新风负压散热系统在变配电系统中的应用


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 作者/赵海峰

       为了解决2017年中莱水务二级泵站变频柜高温困扰,彻底解决因受变频器高温保护影响,变频器强行停止工作,进而影响正常供水的状况。今年公司领导组织技术人员不断摸索,积极尝试一些新办法,通过试验探索最终采用了新风负压散热系统,达到了良好的散热效果,彻底解决了水泵强关问题,保障了安全供水生产工作,同时节约了散热能源消耗,提高了经济效益。

    一、热的来源与原散热方案

        中莱水务二级泵站配电室内,主要发热设备是1250kw变压器一台,变频器柜4台,分别对应4台250kw水泵三用一备;其他的设备如高压进(出)线柜、计量柜、补偿柜、低压配电柜等发热量都不大,不是热量的主要来源,下面讨论时不再考虑。


顶部轴流风机散热装置

        原设计方案是采用250kw低压水泵,在这个功率下基本到了低压设备的上限。在这个高低压临界点上的低压设备显著特点是电缆粗,电流大,发热量巨大,变频器柜因水泵功率影响发热也非常大。原设计方案采用配电室北侧墙顶部轴流风机方式散热,采用强排热风方式通过对流交换带出热量。

        去年夏天,在天气炎热、超负荷供水(设计供水量1710m3/h,实际供水1950m3/h)等因素综合影响下,原设计散热方案不堪重负,不能满足降温要求,环境温度最高超过46°,变频器内部检测温度超过80°,高温环境下变频器会经常停机并进入保护状态,对应的水泵也因此会突然停泵,多功能阀也往往会在满负荷下突然停水突发巨响,对供水系统及安全生产构成了严重威胁。

    二、加装空调及其他辅助方式的尝试

        因为原电力设计问题,变压器与变频器在一个配电室内,两个热源叠加后配电室内温度非常高,为了加强空气对流,泵站为变频器专门配置了坐地式轴流风机、工业大风扇、5匹空调等设备及封闭措施,在供水量小于1000 m3/h的情况下,这种散热组合效果非常好,完全能够满足散热需求;但是,当今年天气异常炎热加上电厂满负荷发电运行,要求满负荷供水甚至是超负荷运行时,该散热组合下环境温度仍然达到了44°,变频器内部检测温度也到了76°至79°,温度仍然偏高。空调散热系统的凉风出口位置高,风道紊乱,散热效率较低。

        当环境温度超过40°即超过变频器设计环境运行温度后,会带来高温保护停机甚至是烧毁的风险,变频器长期在高温下也会影响稳定运行或者减少变频器正常使用寿命。因此,该种组合虽然比原设计对流通风要起到一定的效果,但环境温度仍然较高,不利于设备的长期稳定运行。


空调配工业风扇散热组合

        三、新风负压散热系统

        经过多次尝试,最终找到一种有效的散热方法——新风负压散热系统解决了问题。新风负压散热系统是通过将新风在负压的作用下直接导入变频柜中,柜体内环境温度得到有效降低,一般比室外温度低3至5°,在8月份天气最热的中午2点且在最大负荷下测得环境温度36°,变频器内部检测温度测得65°至68°,经过长时期观测,此降温方法可将环境温度控制在40°以下,设备温度稳定运行在70°以下,并且不受室内其他设备影响,形成独立散热风道。

        实施操作简单易行,就是在需要散热的柜体临近的墙底部打160mm至200mm的孔,安装PVC管道将新风导入需要散热部位,开启原高处相应部位的轴流风机向外强制排风,室内形成负压,新风被室外大气压压缩后通过PVC管导入室内需要散热的部位即可。


安装PVC新风导入管

    四、原理分析

        室外热气流进入较小的孔径时,压力发生变化,经过窄窄的通道空气经过压缩后进入到配电室,在管道出口气流得到释放,空气在负压环境下膨胀同时吸收热量降低环境温度(与空调的压缩机原理类似),即前后带压差的空气,到达室内膨胀对外做功,消耗内能,并在环境中吸收热量给予补充,符合热力学第二定律。

        第二个应用原理是形成良好的风道,对热量进行有序引导按规划路线排出。热量在柜体内停留较短时间后,经过既定线路上升,最后通过轴流风机迅速排出。变频器柜底部进新风,顶部出热风,热流从下向上有条不紊,避免了之前的紊乱流动状态,提高了空气流动效率。  

        第三个应用原理,“靶向散热”,即直接把“压缩凉风”通过管道导入需要降温的地方,不受外界设备影响,不受其他环境干扰,散热效率倍增。

        这样在“压缩空气做功”、“有序风道”和“靶向散热”三个作用下,散热效率提升幅度非常大。

    五、改进完善,提高安全保障

        变频柜温度得到有效的降低,但是新风系统刚刚完成时还有缺陷,就是会吸进来蚊虫及灰尘,增加了变频器设备除尘维护的工作量;另外,在汛期雨水较多,负压下也会有较小的雨滴吸进系统内的风险。

        为了降低风险,新风负压系统进行了改进完善,对进风口处加装大面积不锈钢滤网、挡雨遮檐及高透性防尘滤布、出风口加阻碍拐角。经过夏季汛期的考验,改进措施能有效阻挡老鼠等较大型动物,室内蚊蝇灰尘显著降低,遮檐及滤布对各种级别的降雨遮挡保护效果良好,悬挂式防尘滤布防尘效果显著,滤布装卸、清洗也非常简单方便。


安装不锈钢滤网


不锈钢滤网外加设高透性防尘滤布


试运行几天后防尘效果显著

    六、经济效果、运行效果、安全生产保障

        若论安全保障效果,高热保护性停机往往会带来非常严重的停水后果,社会公共损失、电厂损失及公司形象损失无法估量。新风负压散热系统在试用2个月以来,变频柜温度降低明显,室内蚊蝇灰尘降低显著,运行效果显著,未再出现过热停机事件,保障了泵站安全生产运行。

        同时,在散热能源成本上,该系统散热效率高,消耗电能远小于同等散热效果空调耗电水平,采用这种近似的“靶向散热”、 “压缩空气做功”和“有序风道”组合的方式,散热效率加倍提高。若公司供水项目泵站能采用新的散热形式替代相同效果的空调组合散热方式,仅配电室一项每年将能节约电费六万元以上,加上延长设备使用寿命、节省设备折旧,减少停机供水损失等间接效益,年综合经济效益达十万元以上,安全效益更是无法估量。该散热系统节能降耗增效显著,同时投资小、易实施,适合在变配电系统原有排风散热的基础上改进升级。