蒸发冷却技术在电厂风机高压变频系统中的应用

王亮，赵文博

(中国节能减排有限公司，北京 100011)

蒸发冷却技术以其天然制冷的神奇魅力，已在我国西部大地上生根发芽。随着国家全面推行节能减排与鼓励使用蒸发冷却空调技术的相关政策与措施的出台，蒸发冷却技术迎来蓬勃发展的新阶段。除传统的应用于建筑与暖通系统等场合外，蒸发冷却技术在工业现场的使用也日益广泛。尤其在干热地区，由于其具有节能、耗水量低、制冷效果好等优势，可应用于高压变频器直接空冷与间接空冷等多种应用场合。本文就蒸发冷却技术在某电厂二次风、引风机变频改造工程的应用进行具体的阐述。

1 工作原理

空气的干湿程度不同，其容纳水蒸气的能力亦不同。由于干燥的空气可以容纳较多的水蒸气，而水蒸发会吸收热量，因此，空气在由干变湿的过程中，能为空调提供所需要的能量。干燥空气所具有的这种能量，就称为干空气能。

干空气能在我国的北部、西北部区域，可以说是取之不尽，用之不竭的清洁可再生能源。

蒸发冷却是利用水蒸发制冷的技术。水在空气中具有蒸发的能力。在没有其他热源条件下，水与空气间的热湿交换过程是空气将显热传递给水，使空气的温度下降，而由于水的蒸发，不但空气的含湿量要增加，而且进入空气的水蒸气会带回一些汽化潜热，当这两种热量相等时，水温达到空气的湿球温度。只要空气不是饱和的，利用循环水直接（或通过填料层）喷淋空气，就可获得降温效果。将冷却后的空气作为送风以降低室温，这种处理空气的方式被称为蒸发冷却。

2 应用概况

某电厂二次风、引风机变频改造工程共采用6kV/1400kW高压变频器8台，6kV/3200kW变频器8台，采用集中布置方式。

变频器室为二层独立框架结构，高10.5m，其中零米层布置6kV/1400kW高压变频器4台，6kV/3200kW变频器4台，上进线方式；6.5m层布置6kV/1400kW高压变频器4台，6kV/3200kW变频器4台，下进线方式。10.5m层布置蒸发冷却机组4台。

变频器等电气设备在运行过程中发热量较大，使变频器在室内的环境温度不断升高。电气设备长期处于高温环境中工作，对电气设备的寿命和设备的工作状态都会有较大的影响，控制变频器工作的环境温度至关重要。

变频器主要发热部件为变压器和功率单元，采用直接空冷方式，通过柜顶风机向变频器室内散热。变频器室采用蒸发冷却方式，设置直接蒸发冷却段和间接蒸发冷却段，通过二级蒸发冷却机组进行整体冷却。

2.1 设计条件

（1）室外空气设计参数。夏季室外空气计算干球温度：29.2℃，夏季室外空气计算湿球温度：19℃；夏季大气压：84863Pa。

（2）室内空气设计参数。室内设计空气干球温度：28～35℃，室内设计空气相对湿度：30～50%。

（3）变频器柜顶风机参数（见表1）。

表1 变频器柜顶风机参数表

2.2 蒸发冷却机组选型

变频器本身带有冷却风机，将柜内发热元件产生的部分热量靠空气带走，冷却空气总量为584000m3/h。如果在变频器顶部接上排风道道，把40%热风排至室外，那么至少40%显热负荷被排至室外。蒸发冷却空气处理机组只需要处理剩余的60%（728.64kW）的显热负荷。

变频器室内发热量，根据变频器生产厂家给出的计算方法确定：首先将变频器的额定功率相加汇总，按照汇总后的额定总功率乘以110%作为计算额定功率，按照计算额定功率的3%，计算变频器的显热发热量。计算结果如下：

计算额定功率：N=8×(3200+1400)×1.1=40480kW。

显热发热量：Q=N×3%=40480×3%=1214.4kW。

（1）间接蒸发冷却器工作效率78%：

其中：tm1为间接蒸发冷却器出口干球温度；tw为间接蒸发冷却器进口空气干球温度；tws为间接蒸发冷却器进口空气湿球温度；η为间接蒸发冷却器热交换效率。

（2）直接蒸发冷却器效率74%，直接蒸发冷却器的终状态干球温度计算：

式中：to为直接蒸发冷却器出口干球温度；tm1为直接蒸发冷却器进口干球温度；tm1s为直接蒸发冷却器进口湿球温度。

通过计算说明，间接蒸发冷却+直接蒸发冷却处理后，空气的终状态点可达17.8℃。通过两级蒸发冷却处理，室外空气由29.2℃处理到17.8℃送入室内，室内设计干球温度为30℃，送风温差为12.2℃,完全可保证室内温度的要求。

