智能变电站通风系统优化设计与经济技术指标分析

王 慧, 李冬梅, 李盛伟

(1.中国电力能源建设集团 天津电力设计院有限公司,天津 300081; 2.中国石油大学胜利学院 机械与控制工程学院,山东 东营 257000;3.国网天津市电力公司 经济技术研究院,天津 300171)

2017-05-20

王 慧(1989—),女,山东菏泽人,中国能源建设集团天津电力设计院有限公司工程师,硕士,主要从事智能变配电工程设计技术研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2017.03.010

智能变电站通风系统优化设计与经济技术指标分析

王 慧1, 李冬梅2, 李盛伟3

(1.中国电力能源建设集团 天津电力设计院有限公司,天津 300081; 2.中国石油大学胜利学院 机械与控制工程学院,山东 东营 257000;
3.国网天津市电力公司 经济技术研究院,天津 300171)

智能变电站的通风系统是智能变电站智能辅助监控系统的重要组成部分,是保障变电站设备安全可靠运行的重要技术措施。根据置换通风的原理,结合机械驱动排风和自然排风的优点,提出一种低位送风、高位排风的智能变电站通风系统设计方案,可对送风地点、送风速度、送风方向、送风品质等实现可控及对通风系统的气流流程优化控制，并通过与典型通风方式的比较，验证新方案在增加一定通风设备投资的条件下大大提高电气设备间运行环境，且节能降耗效果显著，确保3年可回收投资额。

智能变电站;通风系统;经济技术指标分析

1 变电站通风系统简述

智能变电站电气房间的设备种类多、布置紧密,消防通风系统是其重要的组成部分,也是保障变电站设备安全可靠运行的重要技术措施[1- 4]。

1.1 变电站通风方式

根据空气流动的驱动力不同,通风方式可分为热压驱动的自然通风方式、自然进风机械排风方式和机械通风自然排风方式。

1.1.1 热压驱动的自然通风方式

指直接利用电气设备散发的热量产生的室内外空气温度差所形成的热压,通过自然对流交换完成散热的通风方式,常应用于一些夏季室外通风温度较低以及一些室内温度要求不高的地区,其最大优势在于通风系统的能耗低。并且,采用自然通风散热方式需要具备一些前提,主要有:(1)保证足够的高度和进排风面积;(2)室内空气与发热设备之间充分的热交换;(3)进风无过滤而保持室内空气的洁净度良好。

1.1.2 自然进风机械排风方式

为了有效控制室内温度,同时又尽量利用自然通风系统能耗低的优势,学者们提出了自然进风机械排风方式,它在电气设备发热产生的热压作用的基础上,附加了通风设备产生的静压。与自然通风相比有以下优点:

(1)有效地保证通风系统所需的风量。根据计算确定的风量,选择排风设备,实际运行中,只要保持进排风通道的通畅,通风系统的通风量就能满足计算要求。

(2)缩小进风口的面积。通过排风设备的运行,进风口处的室内外压差将会在原有热压的基础上,附加了风机产生的负压,可以提高进风速度,在同样通风量的前提下,减小进风口的面积。

1.1.3 机械驱动的自然排风方式

为了有效解决由于室外进风而室内分布不均,造成局部地点形成通风死角的问题,学者们提出了机械驱动的自然排风方式,与前两种通风系统相比,优点如下:

(1)室外新风全方位覆盖设计区域,无死角。在机械送风的驱动下,通过优化风管和送风口的布置点,可将室外新风全方位、无死角的送至设计区域的发热体周围,有利于快速散热。

(2)机械驱动的自然排风系统可有效的对进风进行处理。在送风装置的前端加装一些过滤、除湿、消毒、PM2.5处理等前置设备,有效地保证进入室内空气的品质,有利于变电站设备的安全运行环境。

(3)具有良好的节能效果及降噪效果。

1.2 常见通风系统诟病

智能变电站中,设备种类繁多且所处环境复杂,温度、湿气、粉尘、噪声等环境情况是通风系统设计需要考虑的重要因素,也是变电站设备运行的关键;主要常见通风系统诟病主要有:

(1)变电站电气设备室通风系统的设计基本沿用火力发电厂的一些设计方法,对变电站电气设备室内环境的影响因素缺乏系统分析和研究。

(2)电气设备室采用自然进风、轴流风机机械排风方案,配置的通风系统噪声偏大,或者系统启动后,大量不经过滤的室外空气进入室内,导致电气设备表面粉尘积聚,增加运行人员维护工作量,导致运行人员不愿启动通风设备、以至室内环境温度偏高。

(3)部分地方选用空调系统对设备房间进行降温,不仅能耗增加,投资增加,过低的环境温度还可能导致电气设备表面发生凝露,影响电气设备的安全稳定运行。

2 变电站智能通风系统设计

智能通风系统是一种基于置换通风原理的机械驱动和自然排风相结合的通风系统。

2.1 置换通风原理

置换通风原理是指通过优化设计通风的位置,以较低速在设计区域的下部送风,使设计区域范围的气流以类似层流的活塞流状态缓慢向上移动,当气流到达一定高度后,由于受外部热源和区域顶板的影响,发生紊流现象,形成下部单向流动区和上部紊流混合区的两个热力分层现象,即上部紊流混合区和下部单向流动清洁区,且智能变电站的主要设备安装在下部区域,从而形成了良好的散热效果。智能通风热力分层情况如图1所示。

