500 kV地下變電站冷水機(jī)組運(yùn)行性能分析及改進(jìn)方向

孫蒙蒙，李夢群，李 迅，徐 勇

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

500 kV靜安(地下)變電站(以下簡稱“靜安變電站”)是迄今為止世界上最大的500 kV全地下變電站，深入地下的筒體造型為外圓內(nèi)方，地下結(jié)構(gòu)共有4層，深度達(dá)到-31 m。靜安變電站的電氣主設(shè)備、輔控設(shè)備以及電纜被合理地分布在地下B1～B4這4個層面，夏季室外環(huán)境熱量加上設(shè)備自身產(chǎn)生熱量，使得整個站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境特別惡劣。8臺66 kV電抗器的八分之七的熱量是由冷卻水帶走的，八分之一的熱量是由空調(diào)冷凍水處理過的新風(fēng)帶走的，220，110，35 kV GIS室、繼電保護(hù)室、走廊等的熱量均由空調(diào)冷凍水處理過的新風(fēng)帶走的。因此，電氣設(shè)備的散熱通風(fēng)和運(yùn)檢人員的工作環(huán)境安全性成了地下變電站暖通系統(tǒng)的兩大主要任務(wù)[1]。

1 靜安變電站集中冷水系統(tǒng)介紹

為了維持地下筒體內(nèi)的熱濕平衡，保證電氣設(shè)備和工作人員擁有良好的環(huán)境，在B4層(-31 m)裝設(shè)有一套集中冷水系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、空調(diào)終端機(jī)3個部分組成。冷凍水系統(tǒng)向空調(diào)終端機(jī)提供冷凍水，終端機(jī)再通過調(diào)節(jié)冷凍水閥位和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控電氣設(shè)備房間以及公共區(qū)域的溫度、濕度，并且連續(xù)不斷地供應(yīng)新風(fēng)。集中冷水系統(tǒng)的覆蓋范圍如下。

(1)1號繼電保護(hù)室、35 kV GIS室；

(2)220 kV GIS室；

(3)110 kV GIS室；

(4)2號繼電保護(hù)室和站用電室；

(5)B1層(-11.5 m)1區(qū)～4區(qū)公共區(qū)域；

(6)B3層(-26.5 m)1區(qū)～4區(qū)公共區(qū)域；

(7)M1層(-6.5 m)辦公區(qū)域和生活區(qū)域。

該系統(tǒng)自2010年至今已連續(xù)運(yùn)行了11年，現(xiàn)階段集中冷水系統(tǒng)方面主要存在的主要問題：冷水機(jī)組制冷效率低，在夏季高溫天氣制冷量不足，必須關(guān)閉部分末端空調(diào)機(jī)組才能保障重要設(shè)備間的溫度要求。

對于電氣設(shè)備而言，環(huán)境溫度過高，不但會嚴(yán)重縮短設(shè)備的使用壽命，而且還會影響保護(hù)裝置的穩(wěn)定性、動作的可靠性、計量的準(zhǔn)確性，甚至造成絕緣老化等情況；濕度過高，會降低電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，加快金屬材料的銹蝕，降低設(shè)備性能和使用壽命，甚至造成電氣故障。同時當(dāng)筒體內(nèi)相對濕度為75%～95%，溫度為25～30℃時，有利于加快霉菌滋生導(dǎo)致空氣混濁有霉味，對站內(nèi)工作人員構(gòu)成身體危害。

針對存在的這些問題，目前采取的措施主要是從結(jié)果出發(fā)，缺少系統(tǒng)層面的整體分析及改進(jìn)。因此，需要結(jié)合靜安變電站的實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)行分析歸納，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方向。

