，首次提出了將冷水機組直接應(yīng)用在換流站電力電子設(shè)備用水冷卻系統(tǒng)中的新思路，即采用冷水機組直接冷卻去離子水，并以實際工程為應(yīng)用案例，試驗證明了該方案的可行性，為高溫缺水地區(qū)的冷卻應(yīng)用提供了技術(shù)支持和方案，具有一定的市場應(yīng)用價值，對推動電力電子設(shè)備冷卻技術(shù)的發(fā)展也有一定的借鑒意義。

值得注意的是，該冷水機組制冷時壓縮機需要消耗一定的電能，相比空氣冷卻器和冷卻塔來說能耗可能會增加。在實際工程應(yīng)用中，需要綜合考慮環(huán)境溫度、水資源條件、電力電子設(shè)備進水溫度等因素，合理選擇適用的冷卻設(shè)備。

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Research and application of chillers in power electronic water system

ZHANG Huiliang LIU Jin’ge

(NR Electric Power Electronics Co., Ltd, Changzhou, Jiangsu 213025)

Air coolers or cooling towers are commonly used as outdoor cooling equipment in the water-cooling systems of existing power electronic equipment. Based on the analysis and research of the current waters cooling system of power electronic equipment in the converter station, a new methodof direct application in power electronic equipment cooling water system is put forward. The de-ionized water is directly used in the water refrigeration chiller, which was proved to be feasible by practical application. The feasibility of the scheme is verified through practical engineering application, which provides technical support for the cooling of high-power power electronic valve in the area with high temperature and water shortage.

power electronics; closed; water cooling system; chiller

2020-05-25

2020-06-29

張輝亮（1985—），男，本科，主要從事電力電子設(shè)備冷卻研究工作。