从置换通风的设计原理不难发现,该设计不仅受外部机械驱动的送风动量控制,而且受设备散热的热浮升力作用,从而在发热设备周围形成烟羽。同时,烟羽因密度低于周围空气而上升,从而不断卷吸周围空气并流向顶部,从而有利于气流排放。

图1 置换通风原理图

如果烟羽流量在设计区域的顶棚处大于送风量,根据连续性原理,必将有一部分热浊气流下降,从而在顶部形成一个热浊空气层。根据连续性原理,在任一个标高平面上的上升气流流量Qp等于送风量Qs与回返气流流量Qr之和。因此必将在某一个平面上烟羽流量Qp正好等于送风量Qs,在该平面上回返空气量等于零。

2.2 智能通风系统特点

智能通风的特点主要体现在以下几个方面:

(1)送风地点可控。变电站内不同的电气设备其发热部位不一致,为尽量减少发热体对室内温度的影响,一般需要调整机械送风的送风口位置,将发热体位于送风气流的下游段,可有效地维持室内大部分区域的温度,减少因室内空气混流造成的整个室内环境温度的普遍升高;同时,通过送风点的选择,有效消除室内涡流区,避免局部地点因涡流造成的温度异常升高。

(2)送风速度可控。为了维持电气设备室的温度分层界面稳定在电气设备的顶部,必须控制送风装置送风口速度,既要满足有效维持室内温度所需的合理通风量,又要保持室内空气处于近似层流的稳定流状态。

(3)送风方向可控。送风装置的送风速度难以满足维持室内稳定气流组织时,可通过调整送风方向,利用空气扩散、反射等理论,使送风装置送出的新风卷吸部分室内气流,速度下降后到达发热部件周围,使发热部件周围的空气呈近似层流状态。

(4)送风品质可控。根据室外气候条件的变化和变电站所处的环境变化,送风装置可以对进风进行过滤、控湿等,以有效保证室内空气品质。

(5)送风时机可控。智能通风借助于智能控制系统,根据室内外环境温度变化,自动调整送风装置的送风量,实现满足设备运行环境温度的节能运行。

(6)设备附加噪声可控。通过对设备本体箱体、引风管道的消声处理,可有效防治设备噪声对周围环境的影响。

(7)通风系统的气流流程优化控制。变电站作为一个综合体建筑,可以利用各工艺设备房间的相互位置和室内对环境温度的要求不同,将相邻房间作为一个整体考虑,既达到控制室内温度的目的,又简化了通风系统。

2.3 智能通风系统设计

智能通风是以热平衡原理、置换通风理论为基础,以追求通风系统的节能效果为目标,在保持室内合理的气流组织前提下,适当提高了通风系统的排风温度,降低了通风系统通风量,同时充分利用设备散热形成的热压,降低送风装置的能耗;通过送风装置的控制优化,实现室内环境的智能控制。

(1)气流组织设计。智能系统采用房间下部机械送风,进入室内的气流可根据室内设备的布置状况、发热部件的分布情况,送至相应的区域,对设备散热量有效吸收后,在热压和风机静压的共同作用下,上升到室内的上部空间,通过源源不断的气流补充,维持电气设备周边的温度;排至上部空间的热空气温度不断上升,热压增加,通过设置围护结构的排风口排至室外;通过对送风气流的控制,将“分层界面”稳定地控制在电气设备的上方,从而实现对室内环境温度的有效控制;然后,通过送风点的优化布置,让室外新风先经过发热量少的设备区域,最终到达主要发热设备,就可以减少发热设备对室内其他环境的热污染。

(2)排风温度的确定。常规的通风系统由于采用的是自然进风、机械排风,排风温度一般取设备的环境温度;而智能通风系统的气流组织形式,决定排风口位于上部紊流区内,其温度要明显高于“分层界面”下设备周围的温度,即环境温度,所以排风温度可以根据室内电气设备的种类和建筑高度,比室内环境温度提高3～5 ℃,而提高排风温度,也增加了进排风温差,可以减少系统通风量,达到节能的目的。

(3)排风口位置。智能通风以排热通风为主,排热通风的排风口,一般应布置在房间的上部,接近梁底或板底,也是室内温度最高的区域。

(4)排风口的面积。排风口的面积应满足排风量的要求,但是并不是排风口面积越大越好。排风口应通过设计计算确定,并根据通风设备运行参数进行调节控制。

(5)智能通风设计。设置一台智能通风设备,新风经过滤后送入室内,送风吸收室内电气设备散热量后经高位设置的防雨百叶排出室外(图2)。

图2 智能通风示意图

3 智能通风系统的经济技术指标分析

为有效对比分析,参照《总变配电室土建及安装工程施工组织设计》、《通风与空调技术标准》原则,按照工程总造价、设备运维成本、投资回收周期等指标[5-13],进行经济技术对比分析,主要的指标计算公式如下:

(1)

式中,P为工程总造价,万元;Ai是前期工程费,万元,包括规划设计费、可行性研究费、配套费等;n是前期工程费用的种类个数。Bj是设备总费用,万元,包括风机、排管、导管等;k是设备的种类总数。Cl是工程施工总费用,万元,包括土建、人员、调试等;l是施工费用的种类总数。

R=Q1i+Q2i+Q3i+Q4i.