2 冷水機(jī)組工作原理

靜安變電站集中冷水系統(tǒng)的主機(jī)采用約克水冷雙螺桿式冷水機(jī)組，其工作原理如圖1所示。

圖1 水冷螺桿式冷水機(jī)組工作原理圖

(1)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)：在蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑吸收循環(huán)冷凍水的熱量，循環(huán)冷凍水的溫度降至7℃，后送至各空調(diào)終端機(jī)，在空調(diào)終端機(jī)內(nèi)冷卻空氣的過程中冷凍水吸熱升溫，然后返回蒸發(fā)器開始下一個循環(huán)。

(2)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)：在冷凝器內(nèi)制冷劑傳遞熱量至循環(huán)冷卻水，循環(huán)水的溫度升至41℃，后送至冷卻塔，在冷卻塔內(nèi)通過風(fēng)冷和水冷給冷卻水降溫，然后返回冷凝器開始下一個循環(huán)。

(3)制冷劑循環(huán)系統(tǒng)：制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收冷凍水的熱量汽化成蒸汽，蒸汽在壓縮機(jī)內(nèi)壓縮為高溫、高壓蒸汽送到冷凝器，在冷凝器中冷卻液化，再經(jīng)膨脹閥降壓進(jìn)入蒸發(fā)器，如此周而復(fù)始地循環(huán)。

3 靜安變電站冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀

在設(shè)計狀態(tài)下，每臺冷水機(jī)組的制冷量為620 kW，冷卻水進(jìn)/回水溫度為36℃/41℃，冷凍水供/回水溫度為7℃/12℃，靜安變電站共安裝4臺水冷的冷水機(jī)組(三用一備)。靜安變電站集中冷水系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 靜安變電站冷水機(jī)組的現(xiàn)場實(shí)物圖

對2020年6月15日至8月14日靜安變電站冷水機(jī)組冷凍水和冷卻水供/回水溫差進(jìn)行統(tǒng)計的結(jié)果如表1所示。

表1 冷水機(jī)組各側(cè)水溫及溫差 ℃

在設(shè)計狀態(tài)下，冷卻水進(jìn)/出水溫度為36℃/41℃，冷凍水供/回水溫度為7℃/12℃。從表1可以看出：靜安變電站冷水機(jī)組所制出冷凍水出水最低溫度為9.1℃，冷卻水出水最高溫度為40℃，冷凍水溫差最大值為4.5℃，冷卻水溫差最大值為2.9℃。無論溫差，還是供水溫度都偏離設(shè)計值比較大。

4 冷水機(jī)組效率分析

在夏季，循環(huán)水泵室內(nèi)熱量是室外環(huán)境、電機(jī)自身產(chǎn)生熱量、循環(huán)水管內(nèi)熱水的熱量這三者的疊加，導(dǎo)致循環(huán)水泵室的溫度最高可達(dá)到43℃，相對濕度超過90%，持續(xù)高溫導(dǎo)致循環(huán)水泵一直處于滲漏油狀態(tài)，故障率增加。同樣的情況，冷水機(jī)組室的溫度也高達(dá)到43℃，相對濕度超過90%，威脅室內(nèi)的電源屏和控制屏安全運(yùn)行，并且造成冷水機(jī)組效率低。

為了降低循環(huán)水泵室和冷水機(jī)組室的溫度和濕度，在冷水機(jī)組室增加了5臺5匹柜機(jī)空調(diào)，1，2，4號循環(huán)水泵室各增加4臺5匹柜機(jī)空調(diào)。由于17臺柜機(jī)空調(diào)也是利用冷凍水降溫，因此冷水系統(tǒng)比設(shè)計時額外增加了62.5 kW的負(fù)荷。冷水機(jī)組參數(shù)為：機(jī)組總輸入功率145 kW，機(jī)組設(shè)計工況制冷量620 kW，機(jī)組設(shè)計工況下的制冷能效比(COP)4.27，冷凍水額定流量30 l/s，冷凍水供回水溫差5℃。

冷水機(jī)組性能系數(shù)[4]是反應(yīng)冷水機(jī)組運(yùn)行效率的指標(biāo)，其計算公式：

(1)

