空-水冷卻和密閉冷卻在高壓變頻應用中的對比分析

1 運用背景描述

目前，高壓變頻調速節能技術已在電力行業中得到廣泛應用。隨著600MW及以上機組成為火發電的主力機型，高壓變頻器在引風機、一次風機、凝結泵等變頻節能改造應用中的容量，也都在逐步提高到2000kW以上。高壓變頻器應用中的設備散熱和運行環境問題成為直接影響變頻器自身運行可靠性和機組安全穩定的重要因素。而且，隨著變頻器裝機容量和功率的增加，其輔助冷卻系統的投資和運營成本也逐漸成為項目實施不可小覷的一個重要環節。采取配套適用的高壓變頻專用冷卻系統，對提高設備安全穩定性能、降低輔助冷卻系統的運營成本，實現高壓變頻節能項目收益最大化，具有積極意義。

大唐某電廠根據節能降耗措施的需要，對3#、4#機組配套的2240kW一次風機系統實施變頻節能改造。按照變頻器額定功率2240kW、變頻器效率96%計算，每臺高壓變頻器的額定發熱量 。即：如果將變頻器室內環境維持在允許工作溫度范圍內，必須將變頻器產生的熱量全部帶出室外，避免變頻器室內出現熱量累積。因此，每臺變頻器對制冷或熱交換系統的冷量需求約90kW。

如果采用空調方式冷卻，那么，每小時需要將消耗36kWh的電能用于變頻器本體散熱。這不僅需要大量的設備投資，還需要以損失一次風機變頻器節約的電量作為代價；既不經濟也不符合變頻改造的初衷。采用風道冷卻方式，可以節能；但是又會因現場粉塵原因，帶來設備維護量大、易引發設備故障等影響設備運行安全。經過多方研究論證，結合現場的安裝位置和空間情況，為兩臺HARVERT系列一次風機高壓變頻器分別采用了空-水冷卻系統和密閉冷卻系統。從而，既滿足設備運行安全，又解決了冷卻系統運行成本高的問題，達到節能降耗的目的。

2 空-水冷卻方案

2.1 系統介紹

3#機組A一次風機現場空間位置較大，適合采用空間需求較大的空-水冷卻系統。BLH-CK系列空－水冷卻系統，從根本上解決了單位散熱密度高、功率大，有效提高系統安全可靠性、降低運營成本的問題。該系統是一種可將變頻器柜頂排出的熱風100%進行熱交換冷卻的高效、環保、節能的封閉式冷卻系統。該系統由于其采用完全機械型式設計，較空調等電力、電子設備而言系統簡單，具有明顯的安全、可靠性。其工作原理是：將變頻器的熱風通過風道直接通過空冷裝置進行熱交換，由交換器內部的冷卻水管道與熱空氣進行非介質接觸式交換，直接將變頻器散失的熱量帶走；避免變頻器對室內環境形成加熱作用。空冷裝置的供水壓力在0.25~0.35MPa、冷水溫度不大于33 ℃時，即可保證熱風經過交換器后，將變頻器室內的環境溫度控制在40℃以下。從而，保證了變頻器室內良好的運行環境。同時，由于房間密閉，變頻器利用室內的循環風進行設備冷卻，具有粉塵度低，維護量小的特點；減少了環境對變頻器功率柜、控制柜運行穩定性的不利影響。該系統具備以下幾方面的特點：

(1) 設備安裝簡單、快捷。

(2) 設備使用壽命長，故障率低，性能可靠。

(3) 運營成本低。空－水冷卻系統的運營成本只有同等熱交換功率空調冷卻方式的1/5~1/8。

(4) 變頻器免維護周期長、維護量低小，環境衛生。

2.2 安全性能評價

該系統設備整體安裝于高壓變頻器室墻外，冷卻水與循環風完全分離，水管線在變頻室外與高壓設備明確分離，確保高壓設備室不會受到防水、絕緣破壞等安全威脅和事故避免冷卻水管線在高壓室內布局容易出現破裂后漏水危及高壓設備運行安全的嚴重事故發生。在空-水冷卻系統的設計當中，為了防止空冷裝置出口側凝露帶水排入室內，對空－水冷卻裝置的出風口、風速等指標進行設計計算；保證良好的排壓情況下，運行安全穩定。同時，冷卻系統提供風機、空－水冷卻裝置的故障報警檢測點，可遠傳至DCS。

