500 kV地下变电站冷水机组运行性能分析及改进方向

孙蒙蒙，李梦群，李 迅，徐 勇

(国网上海市电力公司检修公司，上海 200063)

500 kV静安(地下)变电站(以下简称“静安变电站”)是迄今为止世界上最大的500 kV全地下变电站，深入地下的筒体造型为外圆内方，地下结构共有4层，深度达到-31 m。静安变电站的电气主设备、辅控设备以及电缆被合理地分布在地下B1～B4这4个层面，夏季室外环境热量加上设备自身产生热量，使得整个站内设备运行环境特别恶劣。8台66 kV电抗器的八分之七的热量是由冷却水带走的，八分之一的热量是由空调冷冻水处理过的新风带走的，220，110，35 kV GIS室、继电保护室、走廊等的热量均由空调冷冻水处理过的新风带走的。因此，电气设备的散热通风和运检人员的工作环境安全性成了地下变电站暖通系统的两大主要任务[1]。

1 静安变电站集中冷水系统介绍

为了维持地下筒体内的热湿平衡，保证电气设备和工作人员拥有良好的环境，在B4层(-31 m)装设有一套集中冷水系统。该系统主要由冷冻水系统、冷却水系统、空调终端机3个部分组成。冷冻水系统向空调终端机提供冷冻水，终端机再通过调节冷冻水阀位和风机转速调控电气设备房间以及公共区域的温度、湿度，并且连续不断地供应新风。集中冷水系统的覆盖范围如下。

(1)1号继电保护室、35 kV GIS室；

(2)220 kV GIS室；

(3)110 kV GIS室；

(4)2号继电保护室和站用电室；

(5)B1层(-11.5 m)1区～4区公共区域；

(6)B3层(-26.5 m)1区～4区公共区域；

(7)M1层(-6.5 m)办公区域和生活区域。

该系统自2010年至今已连续运行了11年，现阶段集中冷水系统方面主要存在的主要问题：冷水机组制冷效率低，在夏季高温天气制冷量不足，必须关闭部分末端空调机组才能保障重要设备间的温度要求。

对于电气设备而言，环境温度过高，不但会严重缩短设备的使用寿命，而且还会影响保护装置的稳定性、动作的可靠性、计量的准确性，甚至造成绝缘老化等情况；湿度过高，会降低电气设备的绝缘强度，加快金属材料的锈蚀，降低设备性能和使用寿命，甚至造成电气故障。同时当筒体内相对湿度为75%～95%，温度为25～30℃时，有利于加快霉菌滋生导致空气混浊有霉味，对站内工作人员构成身体危害。

针对存在的这些问题，目前采取的措施主要是从结果出发，缺少系统层面的整体分析及改进。因此，需要结合静安变电站的实际运行情况，进行分析归纳，并提出相应的改进方向。

2 冷水机组工作原理

静安变电站集中冷水系统的主机采用约克水冷双螺杆式冷水机组，其工作原理如图1所示。

图1 水冷螺杆式冷水机组工作原理图

(1)冷冻水循环系统：在蒸发器内制冷剂吸收循环冷冻水的热量，循环冷冻水的温度降至7℃，后送至各空调终端机，在空调终端机内冷却空气的过程中冷冻水吸热升温，然后返回蒸发器开始下一个循环。

(2)冷却水循环系统：在冷凝器内制冷剂传递热量至循环冷却水，循环水的温度升至41℃，后送至冷却塔，在冷却塔内通过风冷和水冷给冷却水降温，然后返回冷凝器开始下一个循环。

(3)制冷剂循环系统：制冷剂在蒸发器内吸收冷冻水的热量汽化成蒸汽，蒸汽在压缩机内压缩为高温、高压蒸汽送到冷凝器，在冷凝器中冷却液化，再经膨胀阀降压进入蒸发器，如此周而复始地循环。

3 静安变电站冷水机组实际运行现状

在设计状态下，每台冷水机组的制冷量为620 kW，冷却水进/回水温度为36℃/41℃，冷冻水供/回水温度为7℃/12℃，静安变电站共安装4台水冷的冷水机组(三用一备)。静安变电站集中冷水系统的现场实物图如图2所示。

图2 静安变电站冷水机组的现场实物图

对2020年6月15日至8月14日静安变电站冷水机组冷冻水和冷却水供/回水温差进行统计的结果如表1所示。

表1 冷水机组各侧水温及温差 ℃

在设计状态下，冷却水进/出水温度为36℃/41℃，冷冻水供/回水温度为7℃/12℃。从表1可以看出：静安变电站冷水机组所制出冷冻水出水最低温度为9.1℃，冷却水出水最高温度为40℃，冷冻水温差最大值为4.5℃，冷却水温差最大值为2.9℃。无论温差，还是供水温度都偏离设计值比较大。

4 冷水机组效率分析

在夏季，循环水泵室内热量是室外环境、电机自身产生热量、循环水管内热水的热量这三者的叠加，导致循环水泵室的温度最高可达到43℃，相对湿度超过90%，持续高温导致循环水泵一直处于渗漏油状态，故障率增加。同样的情况，冷水机组室的温度也高达到43℃，相对湿度超过90%，威胁室内的电源屏和控制屏安全运行，并且造成冷水机组效率低。

为了降低循环水泵室和冷水机组室的温度和湿度，在冷水机组室增加了5台5匹柜机空调，1，2，4号循环水泵室各增加4台5匹柜机空调。由于17台柜机空调也是利用冷冻水降温，因此冷水系统比设计时额外增加了62.5 kW的负荷。冷水机组参数为：机组总输入功率145 kW，机组设计工况制冷量620 kW，机组设计工况下的制冷能效比(COP)4.27，冷冻水额定流量30 l/s，冷冻水供回水温差5℃。

