蒸发冷却技术在发电厂的应用
赵宗安
摘 要：通过对萨拉齐电厂一、二次风机变频器室的降温通风设计及现场测试，展示了蒸发冷却通风降温技术的节能特性，现场测试分析结果表明，蒸发冷却降温通风系统在保证主机设备的正常运行及节能方面，取得了明显的效果。
关键词：变频器室 蒸发冷却 降温通风 直接蒸发 间接蒸发 节能
中图分类号：TU834 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（b）-0135-03
1 蒸发冷却技术简介
蒸发冷却是有效利用干空气能的技术手段，以水为降温工质，在不饱和状态的空气中蒸发，达到冷却空气的目的。其中水吸收空气的热量而蒸发为水蒸气，空气失掉显热量，温度降低，水蒸气到空气中使空气含湿量增加，潜热量也增加。由于空气失掉显热，得到潜热，空气焓值基本不变，所以称此过程为等焓加湿过程。又因此过程与外界没有热量交换，故也称为绝热加湿过程，最终循环水温将稳定在空气的湿球温度上。只要空气不是饱和的，利用循环水（或通过填料层）喷淋空气就可以获得降温的效果。将冷却后的空气作为送风以降低室温，这种处理空气的方法称为蒸发冷却。
本文主要对萨拉齐发电厂一、二次风机变频器室的蒸发冷却降温通风方案进行了介绍，通过相关的测试，与机械压缩制冷系統进行了对比分析。
2 项目改造设计
2.1 工程概况
神华神东电力萨拉齐发电厂工程建设规模为2×300MW亚临界空冷发电机组，配循环流化床锅炉， 2012年5月完成了变频器室暖通改造设计，2013年夏天完成蒸发冷却系统有关测试。
2.2 当地气象参数及主要技术参数
夏季大气压：P=89060Pa；
夏季空调室外空气计算干球温度：tg=30.9℃；
夏季空调室外空气计算湿球温度：ts=21.0℃；
夏季室内设计干球温度：tn=35.0℃；
夏季室内设计相对湿度：；
冬季室内设计干球温度：tn=5.0℃；
变频器散热量见表1。
2.3 蒸发冷却系统设计方案
本次变频器改造共涉及2台机组的一、二次风机，其中1号机组共有两个变频器室，每个变频器室设置1台一次风变频器和1台二次风变频器；2号机组变频器室与此相同。以下仅以1号机组的一个变频器室设计方案为例进行介绍，结合当地气象条件，采用一级直接蒸发冷却方式很难达到理想效果，故本工程采用直接蒸发与间接蒸发相结合的两级蒸发方式。间接蒸发空气处理过程与直接蒸发空气处理过程如图1所示。
2.3.1 蒸发冷却机组出口空气温度计算
（1）间接蒸发冷却效率。
式中，为间接蒸发冷却效率，此处取值0.78；
tm为间接蒸发冷却器出口空气干球温度，℃。
由公式（1）可得间接蒸发冷却器出口空气温度tm=tg-0.78（tg-ts）=23.2℃。
（2）直接蒸发冷却效率。
式中，为直接蒸发冷却效率，此处值为0.74；
to为直接蒸发冷却器出口空气干球温度，℃；
tms为间接蒸发冷却器出口空气湿球温度，℃。
由公式（2）可得直接蒸发冷却器出口空气温度to=tm-0.74（tm-tms）=20.0℃，即经过两级蒸发，蒸发冷却机组出口空气温度为20.0℃。
2.3.2 蒸发冷却机组送风量及选型
如果冷却变频器发热元件后的热空气全部排放到室外，一方面造成不必要的浪费，不利于节能，另一方面变频器室内维持正压的要求必然导致蒸发冷却机组送风量加大。故通过对比优化，回收利用25%的变频器排风，其余75%排风排放至室外，机组处理的显热量按照变频器总发热量的75%考虑。冬季则根据室外温度的变化，调整风管上风阀的比例关系，使室内温度保持在规定的范围内。据此，结合当地焓湿图（见图1），可以计算得出每个变频器室所配蒸发冷却机组送风量：
式中，为蒸发冷却机组送风量，m3/h；
为显热热量，kW；
为送回风平均密度，取1.048kg/m3；
为空气定压比热容，取1.01kJ/（kg·℃）；
为送回风温差，取15℃。
考虑一定的富裕系数，蒸发冷却机组选型参数见表2。
JSZL-400-Ⅱ型蒸发冷却机组主要由4个功能段组成，分别是初效过滤段、间接蒸发冷却段、直接蒸发冷却段和送风段，结构形式如图2所示。