3 密閉冷卻方案

3.1 系統介紹

3#機組B一次風機現場空間位置有限，采用占地面積較小的密閉冷卻系統。密閉式冷卻系統采用R134a制冷劑作為熱交換介質，利用高效制冷壓縮機組進行冷熱量轉換。室內交換器直接安裝于變頻器功率柜柜頂，柜頂排出的熱風經熱交換器后由制冷劑直接將熱量帶到室外；通過壓縮機組將熱量散失到大氣中。該系統能夠保證變頻器始終處于30~35℃運行環境，大幅度延長濾網更換周期減少現場維護量。且不受現場安裝空間、位置、環境溫度等條件限制，具有更強的適應能力。制冷壓縮機組安裝于變頻器附近，允許在-15~+45℃環境溫度下持續工作。該系統具備以下幾方面的特點：

(1) 密閉冷卻與變頻器一體化設計，系統結構緊湊，體積小。

(2) 采用工業用高效渦旋式制冷壓縮機組，高效、節能、環保。

(3) 運營成本低。密閉冷卻系統的運營成本只有同等熱交換功率空調冷卻方式的1/3~1/2。

(4) 設備封閉環境運行，變頻器不受室外環境影響。

3.2 安全性能評價

設備整體安裝于變頻器功率柜頂部，冷卻器采用大風量小焓差的方式設計，出風口無冷凝。系統配備制冷壓縮機組和兩路獨立電源供電，根據變頻器運行功率負荷大小選擇開啟一臺或兩臺工作，提高冷卻裝置的安全經濟性能。當單段電源故障時，另外一側電源帶兩臺壓縮機100％負荷，提高系統安全、可靠性能。同時，提供溫度、運行狀態、故障報警等DCS標準信號接口。

4 小結

通過對兩種不同冷卻方式在600MW機組一次風機變頻器改造中應用的技術性對比分析可以看出：在現場空間允許的情況下，采用空-水冷卻系統是最佳方案，而在空間受限的情況密閉冷冷卻不失為一種理想的冷卻解決方案。

4.1 運行效果

3#機組A、B一次風機系統在不同機組負荷工況采用變頻方式運行時的溫度曲線如下圖所示。由圖中可以看出：采用空水冷卻系統的變頻器溫度在22~38.5℃之間變化，受室外環境溫差和機組負荷的影響明顯；采用密閉冷卻的變頻器溫度則相對比較穩定，溫度在31~35℃之間波動，受室外環境和機組負荷的影響較小。

3#機組采用變頻改造后，兩臺一次風變頻器冷卻系統的實際耗電量統計如下所示。通過數據分析可以得出：在同一機組的同負載運行工況下，采用空水冷卻系統的變頻器較密閉冷卻方式的變頻器平均每天少用251度，相比而言節約66%電量。

若以年運行7000小時計算，兩臺變頻器采用空調冷卻則需要消耗50.4萬度電；而A一次風機變頻器空-水冷卻系統的年耗電量3.7萬kWh，B一次風機變頻器密閉冷卻的年耗電量11.0萬kWh。兩臺變頻器由于采用新型冷卻方式運行，每年節約電量達35.7萬度，經濟效益顯著。

表1 實際耗電量統計

4.2 結束語

實踐證明：兩種新型冷卻方式的實際應用，大大提高了高壓變頻的安全穩定性、實現節能效益最大化。并為今后高壓變頻節能改造實施提供了寶貴的可借鑒經驗。