(2)

式中,R是设备运维总费用,万元。Q1i是第i年设备的折旧费用,万元;Q2i是第i年的运维人员费用,万元;Q3i是第i年的设备维修费用,万元;Q4i是第i年的能源费用,万元。

一般投资回收期可分为静态投资回收期和动态投资回收期,本文选用动态投资回收期。

(3)

式中,P是动态投资回收期,年;Pc是累积净现金流量现值出现正值的年数;Ry是上一年累计净现金流量现值的绝对值;Rn是出现正值年份净现金流量的现值。

为了进行经济技术分析对比的标准统一,设定基本的参数为:(1)年运行小时数:8 000 h，按全年不间断运行考虑;(2)能源费用:设备运行的电价格，0.875元/(kW·h)。机械送风自然排风方案(常规方案)和智能通风方案的经济技术指标对比情况,如表1～3所示。

表1 主要设备投资比较表

表2 两种方案用电负荷统计表

表3 两种方案的经济技术指标

从表1～3可以看出:

(1)在通风设备方面,智能方案的基本投资达到了4万,相对偏高,是常规方案2万的2倍;而智能方案的年用电仅仅2 400 kW·h,常规方案是8 000 kW·h,其实际电费智能方案仅仅不到常规方案的1/3,因此,3年基本可以回收全部超额的投资。

(2)从表3可知,智能方案的投资回收周期为5.2年,常规投资回收周期为14年,智能方案大大缩短投资回收期,且日常运维简单,可实现无人值守,将会大大减少运维人员及其费用开销。

(3)从表2可知,采用智能通风控制系统,与常规的控制方式相比,在实际运行过程中,系统本身的运行能耗将显著下降,大大改善电气设备间运行环境,同时,也在可靠地维持室内的环境温、湿度前提下,可提高现有设备的负载率。

4 结束语

低位送风、高位排风的智能变电站通风系统设计方案,达到了减少工程总投资和运行维护工作量、降低项目总成本的目的,实现了对变电站电气房间布置的优化,可指导实际智能变电站的设备排放原则。

在该方案前提下,可最大限度将变电站中发热量大的设备所在房间布置在夏季主导风向的上风口,利用风压自然通风,而将大部分发热量相对较小的设备露天布置,从而达到节能环保的目标,为后续智能变电站的整体规划建设提供一定的借鉴。

[1] 倪益民,杨宇,樊陈,等.智能变电站二次设备集成方案讨论[J].电力系统自动化,2014,38(3):194-199.

[2] 曹楠,王芝茗,李刚,等.智能变电站二次系统动态重构初探[J].电力系统自动化,2014,38(5):113-121.

[3] 修黎明,高湛军,黄德斌,等.智能变电站二次系统设计方法研究[J].电力系统保护与控制,2012,40(22):124-128.

[4] 王慧,杨秀兰,白小会,等.智能变电站辅助监控系统分布式体系结构研究[J].供用电,2017,34(2):69-75.

[5] 李冬梅,葛磊蛟.客户侧用电安全监测的云计算技术应用[J].中国石油大学胜利学院学报,2015,29(2):28-30.

[6] 黄益庄.智能变电站是变电站综合自动化的发展目标[J].电力系统保护与控制,2013,41(2):45- 48.

[7] 李一宁.主变压器室通风散热系统设计及实现[J].电气技术,2012(4):33-35.

[8] 李孟超,王允平,李献伟,等.智能变电站及技术特点分析[J].电力系统保护与控制,2010,38(18):59- 62,79.

[9] 曹楠,李刚,王冬青.智能变电站关键技术及其构建方式的探讨[J].电力系统保护与控制,2011,39(5):63- 68.

[10] 倪益民,杨松,樊陈,等.智能变电站合并单元智能终端集成技术探讨[J].电力系统自动化,2014,38(12):95-99,130.

[11] 祝恩国,刘宣,葛磊蛟.用电信息采集系统非结构化数据管理设计[J].电力系统及其自动化学报,2016,28(10):123-128.

[12] 葛磊蛟,王守相,张明,等.智能用电条件下用户用能管理与服务平台[J].电力自动化设备,2015,35(3):152-156.

[13] 杨建平,阳靖,罗莎.110kV智能变电站设计与建设实例[J].电力科学与技术学报,2012,27(2):90-96.

TM470

A

1673-5935(2017)03- 0032- 04

[责任编辑]董大伟