冷水機(jī)組在電力電子水冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用
目前國(guó)內(nèi)外輸配電電力電子閥水冷卻系統(tǒng)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(dāng)采用水冷卻方式時(shí)，一般采用冷卻塔；當(dāng)采用空氣冷卻方式時(shí)，一般采用空氣冷卻器。近年來輸配電電力電子設(shè)備用水冷卻系統(tǒng)實(shí)際工程應(yīng)用中，大多采用空氣冷卻器，也有少量工程應(yīng)用冷卻塔。
然而，使用空氣冷卻器要求環(huán)境溫度低于被冷卻對(duì)象進(jìn)水溫度，當(dāng)環(huán)境溫度高于50℃時(shí)，會(huì)使冷卻系統(tǒng)的效率下降，電力電子設(shè)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(xiàng)目地有充足的水資源。因此，在高溫缺水地區(qū)，上述的兩種冷卻方式的應(yīng)用均受到限制。
因此，需要研究一種水冷系統(tǒng)，能夠適應(yīng)高溫缺水地區(qū)的應(yīng)用,滿足輸配電電力電子設(shè)備的冷卻要求，并且保證電力電子設(shè)備可靠運(yùn)行。
1 水冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1.1 水冷卻系統(tǒng)的工作原理
輸配電電力電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，一般采用密閉式循環(huán)的冷卻方式。它包括主循環(huán)泵組、熱交換器、控制保護(hù)系統(tǒng)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(wěn)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(shè)備。其主要工作原理如圖1所示。
冷卻媒質(zhì)（純水或水與防凍液混合物，即去離子水）經(jīng)主水泵增壓后，通過水管道進(jìn)入熱交換器中（空氣冷卻器或冷卻塔），再與室外空氣進(jìn)行熱量交換從而達(dá)到降低溫度的目的，然后流過電力電子設(shè)備閥組，帶出電力電子設(shè)備工作所產(chǎn)生的熱量而溫度升高，升溫后的冷卻媒質(zhì)經(jīng)過脫氣罐回到主水泵入口，形成一個(gè)密閉式循環(huán)回路，如此連續(xù)往復(fù)運(yùn)行。
為保證電力電子設(shè)備可靠運(yùn)行，冷卻水需要滿足電力電子設(shè)備運(yùn)行的電導(dǎo)率要求。為此，部分冷卻媒質(zhì)需要經(jīng)過離子交換器，不斷地處理系統(tǒng)中的冷卻水，使其滿足電力電子設(shè)備所要求的電導(dǎo)率值。
1.2 空氣冷卻器
空氣冷卻器是利用空氣來實(shí)現(xiàn)熱量交換，從而達(dá)到降低水溫的目的。空氣冷卻器與冷卻塔相比，具有節(jié)約水資源、節(jié)省維護(hù)成本、減少環(huán)境破壞和污染等優(yōu)點(diǎn)。
空氣冷卻器由穿片管束或套片管束、風(fēng)扇和電機(jī)、配電箱、匯集水管、鋼結(jié)構(gòu)和其他附件組成。熱冷卻媒質(zhì)在管束內(nèi)流動(dòng)，風(fēng)機(jī)帶動(dòng)空氣流動(dòng)并吹過管束，使管束內(nèi)高溫介質(zhì)得到冷卻，實(shí)現(xiàn)熱量的交換。
空氣冷卻器被廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)、外電力電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中。選用該設(shè)備時(shí)，一般被冷卻設(shè)備的進(jìn)口水溫要高于環(huán)境極端溫度，以大于5℃為宜，設(shè)備散熱效果理想并且設(shè)備造價(jià)經(jīng)濟(jì)。因受電力電子設(shè)備進(jìn)水溫度和環(huán)境溫度的制約，當(dāng)電力電子設(shè)備要求的進(jìn)口溫度比環(huán)境溫度低時(shí)，該設(shè)備不能使用。
1.3 閉式蒸發(fā)冷卻塔
閉式蒸發(fā)冷卻塔近幾年在鋼鐵冶金、電力電子、機(jī)械加工、空調(diào)系統(tǒng)等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。閉式冷卻塔源自于工業(yè)用蒸發(fā)式冷卻器，是利用自然環(huán)境中空氣的干濕球溫度差以間接蒸發(fā)的方式來降低水的溫度。
