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      冷水機組在電力電子水冷卻系統中的應用

      返回列表 發表時間:2021-03-12 15:36

      目前國內外輸配電電力電子閥水冷卻系統室外熱交換器分為水冷卻、空氣冷卻或兩種混合的冷卻方式。當采用水冷卻方式時,一般采用冷卻塔;當采用空氣冷卻方式時,一般采用空氣冷卻器。近年來輸配電電力電子設備用水冷卻系統實際工程應用中,大多采用空氣冷卻器,也有少量工程應用冷卻塔。

      然而,使用空氣冷卻器要求環境溫度低于被冷卻對象進水溫度,當環境溫度高于50℃時,會使冷卻系統的效率下降,電力電子設備的溫度升高,使用壽命降低,從而影響其正常使用;如使用冷卻塔則需項目地有充足的水資源。因此,在高溫缺水地區,上述的兩種冷卻方式的應用均受到限制。

      因此,需要研究一種水冷系統,能夠適應高溫缺水地區的應用,滿足輸配電電力電子設備的冷卻要求,并且保證電力電子設備可靠運行。

      1 水冷卻系統簡介

      1.1 水冷卻系統的工作原理

      輸配電電力電子設備的冷卻系統,一般采用密閉式循環的冷卻方式。它包括主循環泵組、熱交換器、控制保護系統和管道等組成,其中主水泵組包括主水泵、去離子樹脂回路、穩壓回路;熱交換器一般為空氣冷卻器、冷卻塔等一種或多種設備。其主要工作原理如圖1所示。

      冷卻媒質(純水或水與防凍液混合物,即去離子水)經主水泵增壓后,通過水管道進入熱交換器中(空氣冷卻器或冷卻塔),再與室外空氣進行熱量交換從而達到降低溫度的目的,然后流過電力電子設備閥組,帶出電力電子設備工作所產生的熱量而溫度升高,升溫后的冷卻媒質經過脫氣罐回到主水泵入口,形成一個密閉式循環回路,如此連續往復運行。

      為保證電力電子設備可靠運行,冷卻水需要滿足電力電子設備運行的電導率要求。為此,部分冷卻媒質需要經過離子交換器,不斷地處理系統中的冷卻水,使其滿足電力電子設備所要求的電導率值。

      圖1 密閉式水冷卻系統工作原理

      1.2 空氣冷卻器

      空氣冷卻器是利用空氣來實現熱量交換,從而達到降低水溫的目的??諝饫鋮s器與冷卻塔相比,具有節約水資源、節省維護成本、減少環境破壞和污染等優點。

      空氣冷卻器由穿片管束或套片管束、風扇和電機、配電箱、匯集水管、鋼結構和其他附件組成。熱冷卻媒質在管束內流動,風機帶動空氣流動并吹過管束,使管束內高溫介質得到冷卻,實現熱量的交換。

      空氣冷卻器被廣泛應用在國內、外電力電子設備冷卻系統中。選用該設備時,一般被冷卻設備的進口水溫要高于環境極端溫度,以大于5℃為宜,設備散熱效果理想并且設備造價經濟。因受電力電子設備進水溫度和環境溫度的制約,當電力電子設備要求的進口溫度比環境溫度低時,該設備不能使用。

      1.3 閉式蒸發冷卻塔

      閉式蒸發冷卻塔近幾年在鋼鐵冶金、電力電子、機械加工、空調系統等行業得到了廣泛的應用。閉式冷卻塔源自于工業用蒸發式冷卻器,是利用自然環境中空氣的干濕球溫度差以間接蒸發的方式來降低水的溫度。

      熱的冷卻媒質在蒸發冷卻塔盤管內流過,冷卻塔頂部噴淋水均勻流過布置在塔頂的噴淋水管,在噴淋水泵的驅動下噴灑在冷卻塔盤管的表面,大氣中的冷空氣由塔體的進風口流入塔內,并在風機的驅動下形成空氣循環,塔內的空冷與噴灑下來的噴淋水呈反方向流過塔體盤管,通過噴淋水吸熱和風機的驅動冷卻降低盤管中冷卻媒質溫度。

      蒸發冷卻塔主要受濕球溫度的影響,一般地區濕球溫度小于28℃,所以能夠保證將電力電子設備入口水溫控制在45℃以下,因此水資源豐富的地區閉式冷卻塔也被廣泛應用。雖然該設備能夠滿足冷卻要求,但是需要消耗大量的水資源,所以在常年缺水地區也不能使用。

      2 冷水機組

      相變是指物質急劇的變化,例如冰變成水就是一種相變的過程。在現代制冷技術中,相變制冷是利用某種物質相變時的吸熱效應,從而達到降低溫度的效果。冷水機組就是利用制冷劑(即134a、407c等環保冷媒)的相變實現制冷的常用設備。

      本文主要以風冷冷水機組為例來介紹制冷循環過程。冷水機組主要包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥、控制箱、蒸發器、連接管道等部件,構成一個密閉的循環系統。

      主要工作原理為:低溫低壓液態的制冷劑進入蒸發器,吸收被冷卻物的熱量后變成低溫低壓氣態的制冷劑再進入壓縮機,經過壓縮機壓縮成高溫高壓氣態的制冷劑進入冷凝器,高溫高壓蒸汽通過冷凝器向大氣中釋放熱,同時制冷劑變成低溫高壓的液體,最后經過膨脹閥節流后再回到蒸發器中,如此周而復始地循環,從而實現制冷過程。冷水機組工作原理如圖2所示。