式中Q——冷水機(jī)組制冷量，kW；Wc——冷水機(jī)組輸入功率，kW。

以2020年8月2日一臺冷水機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況為例，計算冷水機(jī)組的ηCOP。當(dāng)天冷水機(jī)組參數(shù)為：總輸入功率145 kW，冷凍水流量66 t/h，冷凍水供回水溫差2.8℃。

機(jī)組的制冷量計算公式：

Q=CmΔt

(2)

式中C——水的比熱容，取4.18，kJ/(kg·K)；m——冷凍水額定流量，m3/s；Δt——冷凍水供回水溫差，℃。

從計算結(jié)果可看出，冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行性能系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計值，夏季靜安變電站有3個月時間冷水機(jī)組需開3臺才能保證站內(nèi)溫濕度環(huán)境。假設(shè)3臺冷水機(jī)組全開正好滿足整個站內(nèi)所需制冷量，那么整個站所需制冷量為645 kW左右，實(shí)際設(shè)計是2臺冷水機(jī)組即可滿足需求，現(xiàn)如今需3臺。

夏季3臺冷水機(jī)組都滿負(fù)荷運(yùn)行時，終端空調(diào)機(jī)組并不是全部開啟。根據(jù)設(shè)備的重要性和實(shí)際環(huán)境情況，關(guān)閉了一些空調(diào)機(jī)組，保證對環(huán)境要求較高設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。比如：220 kV GIS室共有6臺空調(diào)機(jī)組只開2臺，110 kV GIS室共有2臺空調(diào)機(jī)組只開1臺，B3層3區(qū)、4區(qū)走廊2臺空調(diào)機(jī)組全關(guān)，2號繼電保護(hù)室2臺空調(diào)機(jī)組關(guān)閉1臺。

在關(guān)閉8臺終端空調(diào)機(jī)組的情況下，開啟3臺冷水機(jī)組才勉強(qiáng)夠用，3號主變擴(kuò)建后至少再增加215 kW的制冷量，這時第4臺冷水機(jī)組全負(fù)荷投入運(yùn)行，勉強(qiáng)滿足需求。此時無余量、無備用，一旦有一臺機(jī)組發(fā)生故障，所對應(yīng)區(qū)域?qū)o制冷量，電氣設(shè)備熱量積聚，影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

2021年靜安變電站3號主變擴(kuò)建，3區(qū)設(shè)備完善，3區(qū)空調(diào)機(jī)組不能再關(guān)閉。4臺全開也必然不夠用，因此3號主變擴(kuò)建時一定要綜合考慮冷水機(jī)組的容量，對集中冷水系統(tǒng)進(jìn)行全面的優(yōu)化。

5 靜安變電站冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行性能影響因素

5.1 集中冷水系統(tǒng)的控制策略

設(shè)計時，集中冷水系統(tǒng)的負(fù)荷控制由冷水系統(tǒng)聯(lián)機(jī)群控系統(tǒng)和機(jī)組本體控制系統(tǒng)完成，并根據(jù)如下條件對系統(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)、設(shè)備出力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足系統(tǒng)末端負(fù)荷變化的要求[2-3]。

(1)根據(jù)冷凍水供/回水溫度和系統(tǒng)末端流量的變化，來調(diào)整系統(tǒng)中冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水泵和冷卻水泵的運(yùn)行臺數(shù)；

(2)根據(jù)冷凍水供/回總管的差壓變化調(diào)節(jié)系統(tǒng)差壓旁路調(diào)節(jié)閥，以調(diào)節(jié)末端冷凍水流量；

(3)根據(jù)冷凍水供/回水溫度調(diào)節(jié)冷水機(jī)組的出力(由冷水機(jī)組本體控制系統(tǒng)完成，機(jī)組部分負(fù)荷性能應(yīng)按設(shè)計工況的冷卻水進(jìn)水溫度考核)，以確保壓縮機(jī)隨負(fù)荷變化正常運(yùn)行。

