二次設(shè)備預(yù)制艙散熱模式分析及控制策略研究

包安群，李 俊，袁滌非

（1.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 211153；2.四川省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，四川 成都 610000）

二次設(shè)備預(yù)制艙散熱模式分析及控制策略研究

包安群1，李 俊2，袁滌非1

（1.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 211153；2.四川省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，四川 成都 610000）

文章介紹并分析二次設(shè)備預(yù)制艙內(nèi)部以空調(diào)作為主要散熱器件的散熱方案，并指出其中的不足，提出了空調(diào)與風(fēng)機聯(lián)動的散熱模式，充分利用自然條件，在高溫時段以空調(diào)作為散熱器件，保障散熱效果，在非高溫時段，以風(fēng)機作為散熱器件，降低能耗，2種散熱器件互為備份，在節(jié)能環(huán)保的基礎(chǔ)上，提升了系統(tǒng)的可靠性。對多設(shè)備協(xié)同工作的控制策略進行了研究，給出了不同外部環(huán)境下的針對性的控制方法，實現(xiàn)了二次設(shè)備預(yù)制艙內(nèi)部的高可靠、低功耗散熱。

二次設(shè)備預(yù)制艙；散熱模式；空調(diào)風(fēng)機聯(lián)動；控制策略；高可靠；低功耗

二次設(shè)備預(yù)制艙利用“工廠化加工、模塊化”建設(shè)的實施模式，可有效提高智能變電站二次設(shè)備的建設(shè)效率。預(yù)制艙作為二次設(shè)備的載體，需要為設(shè)備提供防護及良好的運行環(huán)境。由于二次設(shè)備運行時發(fā)熱量較大，且預(yù)制艙為密閉腔體，散熱是預(yù)制艙內(nèi)部環(huán)境控制的關(guān)鍵因素。

本文就目前常用的預(yù)制艙散熱方案進行了分析，針對以空調(diào)為主要散熱器件所存在的能耗高、可靠性低的問題，提出了空調(diào)、風(fēng)機結(jié)合，二者聯(lián)動進行預(yù)制艙內(nèi)部散熱的工作模式，并形成與之相適應(yīng)的控制策略。

1 二次設(shè)備預(yù)制艙常用散熱模式簡介

目前工程實施中，常用的預(yù)制艙散熱方案多以空調(diào)作為主要的散熱器件，通過壓縮機和制冷劑的協(xié)同作用，可使艙內(nèi)溫度低于環(huán)境溫度，實現(xiàn)內(nèi)、外部溫度逆差。但由于空調(diào)處于常年不間斷工作狀態(tài)，耗能較大，且一旦空調(diào)出現(xiàn)故障，預(yù)制艙內(nèi)部溫度將會迅速上升，導(dǎo)致設(shè)備故障，影響供電系統(tǒng)安全運行。同時，空調(diào)長期工作對設(shè)備使用壽命也有不利影響。這就要求設(shè)計一種新的二次設(shè)備預(yù)制艙散熱模式，并形成與之相適應(yīng)的控制策略。

本文在基于“低功耗、高可靠”這一核心目標的基礎(chǔ)上，提出了空調(diào)、風(fēng)機結(jié)合，2者聯(lián)動進行預(yù)制艙內(nèi)部散熱的工作模式。由于夏季高溫時間不超過全年的1/3的特點，在非高溫時間，通過艙內(nèi)風(fēng)道的優(yōu)化設(shè)計，利用風(fēng)機制造艙體內(nèi)、外部空氣的流通，以對流的方式實現(xiàn)預(yù)制艙的散熱，使空調(diào)的全年工作時間縮短2/3，實現(xiàn)了低功耗。同時，2種散熱器件互為備份，提升了散熱系統(tǒng)的可靠性。并且，空調(diào)工作時間的縮短，也間接延長了空調(diào)的使用年限。

2 二次設(shè)備預(yù)制艙內(nèi)部散熱模式簡介

二次設(shè)備艙是戶外智能變電站二次設(shè)備的結(jié)構(gòu)載體。根據(jù)國家電網(wǎng)公司相關(guān)規(guī)范[2]，二次設(shè)備艙型號分為I型、II型、III型，尺寸分別為6 200 mm×2 800 mm×3 133 mm，9 200 mm× 2 800 mm×3 133 mm，12 200×2 800×3 133 mm（長×寬×高）。