      圖2 冷水機組工作原理

      3 冷水機組在水冷卻系統中的應用

      3.1 工程概況

      某海外項目需要為電力電子設備提供一套水冷卻系統,要求冷卻容量150kW,項目最高環境溫度為50℃,電力電子設備入口水溫要求小于45℃。項目地常年缺水,所以水資源比較匱乏,水的成本較高。受以上條件所限,常規冷卻系統空氣冷卻器和冷卻塔均不能應用。

      經研究發現,熱管制冷技術應用普遍,技術成熟,且在高溫環境中可實現制冷,能夠滿足電力電子設備冷卻要求。經過對比150kW同換熱容量下空冷器、冷卻塔和冷水機組的電源損耗和成本,發現冷水機組的電源損耗和成本相比其他兩種設備較高,電源損耗和成本對比見表1。

      表1 電源損耗和成本對比

      盡管冷水機組損耗和成本較高,但是制冷能夠滿足電力電子設備冷卻要求,該設備可提供更低的進水溫度,相比其他兩種冷卻設備制冷效果好,同時也可提高電力電子設備的使用壽命。其次因為工程實際受高溫和缺水條件限制,因此該工程只能選用冷水機組。

      通過工程應用實例,專門設計了一種使用冷水機組直接冷卻去離子水的密閉式水冷系統,并申請了專利(專利號:201821638338.X),經工程實施驗證,可以滿足電力電子設備運行要求。

      3.2 冷水機組設計

      經設計,該項目將冷水機組串聯于主循環泵和被冷卻電力電子設備之間,電力電子設備產生的熱量傳遞給水,通過主循環泵提升,進入冷水機組,經過冷水機組冷卻后的水再回到電力電子設備,形成密閉式循環,周而復始運行。冷卻系統用冷水機組示意圖如圖3所示。

      圖3 冷卻系統用冷水機組示意圖

      在設計中,將冷水機組串聯于主循環泵和被冷卻電力電子設備之間,電力電子設備產生的熱量經由主循環泵組將冷凍水傳遞到冷水機組的蒸發器,然后蒸發器通過制冷劑(即134a環保冷媒),制冷劑將熱量傳遞給冷水機組中的冷凝器,最終由冷凝器將熱量傳遞至大氣中。

      我國暖通專業工程設計界目前普遍采用冷卻水進出口溫度為32~37℃。電力電子設備入口水溫一般要求小于45℃。根據項目環境50℃運行要求,總設計制冷量為150kW。經設計選用3臺50kW壓縮機,每臺壓縮機可以獨立控制。

      根據相關的設計標準和部件的選型要求,選用R134a作為制冷劑,它屬于中溫制冷劑;冷水機組的蒸發溫度范圍為15~ 20℃,冷凝溫度為65℃,冷凍水出口水溫度≤32℃,冷凍水入口水溫度≤38℃。

      3.3 制冷試驗

      為了驗證冷水機組的實際制冷效果,試驗通過模擬不同環境溫度和不同制冷容量條件下,測量冷水機組冷凍水出口水溫(也即內冷卻系統中進入電力電子設備的入口水溫)來進行判斷。

      試驗時,將冷水機組放置在密閉的氣候試驗室內,室內裝有環境溫度傳感器,可以實時監測室內的空氣溫度。用電加熱器來模擬電力電子設備的發熱,提高循環被冷卻水的溫度。在冷水機組蒸發器被冷卻水側入口和出口分別安裝有溫度傳感器,監測入口和出口的水溫。測試系統回路圖如圖4所示。

      圖4 測試系統回路圖

      改變室內的環境溫度,并開啟對應編號的壓縮機,記錄環境溫度、出口水溫、入口水溫的測試數據。最后調節實驗室內環境溫度,將環境溫度升高到50℃以上,同時開啟3臺壓縮機,記錄相關的測試數據。測試數據見表2。

      通過對試驗數據分析可以得到,在環境平均溫度50.3℃、發熱量150.1 kW時,冷水機組冷凍水的出口平均溫度為30.5℃,進口平均溫度為36.7℃,均小于設計要求的32℃和38℃,從而證明該冷水機組達到了設計的制冷要求,滿足電力電子設備的入口溫度要求。此外,試驗也從側面分別對3臺壓縮機的工作性能進行了驗證。

      表2 冷水機組制冷測試數據

      4 結論

      冷水機組技術作為一種高效的制冷方式,其在空調制冷行業應用十分普遍,技術也比較成熟,但在國內外換流站電力電子設備水冷卻系統中卻未見有相關的報道或應用。

      本文通過對常年高溫缺水地區換流站電力電子設備外冷卻系統的研究,首次提出了將冷水機組直接應用在換流站電力電子設備用水冷卻系統中的新思路,即采用冷水機組直接冷卻去離子水,并以實際工程為應用案例,試驗證明了該方案的可行性,為高溫缺水地區的冷卻應用提供了技術支持和方案,具有一定的市場應用價值,對推動電力電子設備冷卻技術的發展也有一定的借鑒意義。

      值得注意的是,該冷水機組制冷時壓縮機需要消耗一定的電能,相比空氣冷卻器和冷卻塔來說能耗可能會增加。在實際工程應用中,需要綜合考慮環境溫度、水資源條件、電力電子設備進水溫度等因素,合理選擇適用的冷卻設備。


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