2.3 风道布置

变频器室设置1条等截面风道。风道上设置不锈钢球形射流可调风口，侧向射流送风。在建筑楼梯间走廊区设置风井1处，从2层屋面到底层贯穿。1、2层分别从风井送风至变频器室。

室内风道设置回流调节阀，用于平衡室内的气流组织。墙面设置轴流风机并配置球形喷口，可调节室内外的气流。

2.4 蒸发冷却与空水冷系统的比较

蒸发冷却作为一种新型设备冷却技术，相比较于传统的空水冷方式，具有以下明显的优点。

（1）占地小，安装方便。蒸发冷却机组可以利用屋面等室外空间进行布置，同时风道和蒸发冷却机组的安装简单方便，可以根据现场的散热状况进行灵活的布置。

（2）耦合性低，联结方便。空水冷方式通过循环冷却水带走设备内部的热量，和变频器耦合性高，一旦空水冷发生故障，就会导致变频器超温，严重会造成变频器保护动作。而蒸发冷却机组是通过室内空气的冷却来给变频器整体降温，室内设置多台机组可互为备用。某个蒸发冷却装置故障、检修等，不影响变频器的整体运行。蒸发冷却机组通过室内风道对重点发热部位进行降温冷却，联结方式较空水冷方便。

（3）维护量小，运行省电。蒸发冷却机组结构简单，各级冷却部件可单独维修，运行安全可靠。利用高温干燥的空气与水之间的显热和潜热的转换来实现制冷的过程，没有压缩机等大功耗设备，较其他冷却方式省电。

（4）运行方式灵活。蒸发冷却机组投运和退出方便，可根据变频器运行工况灵活调整投运方式。风道设置回流调节阀，在冬季可利用变频器自身发热向室内补充热量，保证室内运行温度，尤其适用于西北寒冷地区。

2.5 运行效果

电厂风机高压变频系统投运后，经过一年半时间的运行检验，蒸发冷却机组运行良好。当夏季室外温度35℃，风机负荷70～80%时，室内温度约28℃。

3 蒸发冷却应用中的注意事项

3.1 冷量的匹配问题

蒸发冷却机组在应用系统中，需要注意冷量与实际散热需要保持匹配的问题。根据室外温度的区间段，可以调节直接蒸发机组和间接蒸发机组的工作模式，依靠自然蒸发等满足制冷要求，最大限度节能，见表2。

表2 蒸发冷却机组运行模式表

3.2 室内气压的平衡问题

蒸发冷却机组工作中，通过风道向室内输送冷风，通过变频器柜顶风机将部分热空气送出室外。

为保证室内空气平衡，经过蒸发冷却机组处理过的冷空气由风管送至室内，在室内用球形射流风口给变频器室内送风。在变频器排风道上设置回流调节阀，保持室内的正压状态。

变频器室墙面设置轴流风机，将变频器柜顶风机的热风排至室外。在排风管室内侧装设对开多页调节阀，把排风总量的一部分回流至室内，以调节送风与排风的平衡。

空气平衡校核：总排风量为584000m3/h，40%排风量为233600m3/h。冷却后总送风量为240000m3/h。送风量大于排风量，室内处于微正压状态运行，符合规范要求。

3.3 防尘问题

变频器是一种电子设备，功率单元多由高密度电力电子元件组成，对于工作环境有较高的要求，尤其对于灰尘的影响比较敏感。积灰有可能导致绝缘下降甚至击穿，造成功率单元的损坏。

蒸发冷却机组在送风时，需要由室外补充空气，对于电厂的工作环境，由于粉尘的含量高，极易造成外部粉尘被吹入变频室内，造成室内积灰。因此，在蒸发冷却应用过程中，要采取以下措施。

（1）在蒸发冷却机组的直接蒸发段和间接蒸发段上均需加装滤尘网，且应定期的清理，保证机组内部的清洁。

（2）保证变频室内正压，避免由门窗等缝隙吸入粉尘。

（3）风道安装制作过程中，注意接口严密，可以大大减少冷却系统中的含尘量，有利于蒸发冷却机组的长期稳定运行。

4 结语

蒸发冷却机组的应用为电厂风机高压变频系统的冷却方式提供了更加灵活的选择方式。通过实际运行证明，蒸发冷却的方式稳定可靠、节能、维护方便，为高压变频系统提供了良好的运行保证。

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