為保障預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備正常運行，要求艙內(nèi)溫度為18～25℃，當溫控設(shè)備出現(xiàn)局部故障時，艙內(nèi)溫度可短時控制于5～30℃范圍。目前常用的散熱器件有3種，分別為風(fēng)機、熱交換器、空調(diào)。風(fēng)機的散熱原理是通過內(nèi)、外部空氣的對流，將冷空氣置換熱空氣，從而帶走熱量；熱交換器的工作原理是內(nèi)、外部的空氣同時經(jīng)過導(dǎo)熱系數(shù)很高的換熱區(qū)域，通過熱傳導(dǎo)效應(yīng)，將熱量由高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞；空調(diào)的工作原理是利用制冷劑相變時可傳遞熱量的特點，通過壓縮機使制冷劑在液態(tài)與氣態(tài)直接轉(zhuǎn)換，從而達到降低溫度的作用。由3種散熱器件的工作原理可知，只有空調(diào)可以實現(xiàn)內(nèi)、外部溫度逆差，即熱量由低溫區(qū)向高溫區(qū)傳遞。

由于國內(nèi)幾乎所有地區(qū)夏季溫度均超過25℃，加之艙內(nèi)設(shè)備的發(fā)熱，要使艙內(nèi)溫度低于外部環(huán)境溫度，必須采用空調(diào)作為散熱器件。為提高散熱系統(tǒng)的可靠性，1臺預(yù)制艙通常配置2臺空調(diào)，一用一備。預(yù)制艙使用環(huán)境溫度范圍為-40～45℃，普通民用分體式空調(diào)無法在低溫環(huán)境下正常工作及存儲，因此，通常采用壁掛式工業(yè)空調(diào)。根據(jù)預(yù)制艙體積的不同，空調(diào)的制冷量也有所區(qū)別，如表1所示。

表1 預(yù)制艙空調(diào)制冷量配置表

以空調(diào)作為散熱器件，具有散熱效果好、設(shè)計方案簡單的優(yōu)點。但空調(diào)功耗較高，以III型預(yù)制艙中使用的制冷量5 000 kW的空調(diào)為例，其能效比約為2.2，則空調(diào)的功耗約為2 270 W。而III型預(yù)制艙在滿配置的情況下可安裝25面機柜，每面機柜平均安裝2臺二次設(shè)備，1臺設(shè)備的平均發(fā)熱功耗約為50 W，則艙內(nèi)設(shè)備的總發(fā)熱功耗約為2 500 W。通過計算機仿真分析，當處于密閉狀態(tài)的III型預(yù)制艙處于工作狀態(tài)時，如果空調(diào)不工作，則內(nèi)外部溫度差為10℃。如果要將艙內(nèi)溫度控制在25℃以下，則當外部環(huán)境溫度高于15℃時，空調(diào)就應(yīng)當處于工作狀態(tài)。根據(jù)氣象統(tǒng)計，氣候條件相對溫和的華東地區(qū)，全年平均氣溫超過15℃的時間約為200天，即預(yù)制艙內(nèi)空調(diào)有200天處于工作狀態(tài)，其一年的功耗累計超過20 000 kW·h。

并且，由于工業(yè)空調(diào)的工作原理，即使空調(diào)處于非工作狀態(tài)，其風(fēng)機也始終保持在通風(fēng)狀態(tài)，而風(fēng)機的使用壽命決定著空調(diào)的使用壽命。因此，空調(diào)長期工作或待機，會縮短空調(diào)使用壽命，影響散熱系統(tǒng)的可靠性。

3 空調(diào)與風(fēng)機協(xié)同散熱的方案

針對以空調(diào)作為唯一散熱器件的散熱方案的缺點，進行了相應(yīng)的優(yōu)化，提出了空調(diào)與風(fēng)機協(xié)同工作的散熱模式。

根據(jù)前文所述，可利用風(fēng)機對艙內(nèi)、外空氣進行置換，達到傳遞熱量的效果，從而使艙內(nèi)、外溫度差保持在相對溫度的范圍。設(shè)定艙內(nèi)設(shè)備發(fā)熱功耗2 500 W，內(nèi)部環(huán)境溫度25℃，艙壁傳熱系數(shù)為0.45 W/（m2·K）[3]，配置2臺換氣量為300 m3/h的風(fēng)機，利用計算機軟件仿真可得外部環(huán)境溫度為20℃，即利用風(fēng)機作為散熱器件，在艙外環(huán)境溫度處于20℃以下時，是可行的。