然而，實(shí)際運(yùn)行中僅根據(jù)設(shè)備環(huán)境溫度和冷水機(jī)組的電流百分比去控制冷水機(jī)組和空調(diào)機(jī)組的臺數(shù)開啟，對設(shè)備本體的效率沒有進(jìn)行校對。

5.2 冷水機(jī)組效率影響因素分析

集中冷水系統(tǒng)各溫度之間的關(guān)系[5]如圖3和圖4所示。

圖3 冷水機(jī)組蒸發(fā)側(cè)各介質(zhì)之間的關(guān)系

圖4 冷水機(jī)組冷凝側(cè)各介質(zhì)之間的關(guān)系

根據(jù)冷水機(jī)組的工作原理和圖3、圖4可知：冷凍水出水溫度高于7℃主要和蒸發(fā)器的換熱性能有關(guān)，冷卻水出水溫度低于41℃主要和冷凝器的換熱性能有關(guān)，冷凍水供/回水溫差低于5℃和末端盤管有關(guān)，冷卻水供/回水溫差低于5℃和冷卻塔的換熱效率有關(guān)。

由運(yùn)行11年的實(shí)際情況和理論分析歸納出，靜安變電站冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行與設(shè)計值偏差較大的主要原因：冷凍水、冷卻水側(cè)運(yùn)行性能不佳導(dǎo)致冷水機(jī)組蒸發(fā)溫度過低、冷凝溫度過高；冷水機(jī)組缺乏專業(yè)維護(hù)；冷卻塔換熱效率較差[4-5]。

5.3 集中冷水系統(tǒng)的改進(jìn)方向

針對靜安變電站的集中冷水系統(tǒng)效率低的問題提出以下改進(jìn)方向。

(1)外因。提高蒸發(fā)溫度或降低冷凝溫度。對于蒸發(fā)側(cè)，通過合理匹配末端供冷需求，避免冷水供水溫度過低，進(jìn)而提升蒸發(fā)器換熱性能提高蒸發(fā)溫度，從而使得冷水機(jī)組運(yùn)行在更小的壓縮比下，獲得更好的理論；對于冷凝側(cè)，通過優(yōu)化冷卻塔換熱性能、減少換熱環(huán)節(jié)等手段，降低冷卻水溫度，進(jìn)而降低冷凝溫度。

(2)內(nèi)因。優(yōu)化冷水機(jī)組內(nèi)部的、相對固定的技術(shù)參數(shù)或特征。在實(shí)際運(yùn)行性能中，對于不同運(yùn)行工況、不同負(fù)荷率，冷水機(jī)組的運(yùn)行性能都應(yīng)該與相應(yīng)的額定性能對標(biāo)。如果出現(xiàn)性能衰減，應(yīng)及時進(jìn)行測試分析，與廠家積極溝通解決，以保證冷水機(jī)組在全工況下高效運(yùn)行。

(3)內(nèi)外協(xié)同。開機(jī)臺數(shù)和供冷需求合理匹配。冷水機(jī)組全工況下的運(yùn)行性能基本都隨著負(fù)荷率的增大而提升，在實(shí)際運(yùn)行過程中，需要根據(jù)末端供冷需求，設(shè)置合理的開機(jī)組合，使得每臺冷水機(jī)組均以較高效率運(yùn)行，從而提高冷水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行性能。

這些都是靜安變電站實(shí)際運(yùn)行時存在的不足之處，目前僅根據(jù)設(shè)備環(huán)境溫度和冷水機(jī)組的電流百分比去控制冷水機(jī)組和空調(diào)機(jī)組的臺數(shù)，但沒有從根上解決問題。

6 結(jié)語

本文分析了靜安變電站冷水機(jī)組的工作原理，計算出實(shí)際性能系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計值。從原理出發(fā)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀，提出內(nèi)因、外因、內(nèi)外協(xié)同這3個改進(jìn)方向，來實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組高效運(yùn)行。靜安變電站作為世界上最大的全地下變電站，本文的分析及建議對現(xiàn)有及新建地下變電站都有較大的參考價值。