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电力系统自动化论文-火电厂凝泵变频器小室降温通风系统改造研究

摘要： 本篇电力系统自动化论文通过介绍火电厂凝泵变频器小室的功能和特点以及分析火电厂凝泵变频器小室的热工环境要求，利用Airpak软件对气流组织进行了CFD仿真模拟，根据显示的结果和凝泵变频器小室的特点，提出更适合凝泵变频器小室的降温通风系统及气流组织方案，保证凝泵变频器和凝结水泵的安全运行。

关键词 空调系统 凝结水泵 变频器室 节能 发电厂 CFD模拟

0引言 ：凝结水泵是火力发电厂的大耗能设备，容量大耗电多。水泵容量在设计过程中会考虑一定余量，然而实际应用中大部分时间并非处于满负荷工作状态，而是常常处于低负荷及变负荷运行状态。近几年，凝泵变频器在凝结水泵的节能改造中使用较多。而为凝泵变频器提供一个安全稳定的运行环境，保证变频器本体的良好散热，也成为一个重要课题。本篇电力系统自动化论文通过分析和模拟，研究比较两种不同的降温冷却模式。

1凝泵变频器室空调系统简述

1.1 凝泵变频器情况介绍

某火力发电厂有4×600MW超临界发电机组，每台机组配2×100%容量的定速凝结水泵，一用一备。设计的时候是考虑了额定负荷运行时的容量，并在此基础上还有一定的余量，所以凝结水泵的容量选型偏大，而该电厂的发电机组作为调峰机组，多数情况不在额定负荷工况下运行，与此相对应的凝结水泵只需要处理部分额定容量，但是水泵电机却接近满负荷工况运行，造成了额外的电能损耗。

因此该电厂采用了采用了变频器调速技术，对凝结水泵进行技术改造，使得凝结水泵电机转速与凝结水流量成正比，满足在不同负荷不同流量的情况下，电机均处于经济高效区间运行，从而实现节能降耗目的。

该凝结水泵电机输出功率为2200kW，额定电压为6kV。对应的变频器额定功率为2200kW，输入电压为6kV。

1.2 凝泵变频器安装环境要求

凝泵变频器(以下简称变频器)由变压器、功率单元和控制器组成，属于高压电子器件装置，运行时散热量大，一般可达其额定功率的3%。且对安装环境要求比较严格。潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件锈蚀、接触不良、甚至失去绝缘而形成短路，过高的温度和过低的温度都将影响电子器件的寿命及可靠性。因此，变频器通常置于独立的变频器室内，并配有空调系统。

1.3变频器室布置及参数

凝泵变频器小室的布置图见图1，室内布置两列凝结水泵变频器，每列凝结水泵变频器正常运行时的散热量为66kW，两台变频器总散热量为132kW，在运行时，变频器柜体正面的通风口吸入室内空气，经柜体顶部的排风机将变频器内部的散热量排走，每列变频器通风量为21000m3/h。在变频器室内设有两台空调机对室内空气进行降温冷却。两台空调机制冷量均为45kW。由于室内外场地局限性，该系统采用了百叶自然进风，机械排风加空调降温的降温通风方式，空调选两台吊顶式空调机。

图1 凝泵变频器小室布置图

1.4 变频器室降温过程分析

凝泵变频器按照10℃的排风温差考虑，30℃的空气经过变频器柜后的排风温度也要达到40℃了，因此变频器柜进风口的进风温度必须低于30℃。全年室外最高温度来计算研究空调制冷量，由Dest模拟软件可以得到该发电厂所在地区的逐时气象参数以及最热月平均温度。如图2 所示，8月6日出现了最高温度36℃。

图2 发电厂所在地区的最热月温度曲线

假设降温过程为等湿冷却，根据气象参数提供的湿球温度，再由焓湿图查得36℃和30℃两个状态点的空气焓值为52.9kJ/kg和46.7kJ/kg，由公式

其中：h1——第1状态点焓值, kJ/kg

h2——第2状态点焓值,kJ/kg

M——空气质量，kg

ΔQ——制冷量，kw

计算得到制冷量：

本篇电力系统自动化论文指出：由此可见，从理论上来讲，空调机只需要提供81.6kW的冷量即能满足最高温度下的负荷要求。但在实际运行过程中，两台空调机全部开启，同时提供90kW制冷量的情况下，变频器还会出现设备高温报警。为什么会出现这种情况呢?下面将通过CFD模拟来分析研究。

2 CFD模拟

2.1 Airpak软件简介

Airpak是目前国际上比较流行的商用CFD软件，是面向专业人工环境领域的系统分析软件，它可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象。Airpak具有以下特点：建模快速，自动网格划分，广泛的模型能力，强大的解算功能，强大的可视化后置处理，以及强大的报告和可视化工具[1]。