2.4 系统控制要求
根据变频器等电气设备对环境条件要求及相关规范的规定，变频器室内夏季温度控制在35℃以下，冬季室温维持在5℃以上（具体控制参数应根据当地气象资料加以调整）。蒸发冷却降温通风系统由PLC+HMI集中控制，主要设置夏季控制模式与冬季控制模式，这两个模式又分别具有自动运行模式和手动运行模式。
2.4.1 夏季控制模式
（1）室外温度≥20℃时。
当室内温度≥35℃时，蒸发冷却机组、送风系统以及变频器室排风系统（环境排风设备）全部投入运行。
室内温度<35℃时，蒸发冷却机组以及变频器室排风系统（环境排风设备）全部停止运行或间歇性运行。
（2）当室外温度<20℃时。
蒸发冷却机组只运行间接蒸发冷却段，或两级都不运行，仅开启蒸发冷却机组内的风机，直接利用室外空气来降低室内温度；变频器室排风系统（环境排风设备）全部投入运行。
2.4.2 冬季控制模式
当室外温度10℃时，进入冬季控制模式。
此时蒸发冷却机组停止运行，环境排风机停止运行。为保持室内温度，开启变频器排风管道上的风阀，调节此管道上的两个风阀比例，让一部分热空气回流到室内，提高室内的温度。另外，为保护机组，蒸发冷却机组新风进风阀和出风阀自动关闭，蒸发冷却机组关闭所有进水阀，开启所有排水阀，保持循环泵和水箱、管道内为空腔状态。endprint
2.5 节能分析
电厂变频器室降温通风系统的空调设备一般采用的都是机械压缩制冷方式，如采用分体柜式空调机、风管式空调机或风机盘管机组（冷冻水由制冷站提供）等，这种方式耗电量较大。针对本工程具体情况，若选用分体柜式空调机，则估算出的每个变频器室空调设备用电量约为100kW，本工程改造共涉及4个变频器室，则所需总的电负荷约为400kW。若采用前述蒸发冷却降温通风方式，每个变频器室蒸发冷却机组实际用电量仅为24.15kW，另加2台环境风机的用电量0.75kW，合计用电量为24.9kW，与采用分体柜式空调机方案相比，节电（4×100-4×24.9）=300.4kW，节电率300.4/400=75%，节能效果非常显著。
3 测试分析
为验证采用蒸发冷却方式对变频器室的实际降温通风效果，2013年夏季对萨拉齐电厂一、二次风机变频器室进行了现场测试。在蒸发冷却机组内部共设有4个测点（见图2）进行温湿度测试，其中：1为进风口，2为管式间接蒸发冷却段后，3为直接蒸发冷却段后，4为管式间接蒸发冷却段二次风口，另外在室内设置一个室内环境温湿度测点。
经过现场实际测试，并将测试结果经过整理，得出各测点温湿度变化曲线如图3、图4所示。
对图3、图4中温湿度曲线进行分析，可以看出变频器室采用蒸发冷却机组降温通风后，在一天里最热时间范围内，室内环境温度最高为29.5℃（出现在14：20），室内环境温度最低为28.8℃（出现在17：00），室内相对湿度最高为54.2%（出现在14：40），室内相对濕度最低为50.4%（出现在17：00），完全满足设计要求。
4 研究结论
通过对变频器室蒸发冷却降温通风系统的分析与测试，可以得出如下结论。
（1）蒸发冷却降温通风系统节能效果明显，相比传统机械制冷方式，节电约70%。
（2）蒸发冷却降温通风系统运行时，能完全满足室内温湿度的设计要求，效果良好。
此外，从本工程设计回访来看，采用蒸发冷却方式无论是节能还是实际效果都是不错，但同时也存在一些其他问题，需要今后进一步改善。例如，本工程变频器室紧靠着电厂锅炉房布置，周围环境较差，蒸发冷却机组过滤器容易发生堵塞，因此采用这种冷却方式对运行管理维护提出了更高的要求。
参考文献
[1] John R，Watt PE.蒸发冷却空调技术手册[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2] 黄翔.蒸发冷却空调理论与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3] 电力规划总院.DL/T 5035-2016火力发电厂供暖通风与空气调节设计规范[S].北京：中国计划出版社，2016.endprint