熱的冷卻媒質(zhì)在蒸發(fā)冷卻塔盤管內(nèi)流過，冷卻塔頂部噴淋水均勻流過布置在塔頂?shù)膰娏芩埽趪娏芩玫尿?qū)動(dòng)下噴灑在冷卻塔盤管的表面，大氣中的冷空氣由塔體的進(jìn)風(fēng)口流入塔內(nèi)，并在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下形成空氣循環(huán)，塔內(nèi)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(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)冷卻降低盤管中冷卻媒質(zhì)溫度。
蒸發(fā)冷卻塔主要受濕球溫度的影響，一般地區(qū)濕球溫度小于28℃，所以能夠保證將電力電子設(shè)備入口水溫控制在45℃以下，因此水資源豐富的地區(qū)閉式冷卻塔也被廣泛應(yīng)用。雖然該設(shè)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(qū)也不能使用。
2 冷水機(jī)組
相變是指物質(zhì)急劇的變化，例如冰變成水就是一種相變的過程。在現(xiàn)代制冷技術(shù)中，相變制冷是利用某種物質(zhì)相變時(shí)的吸熱效應(yīng)，從而達(dá)到降低溫度的效果。冷水機(jī)組就是利用制冷劑（即134a、407c等環(huán)保冷媒）的相變實(shí)現(xiàn)制冷的常用設(shè)備。
本文主要以風(fēng)冷冷水機(jī)組為例來介紹制冷循環(huán)過程。冷水機(jī)組主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、控制箱、蒸發(fā)器、連接管道等部件，構(gòu)成一個(gè)密閉的循環(huán)系統(tǒng)。
主要工作原理為：低溫低壓液態(tài)的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收被冷卻物的熱量后變成低溫低壓氣態(tài)的制冷劑再進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣態(tài)的制冷劑進(jìn)入冷凝器，高溫高壓蒸汽通過冷凝器向大氣中釋放熱，同時(shí)制冷劑變成低溫高壓的液體，最后經(jīng)過膨脹閥節(jié)流后再回到蒸發(fā)器中，如此周而復(fù)始地循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)制冷過程。冷水機(jī)組工作原理如圖2所示。
3 冷水機(jī)組在水冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用
3.1 工程概況
某海外項(xiàng)目需要為電力電子設(shè)備提供一套水冷卻系統(tǒng)，要求冷卻容量150kW，項(xiàng)目最高環(huán)境溫度為50℃，電力電子設(shè)備入口水溫要求小于45℃。項(xiàng)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(guī)冷卻系統(tǒng)空氣冷卻器和冷卻塔均不能應(yīng)用。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱管制冷技術(shù)應(yīng)用普遍，技術(shù)成熟，且在高溫環(huán)境中可實(shí)現(xiàn)制冷，能夠滿足電力電子設(shè)備冷卻要求。經(jīng)過對(duì)比150kW同換熱容量下空冷器、冷卻塔和冷水機(jī)組的電源損耗和成本，發(fā)現(xiàn)冷水機(jī)組的電源損耗和成本相比其他兩種設(shè)備較高，電源損耗和成本對(duì)比見表1。
盡管冷水機(jī)組損耗和成本較高，但是制冷能夠滿足電力電子設(shè)備冷卻要求，該設(shè)備可提供更低的進(jìn)水溫度，相比其他兩種冷卻設(shè)備制冷效果好，同時(shí)也可提高電力電子設(shè)備的使用壽命。其次因?yàn)楣こ虒?shí)際受高溫和缺水條件限制，因此該工程只能選用冷水機(jī)組。
通過工程應(yīng)用實(shí)例，專門設(shè)計(jì)了一種使用冷水機(jī)組直接冷卻去離子水的密閉式水冷系統(tǒng)，并申請(qǐng)了專利（專利號(hào)：201821638338.X），經(jīng)工程實(shí)施驗(yàn)證，可以滿足電力電子設(shè)備運(yùn)行要求。
3.2 冷水機(jī)組設(shè)計(jì)
經(jīng)設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目將冷水機(jī)組串聯(lián)于主循環(huán)泵和被冷卻電力電子設(shè)備之間，電力電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量傳遞給水，通過主循環(huán)泵提升，進(jìn)入冷水機(jī)組，經(jīng)過冷水機(jī)組冷卻后的水再回到電力電子設(shè)備，形成密閉式循環(huán)，周而復(fù)始運(yùn)行。冷卻系統(tǒng)用冷水機(jī)組示意圖如圖3所示。
