蒸發冷卻技術在電廠風機高壓變頻系統中的應用

王亮，趙文博

(中國節能減排有限公司，北京 100011)

蒸發冷卻技術以其天然制冷的神奇魅力，已在我國西部大地上生根發芽。隨著國家全面推行節能減排與鼓勵使用蒸發冷卻空調技術的相關政策與措施的出臺，蒸發冷卻技術迎來蓬勃發展的新階段。除傳統的應用于建筑與暖通系統等場合外，蒸發冷卻技術在工業現場的使用也日益廣泛。尤其在干熱地區，由于其具有節能、耗水量低、制冷效果好等優勢，可應用于高壓變頻器直接空冷與間接空冷等多種應用場合。本文就蒸發冷卻技術在某電廠二次風、引風機變頻改造工程的應用進行具體的闡述。

1 工作原理

空氣的干濕程度不同，其容納水蒸氣的能力亦不同。由于干燥的空氣可以容納較多的水蒸氣，而水蒸發會吸收熱量，因此，空氣在由干變濕的過程中，能為空調提供所需要的能量。干燥空氣所具有的這種能量，就稱為干空氣能。

干空氣能在我國的北部、西北部區域，可以說是取之不盡，用之不竭的清潔可再生能源。

蒸發冷卻是利用水蒸發制冷的技術。水在空氣中具有蒸發的能力。在沒有其他熱源條件下，水與空氣間的熱濕交換過程是空氣將顯熱傳遞給水，使空氣的溫度下降，而由于水的蒸發，不但空氣的含濕量要增加，而且進入空氣的水蒸氣會帶回一些汽化潛熱，當這兩種熱量相等時，水溫達到空氣的濕球溫度。只要空氣不是飽和的，利用循環水直接（或通過填料層）噴淋空氣，就可獲得降溫效果。將冷卻后的空氣作為送風以降低室溫，這種處理空氣的方式被稱為蒸發冷卻。

2 應用概況

某電廠二次風、引風機變頻改造工程共采用6kV/1400kW高壓變頻器8臺，6kV/3200kW變頻器8臺，采用集中布置方式。

變頻器室為二層獨立框架結構，高10.5m，其中零米層布置6kV/1400kW高壓變頻器4臺，6kV/3200kW變頻器4臺，上進線方式；6.5m層布置6kV/1400kW高壓變頻器4臺，6kV/3200kW變頻器4臺，下進線方式。10.5m層布置蒸發冷卻機組4臺。

變頻器等電氣設備在運行過程中發熱量較大，使變頻器在室內的環境溫度不斷升高。電氣設備長期處于高溫環境中工作，對電氣設備的壽命和設備的工作狀態都會有較大的影響，控制變頻器工作的環境溫度至關重要。

變頻器主要發熱部件為變壓器和功率單元，采用直接空冷方式，通過柜頂風機向變頻器室內散熱。變頻器室采用蒸發冷卻方式，設置直接蒸發冷卻段和間接蒸發冷卻段，通過二級蒸發冷卻機組進行整體冷卻。

2.1 設計條件

（1）室外空氣設計參數。夏季室外空氣計算干球溫度：29.2℃，夏季室外空氣計算濕球溫度：19℃；夏季大氣壓：84863Pa。

（2）室內空氣設計參數。室內設計空氣干球溫度：28～35℃，室內設計空氣相對濕度：30～50%。

（3）變頻器柜頂風機參數（見表1）。

表1 變頻器柜頂風機參數表

2.2 蒸發冷卻機組選型

變頻器本身帶有冷卻風機，將柜內發熱元件產生的部分熱量靠空氣帶走，冷卻空氣總量為584000m3/h。如果在變頻器頂部接上排風道道，把40%熱風排至室外，那么至少40%顯熱負荷被排至室外。蒸發冷卻空氣處理機組只需要處理剩余的60%（728.64kW）的顯熱負荷。

變頻器室內發熱量，根據變頻器生產廠家給出的計算方法確定：首先將變頻器的額定功率相加匯總，按照匯總后的額定總功率乘以110%作為計算額定功率，按照計算額定功率的3%，計算變頻器的顯熱發熱量。計算結果如下：

計算額定功率：N=8×(3200+1400)×1.1=40480kW。

顯熱發熱量：Q=N×3%=40480×3%=1214.4kW。

（1）間接蒸發冷卻器工作效率78%：

其中：tm1為間接蒸發冷卻器出口干球溫度；tw為間接蒸發冷卻器進口空氣干球溫度；tws為間接蒸發冷卻器進口空氣濕球溫度；η為間接蒸發冷卻器熱交換效率。

（2）直接蒸發冷卻器效率74%，直接蒸發冷卻器的終狀態干球溫度計算：

式中：to為直接蒸發冷卻器出口干球溫度；tm1為直接蒸發冷卻器進口干球溫度；tm1s為直接蒸發冷卻器進口濕球溫度。

通過計算說明，間接蒸發冷卻+直接蒸發冷卻處理后，空氣的終狀態點可達17.8℃。通過兩級蒸發冷卻處理，室外空氣由29.2℃處理到17.8℃送入室內，室內設計干球溫度為30℃，送風溫差為12.2℃,完全可保證室內溫度的要求。

