目前，高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)已在電力行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著600MW及以上機組成為火力發(fā)電的主力機型，高壓變頻器在引風(fēng)機、一次風(fēng)機、凝結(jié)泵等變頻節(jié)能改造應(yīng)用中的容量，也都在逐步提高到2000kW以上。高壓變頻器應(yīng)用中的設(shè)備散熱和運行環(huán)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(wěn)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(tǒng)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(huán)節(jié)。采取配套適用的高壓變頻專用冷卻系統(tǒng)，對提高設(shè)備安全穩(wěn)定性能、降低輔助冷卻系統(tǒng)的運營成本，實現(xiàn)高壓變頻節(jié)能項目收益最大化，具有積極意義。
一、兩種冷卻方案比較
我公司對電廠根據(jù)節(jié)能降耗措施的需要，對3#、4#機組配套的2240kW一次風(fēng)機系統(tǒng)實施變頻節(jié)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(fā)熱量。
即：如果將變頻器室內(nèi)環(huán)境維持在允許工作溫度范圍內(nèi)，必須將變頻器產(chǎn)生的熱量全部帶出室外，避免變頻器室內(nèi)出現(xiàn)熱量累積。因此，每臺變頻器對制冷或熱交換系統(tǒng)的冷量需求約90kW。
如果采用空調(diào)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(shè)備投資，還需要以損失一次風(fēng)機變頻器節(jié)約的電量作為代價;既不經(jīng)濟也不符合變頻改造的初衷。采用風(fēng)道冷卻方式，可以節(jié)能;但是又會因現(xiàn)場粉塵原因，帶來設(shè)備維護量大、易引發(fā)設(shè)備故障等影響設(shè)備運行安全。
經(jīng)過多方研究論證，結(jié)合現(xiàn)場的安裝位置和空間情況，為兩臺HARVERT系列一次風(fēng)機高壓變頻器分別采用了空-水冷卻器系統(tǒng)和密閉冷卻系統(tǒng)。從而，既滿足設(shè)備運行安全，又解決了冷卻系統(tǒng)運行成本高的問題，達到節(jié)能降耗的目的。
1.1 空氣水冷卻器方案
3#機組A一次風(fēng)機現(xiàn)場空間位置較大，適合采用空間需求較大的空-水冷卻系統(tǒng)。
1.1.1 系統(tǒng)介紹
KR系空-水冷卻器系統(tǒng)，從根本上解決了單位散熱密度高、功率大，有效提高系統(tǒng)安全可靠性、降低運營成本的問題。該系統(tǒng)是一種可將變頻器柜頂排出的熱風(fēng)100%進行熱交換冷卻的高效、環(huán)保、節(jié)能的封閉式冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)由于其采用完全機械型式設(shè)計，較空調(diào)等電力、電子設(shè)備而言系統(tǒng)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(fēng)通過風(fēng)道直接通過空冷裝置進行熱交換，由交換器內(nèi)部的冷卻水管道與熱空氣進行非介質(zhì)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(nèi)環(huán)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(fēng)經(jīng)過交換器后，將變頻器室內(nèi)的環(huán)境溫度控制在40℃以下。從而，保證了變頻器室內(nèi)良好的運行環(huán)境。同時，由于房間密閉，變頻器利用室內(nèi)的循環(huán)風(fēng)進行設(shè)備冷卻，具有粉塵度低，維護量小的特點;減少了環(huán)境對變頻器功率柜、控制柜運行穩(wěn)定性的不利影響�？�-水冷卻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如下：
空-水冷卻器系統(tǒng)具備以下幾方面的特點：
1) 設(shè)備安裝簡單、快捷。
2) 設(shè)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(tǒng)的運營成本只有同等熱交換功率空調(diào)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(huán)境衛(wèi)生。
1.1.2安全性能評價