在設(shè)計(jì)中，將冷水機(jī)組串聯(lián)于主循環(huán)泵和被冷卻電力電子設(shè)備之間，電力電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量經(jīng)由主循環(huán)泵組將冷凍水傳遞到冷水機(jī)組的蒸發(fā)器，然后蒸發(fā)器通過制冷劑（即134a環(huán)保冷媒），制冷劑將熱量傳遞給冷水機(jī)組中的冷凝器，最終由冷凝器將熱量傳遞至大氣中。
我國(guó)暖通專業(yè)工程設(shè)計(jì)界目前普遍采用冷卻水進(jìn)出口溫度為32～37℃。電力電子設(shè)備入口水溫一般要求小于45℃。根據(jù)項(xiàng)目環(huán)境50℃運(yùn)行要求，總設(shè)計(jì)制冷量為150kW。經(jīng)設(shè)計(jì)選用3臺(tái)50kW壓縮機(jī)，每臺(tái)壓縮機(jī)可以獨(dú)立控制。
根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)組的蒸發(fā)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(yàn)
為了驗(yàn)證冷水機(jī)組的實(shí)際制冷效果，試驗(yàn)通過模擬不同環(huán)境溫度和不同制冷容量條件下，測(cè)量冷水機(jī)組冷凍水出口水溫（也即內(nèi)冷卻系統(tǒng)中進(jìn)入電力電子設(shè)備的入口水溫）來進(jìn)行判斷。
試驗(yàn)時(shí)，將冷水機(jī)組放置在密閉的氣候試驗(yàn)室內(nèi)，室內(nèi)裝有環(huán)境溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的空氣溫度。用電加熱器來模擬電力電子設(shè)備的發(fā)熱，提高循環(huán)被冷卻水的溫度。在冷水機(jī)組蒸發(fā)器被冷卻水側(cè)入口和出口分別安裝有溫度傳感器，監(jiān)測(cè)入口和出口的水溫。測(cè)試系統(tǒng)回路圖如圖4所示。
改變室內(nèi)的環(huán)境溫度，并開啟對(duì)應(yīng)編號(hào)的壓縮機(jī)，記錄環(huán)境溫度、出口水溫、入口水溫的測(cè)試數(shù)據(jù)。最后調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度，將環(huán)境溫度升高到50℃以上，同時(shí)開啟3臺(tái)壓縮機(jī)，記錄相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。
通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得到，在環(huán)境平均溫度50.3℃、發(fā)熱量150.1 kW時(shí)，冷水機(jī)組冷凍水的出口平均溫度為30.5℃，進(jìn)口平均溫度為36.7℃，均小于設(shè)計(jì)要求的32℃和38℃，從而證明該冷水機(jī)組達(dá)到了設(shè)計(jì)的制冷要求，滿足電力電子設(shè)備的入口溫度要求。此外，試驗(yàn)也從側(cè)面分別對(duì)3臺(tái)壓縮機(jī)的工作性能進(jìn)行了驗(yàn)證。
4 結(jié)論
冷水機(jī)組技術(shù)作為一種高效的制冷方式，其在空調(diào)制冷行業(yè)應(yīng)用十分普遍，技術(shù)也比較成熟，但在國(guó)內(nèi)外換流站電力電子設(shè)備水冷卻系統(tǒng)中卻未見有相關(guān)的報(bào)道或應(yīng)用。
本文通過對(duì)常年高溫缺水地區(qū)換流站電力電子設(shè)備外冷卻系統(tǒng)的研究，首次提出了將冷水機(jī)組直接應(yīng)用在換流站電力電子設(shè)備用水冷卻系統(tǒng)中的新思路，即采用冷水機(jī)組直接冷卻去離子水，并以實(shí)際工程為應(yīng)用案例，試驗(yàn)證明了該方案的可行性，為高溫缺水地區(qū)的冷卻應(yīng)用提供了技術(shù)支持和方案，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，對(duì)推動(dòng)電力電子設(shè)備冷卻技術(shù)的發(fā)展也有一定的借鑒意義。
值得注意的是，該冷水機(jī)組制冷時(shí)壓縮機(jī)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(huì)增加。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要綜合考慮環(huán)境溫度、水資源條件、電力電子設(shè)備進(jìn)水溫度等因素，合理選擇適用的冷卻設(shè)備。
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