2.3 風道布置

變頻器室設置1條等截面風道。風道上設置不銹鋼球形射流可調風口，側向射流送風。在建筑樓梯間走廊區設置風井1處，從2層屋面到底層貫穿。1、2層分別從風井送風至變頻器室。

室內風道設置回流調節閥，用于平衡室內的氣流組織。墻面設置軸流風機并配置球形噴口，可調節室內外的氣流。

2.4 蒸發冷卻與空水冷系統的比較

蒸發冷卻作為一種新型設備冷卻技術，相比較于傳統的空水冷方式，具有以下明顯的優點。

（1）占地小，安裝方便。蒸發冷卻機組可以利用屋面等室外空間進行布置，同時風道和蒸發冷卻機組的安裝簡單方便，可以根據現場的散熱狀況進行靈活的布置。

（2）耦合性低，聯結方便。空水冷方式通過循環冷卻水帶走設備內部的熱量，和變頻器耦合性高，一旦空水冷發生故障，就會導致變頻器超溫，嚴重會造成變頻器保護動作。而蒸發冷卻機組是通過室內空氣的冷卻來給變頻器整體降溫，室內設置多臺機組可互為備用。某個蒸發冷卻裝置故障、檢修等，不影響變頻器的整體運行。蒸發冷卻機組通過室內風道對重點發熱部位進行降溫冷卻，聯結方式較空水冷方便。

（3）維護量小，運行省電。蒸發冷卻機組結構簡單，各級冷卻部件可單獨維修，運行安全可靠。利用高溫干燥的空氣與水之間的顯熱和潛熱的轉換來實現制冷的過程，沒有壓縮機等大功耗設備，較其他冷卻方式省電。

（4）運行方式靈活。蒸發冷卻機組投運和退出方便，可根據變頻器運行工況靈活調整投運方式。風道設置回流調節閥，在冬季可利用變頻器自身發熱向室內補充熱量，保證室內運行溫度，尤其適用于西北寒冷地區。

2.5 運行效果

電廠風機高壓變頻系統投運后，經過一年半時間的運行檢驗，蒸發冷卻機組運行良好。當夏季室外溫度35℃，風機負荷70～80%時，室內溫度約28℃。

3 蒸發冷卻應用中的注意事項

3.1 冷量的匹配問題

蒸發冷卻機組在應用系統中，需要注意冷量與實際散熱需要保持匹配的問題。根據室外溫度的區間段，可以調節直接蒸發機組和間接蒸發機組的工作模式，依靠自然蒸發等滿足制冷要求，最大限度節能，見表2。

表2 蒸發冷卻機組運行模式表

3.2 室內氣壓的平衡問題

蒸發冷卻機組工作中，通過風道向室內輸送冷風，通過變頻器柜頂風機將部分熱空氣送出室外。

為保證室內空氣平衡，經過蒸發冷卻機組處理過的冷空氣由風管送至室內，在室內用球形射流風口給變頻器室內送風。在變頻器排風道上設置回流調節閥，保持室內的正壓狀態。

變頻器室墻面設置軸流風機，將變頻器柜頂風機的熱風排至室外。在排風管室內側裝設對開多頁調節閥，把排風總量的一部分回流至室內，以調節送風與排風的平衡。

空氣平衡校核：總排風量為584000m3/h，40%排風量為233600m3/h。冷卻后總送風量為240000m3/h。送風量大于排風量，室內處于微正壓狀態運行，符合規范要求。

3.3 防塵問題

變頻器是一種電子設備，功率單元多由高密度電力電子元件組成，對于工作環境有較高的要求，尤其對于灰塵的影響比較敏感。積灰有可能導致絕緣下降甚至擊穿，造成功率單元的損壞。

蒸發冷卻機組在送風時，需要由室外補充空氣，對于電廠的工作環境，由于粉塵的含量高，極易造成外部粉塵被吹入變頻室內，造成室內積灰。因此，在蒸發冷卻應用過程中，要采取以下措施。

（1）在蒸發冷卻機組的直接蒸發段和間接蒸發段上均需加裝濾塵網，且應定期的清理，保證機組內部的清潔。

（2）保證變頻室內正壓，避免由門窗等縫隙吸入粉塵。

（3）風道安裝制作過程中，注意接口嚴密，可以大大減少冷卻系統中的含塵量，有利于蒸發冷卻機組的長期穩定運行。

4 結語

蒸發冷卻機組的應用為電廠風機高壓變頻系統的冷卻方式提供了更加靈活的選擇方式。通過實際運行證明，蒸發冷卻的方式穩定可靠、節能、維護方便，為高壓變頻系統提供了良好的運行保證。

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