2.2 建模模拟结果

将凝泵变频器小室建模模拟后，可以得到气流运动的矢量图，取其中一个切面图，该处切面接近变频器柜体风口入口处，能比较真实的反映进入变频器的空气温度，见图3。

图3 模拟温度矢量图

由图3可见，空调的回风温度处于最高温度区，达到40℃了，即使在两台空调全开的情况下，图中左侧和右侧的凝泵变频器大部分进风口的空气温度还有31℃，左侧上方变频器进风口的空气温度更达36℃。只有中间部分有限的进风口空气温度能达到30℃以下。这就不难想象，即使空调提供比理论计算更高的制冷量，变频器还会高温报警。因为空调的大部分冷量被高温空气给对冲掉了，也就是说，空调的制冷量没有得到有效利用。

3 空调系统的改造

从模拟的结果可以看出，变频器高温报警并不是因为空调提供的制冷量不够，而是气流的组织不当，导致空调制冷量的利用效率低，很多制冷量并没有用于凝泵变频器的降温，而是在室内上方和高温空气对冲浪费掉了。在这种大散热量小空间的环境下，气流组织尤为重要。为此，下面提出另一种降温冷却方案。

3.1 空调系统改造方案

为了让凝泵变频器处在较佳的运行工况下，现提出改造的设计方案。如图4所示，该方案取消了变频器自带的风管，取消了进风百叶，吊顶式空调由两台额定制冷量为42kW的直膨式空调主机+空气处理机组替代，空调系统考虑为2×50%，并且在房间的4个方向开设上部百叶窗，40℃左右的过热空气直接从百叶窗排出，减少了与空调混合的部分，降低空调制冷量的损耗。在夏季开启空调压缩机及风机对房间进行降温冷却，过渡季及冬季仅开启风机，在保证进入变频器室的空气得到有效过滤的同时，还能使变频器室维持正压，防止煤粉及灰尘从门缝等缝隙中进入，保证了变频器的安全运行。此外，直膨式空调主机+空气处理机组能有效的将送入变频器室的空气温度冷却到目标温度，通过风管将空气送到两列变频器柜之间上空，由条形风口垂直下送，使得变频器柜体进风口区域的空气温度分布较为均匀，并且进风口区域空气温度接近空调送风口的温度。

图 4 改造后空调系统布置图

3.2 改造后的CFD模拟

针对改造后的空调系统的气流组织进行CFD模拟，取其中一个切面图，由图5可见，气流组织得到很大的改善，送到变频器进风口的空气的温度基本上等于空调送风口出口的温度。

图5 改造后空调系统模拟温度矢量图

3.3 运行效果及能耗费用分析

当室外日平均温度高于25℃的时候，须开启空调机对变频器室进行降温冷却，气象参数显示，发电厂所在地区从6月下旬开始到9月下旬为止，大约有3个月的时间日平均温度25℃以上。

原空调系统的总输入功率为36kW，由于气流组织不合理，实际空调全年运行时间为6个月，空调满负荷运行时间为3个月，半负荷运行时间为3个月，总共消耗电量为116640kWh，厂用电按成本价0.3元/kWh计算，空调机的运行费用约为3.5万元。设备初投资约15万元。

改造方案中的空调系统总输入功率为30kW，由于气流组织合理，实际空调全年运行时间为3个月，其中45天为满负荷运行，45天为半负荷运行，空调消耗电量为48600kWh，其余时间空调风机单独运行，消耗电量为33000kWh。空调及风机一年的运行费用约为2.45万元，设备初投资约15.5万元。

通过以上数据可以看到，改造后的方案空调运行费用要更省，设备初投资基本相当。

而两套变频器的成本约180万元。使用凝泵变频器并且变频器能稳定运行的情况下，可以减少凝结水泵及其配套设备的维护，加上使用变频器节约的厂用电，4台机组的凝泵变频器运行一年可以节约成本约280万元。

原来的空调系统由于气流组织不合理，不能保证凝泵变频器的常年稳定运行，特别是在高温炎热的夏季，由于温度过高会引发变频器的强制停机事故，从而影响节能的效果，另外，由于火电厂里面粉尘较多，室外空气直接用来冷却变频器，导致变频器内元器件上挂上很多煤粉等颗粒，电厂曾多次出现变频器出现短路停机事故。因此，空调系统的合理配置及良好的气流组织是变频器稳定运行的前提条件。

4 结语

随着变频器在发电厂的各种辅机中改造中有广泛应用，变频器工作环境的重要性就越发突出，设计一种科学的降温冷却方式为变频器提供良好的工作环境也就变得重要起来，本篇电力系统自动化论文通过介绍凝结水泵变频器的工作环境，利用Airpak模拟软件对改造前后两种降温冷却方式的模拟研究，以及对两种空调系统的运行效果和能耗费用分析，得出以下结论：

a 改造后的空调系统送风方式科学，送风排风位置合理，将空调处理降温过得空气直接送至变频器进风口处，对变频器的降温冷却效果好;

b 改造后的空调系统为变频器提供更优的环境，保证室内更好的空气品质，室外空气经空气处理机组过滤处理后送入室内，并维持室内正压，能有效的阻止煤粉尘等杂质进入变频器室，保证凝泵变频器的安全稳定运行;

c 改造后的空调系统运行费用低于改造前，并且运行稳定，维护简便;

d 在合理的空调系统保护下，凝泵变频器运行寿命更长，节能效果更佳显著。

参考文献

[1] Fluent Inc. Airpak 2.0 User's Guide, 2001