以風(fēng)機作為散熱器件，必然要在艙體上設(shè)置通風(fēng)口，這需要解決散熱與防護的矛盾。為防止灰塵進入艙內(nèi)，并在風(fēng)機不工作時保持艙體密封，可在通風(fēng)口處設(shè)置過濾網(wǎng)，并安裝自垂式百葉窗，如圖1所示。

圖1 自垂式百葉窗示意圖

當風(fēng)機不工作時，百葉窗在自身重力的作用下，處于下垂狀態(tài)，自然將通風(fēng)口關(guān)閉，保持艙體密閉。當風(fēng)機工作時，由于風(fēng)力的作用，推動百葉窗克服重力影響，達到開啟狀態(tài)，實現(xiàn)艙內(nèi)外空氣流通。

4 空調(diào)結(jié)合風(fēng)機散熱的控制策略

在由空調(diào)作為主要散熱器件的散熱方案中，對內(nèi)部環(huán)境溫度的控制主要依靠空調(diào)自身的控制邏輯，設(shè)定目標溫度，由空調(diào)自帶的控制系統(tǒng)完成溫度控制，并將數(shù)據(jù)上傳。此方案簡單易行，但溫度數(shù)據(jù)取自空調(diào)附近的溫度，與艙內(nèi)實際溫度有一定的差異，控制精度較低，且無法與其他設(shè)備協(xié)同控制。

當采用空調(diào)與風(fēng)機結(jié)合的散熱模式時，為確保采集的溫度數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的一致性，可在艙內(nèi)設(shè)置多個溫度采樣點，取其平均值作為參考數(shù)據(jù)。控制目標溫度上限設(shè)置為25℃，溫度回差為±3℃。當測得的艙內(nèi)溫度超過25℃時，首先啟動風(fēng)機，如果風(fēng)機的散熱效果可使艙內(nèi)溫度降至25℃以下，則保持風(fēng)機運轉(zhuǎn)，進行散熱。如果艙內(nèi)溫度繼續(xù)上升，超過目標溫度3℃，即達到28℃時，關(guān)閉風(fēng)機，啟動空調(diào)制冷。當艙內(nèi)溫度下降至低于目標溫度3℃，即22℃時，停止制冷。

5 結(jié)語

本文總結(jié)了二次設(shè)備預(yù)制艙內(nèi)以空調(diào)作用主要散熱器件的散熱方案及其優(yōu)缺點，提出了一種空調(diào)與風(fēng)機結(jié)合，協(xié)同工作的二次設(shè)備艙散熱模式，并制定了與設(shè)備特點相適應(yīng)的控制策略。在不同的外部環(huán)境溫度條件下，以不同的設(shè)備作為主要散熱器件，利用風(fēng)機功耗低的特點，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、延長空調(diào)壽命的目標。同時，空調(diào)和風(fēng)機互為備用，有效地提升了系統(tǒng)的可靠性。

[1]國家電網(wǎng)報.智能化：變電站建設(shè)新趨勢[N].北京：國家電網(wǎng)報，2013-07-15（08）.

[2]林冶，林志和，尹元.國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準Q/GDW 11157—2014預(yù)制艙式二次組合設(shè)備技術(shù)規(guī)范[Z].國家電網(wǎng)公司，2014（12）：1-20.

[3]顧理.淺談金邦板的建筑節(jié)能及應(yīng)用[J].建設(shè)科技，2008（18）：217-219.

Analysis and control strategy of the two equipment pre cooling system

Bao Anqun1, Li Jun2, Yuan Difei1
（1.Nanjing State Power South Power Grid Automation Co., Ltd., Nanjing 211153, China; 2.Economic Research Institute of Sichuan Province Electric Power Company, Chengdu 610000, China）

This article introduces and analyses the two internal cooling solution to air as the main equipment of prefabricated cabin cooling devices, and points out the limitations of the proposed cooling mode of joint air conditioning and fan, make full use of natural conditions in high temperature period to air as the cooling device, ensure the cooling effect, in the non high temperature period, with the wind as the cooling device, reduce energy consumption, 2 kinds of radiator pieces back up each other, based on energy conservation and environmental protection, enhance the reliability of the system. The control strategy of coordination equipment research, given the different external environment for the control method, realized two prefabricated high internal cabin equipment reliable , low power dissipation.

two equipment prefabricated module; cooling mode; air conditioning fan linkage; control strategy; high reliability; low power consumption

包安群（1963—），男，遼寧大連，高級工程師；研究方向：電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、研究、開發(fā)。