該系統(tǒng)設(shè)備整體安裝于高壓變頻器室墻外，冷卻水與循環(huán)風(fēng)完全分離，水管線在變頻室外與高壓設(shè)備明確分離，確保高壓設(shè)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(nèi)布局容易出現(xiàn)破裂后漏水危及高壓設(shè)備運行安全的嚴(yán)重事故發(fā)生。在空-水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，為了防止空冷裝置出口側(cè)凝露帶水排入室內(nèi)，對空-水冷卻裝置的出風(fēng)口、風(fēng)速等指標(biāo)進行設(shè)計計算;保證良好的排壓情況下，運行安全穩(wěn)定。同時，冷卻系統(tǒng)提供風(fēng)機、空-水冷卻裝置的故障報警檢測點，可遠(yuǎn)傳至DCS。
1.2 密閉冷卻方案
3#機組B一次風(fēng)機現(xiàn)場空間位置有限，采用占地面積較小的密閉冷卻系統(tǒng)。
1.2.1系統(tǒng)介紹
密閉式冷卻系統(tǒng)采用R134a制冷劑作為熱交換介質(zhì)，利用高效制冷壓縮機組進行冷熱量轉(zhuǎn)換。室內(nèi)熱交換器直接安裝于變頻器功率柜柜頂，柜頂排出的熱風(fēng)經(jīng)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(tǒng)能夠保證變頻器始終處于30~35℃運行環(huán)境，大幅度延長濾網(wǎng)更換周期減少現(xiàn)場維護量。且不受現(xiàn)場安裝空間、位置、環(huán)境溫度等條件限制，具有更強的適應(yīng)能力。制冷壓縮機組安裝于變頻器附近，允許在-15~+45℃環(huán)境溫度下持續(xù)工作。
該系統(tǒng)具備以下幾方面的特點：
1) 密閉冷卻與變頻器一體化設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。
2) 采用工業(yè)用高效渦旋式制冷壓縮機組，高效、節(jié)能、環(huán)保。
3) 運營成本低。密閉冷卻系統(tǒng)的運營成本只有同等熱交換功率空調(diào)冷卻方式的1/3~1/2。
4) 設(shè)備封閉環(huán)境運行，變頻器不受室外環(huán)境影響。
1.2.2 安全性能評價
設(shè)備整體安裝于變頻器功率柜頂部，冷卻器采用大風(fēng)量小焓差的方式設(shè)計，出風(fēng)口無冷凝。系統(tǒng)配備制冷壓縮機組和兩路獨立電源供電，根據(jù)變頻器運行功率負(fù)荷大小選擇開啟一臺或兩臺工作，提高冷卻裝置的安全經(jīng)濟性能。當(dāng)單段電源故障時，另外一側(cè)電源帶兩臺壓縮機100%負(fù)荷，提高系統(tǒng)安全、可靠性能。同時，提供溫度、運行狀態(tài)、故障報警等DCS標(biāo)準(zhǔn)信號接口。
1.3 小結(jié)
通過對兩種不同冷卻方式在600MW機組一次風(fēng)機變頻器改造中應(yīng)用的技術(shù)性對比分析可以看出：在現(xiàn)場空間允許的情況下，采用空-水冷卻系統(tǒng)是方案，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。
2.運行效果
3#機組A、B一次風(fēng)機系統(tǒng)在不同機組負(fù)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(tǒng)的變頻器溫度在22~38.5℃之間變化，受室外環(huán)境溫差和機組負(fù)荷的影響明顯;采用密閉冷卻的變頻器溫度則相對比較穩(wěn)定，溫度在31~35℃之間波動，受室外環(huán)境和機組負(fù)荷的影響較小。
3#機組采用變頻改造后，兩臺一次風(fēng)變頻器冷卻系統(tǒng)的實際耗電量統(tǒng)計如下所示。通過數(shù)據(jù)分析可以得出：在同一機組的同負(fù)載運行工況下，采用空水冷卻系統(tǒng)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(jié)約66%電量。
若以年運行7000小時計算，兩臺變頻器采用空調(diào)冷卻則需要消耗50.4萬度電;而A一次風(fēng)機變頻器空-水冷卻系統(tǒng)的年耗電量3.7萬kWh，B一次風(fēng)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(jié)約電量達35.7萬度，經(jīng)濟效益顯著。
3.結(jié)束語
自2009年4月投運以來，該系統(tǒng)已平穩(wěn)運行超過16000h，未發(fā)生一起超溫故障和變頻器非停事故，為保障機組安全運行、變頻器對發(fā)電生產(chǎn)的負(fù)面影響起到至關(guān)重要的作用。實踐證明：兩種新型冷卻方式的實際應(yīng)用，大大提高了高壓變頻的安全穩(wěn)定性、實現(xiàn)節(jié)能效益最大化。并為今后高壓變頻節(jié)能改造實施提供了寶貴的可借鑒經(jīng)驗。
我公司生產(chǎn)的空氣、水冷卻器主要用于汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機的冷卻之用，也可作為各種工程中的換熱、采暖、干燥及制冷設(shè)備。