冷水机组性能系数[4]是反应冷水机组运行效率的指标，其计算公式：

(1)

式中Q——冷水机组制冷量，kW；Wc——冷水机组输入功率，kW。

以2020年8月2日一台冷水机组的实际运行工况为例，计算冷水机组的ηCOP。当天冷水机组参数为：总输入功率145 kW，冷冻水流量66 t/h，冷冻水供回水温差2.8℃。

机组的制冷量计算公式：

Q=CmΔt

(2)

式中C——水的比热容，取4.18，kJ/(kg·K)；m——冷冻水额定流量，m3/s；Δt——冷冻水供回水温差，℃。

从计算结果可看出，冷水机组实际运行性能系数远远低于设计值，夏季静安变电站有3个月时间冷水机组需开3台才能保证站内温湿度环境。假设3台冷水机组全开正好满足整个站内所需制冷量，那么整个站所需制冷量为645 kW左右，实际设计是2台冷水机组即可满足需求，现如今需3台。

夏季3台冷水机组都满负荷运行时，终端空调机组并不是全部开启。根据设备的重要性和实际环境情况，关闭了一些空调机组，保证对环境要求较高设备的稳定运行。比如：220 kV GIS室共有6台空调机组只开2台，110 kV GIS室共有2台空调机组只开1台，B3层3区、4区走廊2台空调机组全关，2号继电保护室2台空调机组关闭1台。

在关闭8台终端空调机组的情况下，开启3台冷水机组才勉强够用，3号主变扩建后至少再增加215 kW的制冷量，这时第4台冷水机组全负荷投入运行，勉强满足需求。此时无余量、无备用，一旦有一台机组发生故障，所对应区域将无制冷量，电气设备热量积聚，影响设备稳定运行。

2021年静安变电站3号主变扩建，3区设备完善，3区空调机组不能再关闭。4台全开也必然不够用，因此3号主变扩建时一定要综合考虑冷水机组的容量，对集中冷水系统进行全面的优化。

5 静安变电站冷水机组实际运行性能影响因素

5.1 集中冷水系统的控制策略

设计时，集中冷水系统的负荷控制由冷水系统联机群控系统和机组本体控制系统完成，并根据如下条件对系统中的设备运行台数、设备出力进行调节，以满足系统末端负荷变化的要求[2-3]。

(1)根据冷冻水供/回水温度和系统末端流量的变化，来调整系统中冷水机组、冷却塔、冷冻水泵和冷却水泵的运行台数；

(2)根据冷冻水供/回总管的差压变化调节系统差压旁路调节阀，以调节末端冷冻水流量；

(3)根据冷冻水供/回水温度调节冷水机组的出力(由冷水机组本体控制系统完成，机组部分负荷性能应按设计工况的冷却水进水温度考核)，以确保压缩机随负荷变化正常运行。

然而，实际运行中仅根据设备环境温度和冷水机组的电流百分比去控制冷水机组和空调机组的台数开启，对设备本体的效率没有进行校对。

5.2 冷水机组效率影响因素分析

集中冷水系统各温度之间的关系[5]如图3和图4所示。

图3 冷水机组蒸发侧各介质之间的关系

图4 冷水机组冷凝侧各介质之间的关系

根据冷水机组的工作原理和图3、图4可知：冷冻水出水温度高于7℃主要和蒸发器的换热性能有关，冷却水出水温度低于41℃主要和冷凝器的换热性能有关，冷冻水供/回水温差低于5℃和末端盘管有关，冷却水供/回水温差低于5℃和冷却塔的换热效率有关。

由运行11年的实际情况和理论分析归纳出，静安变电站冷水机组实际运行与设计值偏差较大的主要原因：冷冻水、冷却水侧运行性能不佳导致冷水机组蒸发温度过低、冷凝温度过高；冷水机组缺乏专业维护；冷却塔换热效率较差[4-5]。

5.3 集中冷水系统的改进方向

针对静安变电站的集中冷水系统效率低的问题提出以下改进方向。

(1)外因。提高蒸发温度或降低冷凝温度。对于蒸发侧，通过合理匹配末端供冷需求，避免冷水供水温度过低，进而提升蒸发器换热性能提高蒸发温度，从而使得冷水机组运行在更小的压缩比下，获得更好的理论；对于冷凝侧，通过优化冷却塔换热性能、减少换热环节等手段，降低冷却水温度，进而降低冷凝温度。

(2)内因。优化冷水机组内部的、相对固定的技术参数或特征。在实际运行性能中，对于不同运行工况、不同负荷率，冷水机组的运行性能都应该与相应的额定性能对标。如果出现性能衰减，应及时进行测试分析，与厂家积极沟通解决，以保证冷水机组在全工况下高效运行。

(3)内外协同。开机台数和供冷需求合理匹配。冷水机组全工况下的运行性能基本都随着负荷率的增大而提升，在实际运行过程中，需要根据末端供冷需求，设置合理的开机组合，使得每台冷水机组均以较高效率运行，从而提高冷水机组实际运行性能。

这些都是静安变电站实际运行时存在的不足之处，目前仅根据设备环境温度和冷水机组的电流百分比去控制冷水机组和空调机组的台数，但没有从根上解决问题。

6 结语

本文分析了静安变电站冷水机组的工作原理，计算出实际性能系数远远低于设计值。从原理出发，结合实际运行现状，提出内因、外因、内外协同这3个改进方向，来实现冷水机组高效运行。静安变电站作为世界上最大的全地下变电站，本文的分析及建议对现有及新建地下变电站都有较大的参考价值。