SVC用冷却系统能耗测试及节能检测方法研究

SVC用冷却系统能耗测试及节能检测方法研究

曾鸣

广州能源检测研究院广州510000

摘要：大部分具有非线性和冲击性负荷的钢铁厂及其他类型大型工厂的电网需要SVC解决电能质量降低等问题，此类SVC需要节能、可靠的冷却系统辅助运行。通过比对计量测试空调热管和纯水两种冷却系统的能耗，得出纯水冷却系统能耗少更加节能，同时研究出针对此类以晶闸管系列为发热源的同类型电力换流装置用密闭式纯水冷却设备的节能量测试与计算方法。

关键词：SVC；晶闸管；测试；冷却系统；节能

ResearchonenergysavingdetectionmethodofSVCcoolingsysteminsteelcompanies

ZengMing

（1.GUANGZHOUINSTITUTEOFENERGYTESTING,Guangzhou,510000,China）

Abstract:ThepowergridofmoststeelcompaniesandothertypesoflargefactorieswithnonlinearandimpactloadsrequireSVCtosolvetheproblemsofpowerqualitydescend,whichrequireenergy-savingandreliablecoolingsystemauxiliaryoperation.Throughthecontrasttestoftheenergyconsumptionbetweentheheatpipe-air-conditioningcoolingsystemandthepurewatercoolingsystem,theenergyconsumptionofpurewatercoolingsystemislessenergysavingmore,andanenergysavingtestandcalculationmethodofclosedwatercoolingequipmentwhichusingthyristorastheheatsourceofthesametypepowerconverterdevicewasdeveloped.

Keywords:StaticVarCompensator;thyristor;testing;coolingsystem;energysaving.

0引言

长流程钢铁制造企业都有炼钢工艺，使用的设备有电弧炉、轧机、整流器等非线性和冲击性负荷，这些设备使大量的高次谐波电流注入电网，同时其大量的无功需求和负荷的剧烈变化导致电网电压波动和闪变、工作电压质量降低，严重影响钢铁厂的正常生产。静止型动态无功补偿装置即StaticVarCompensator(SVC)是目前国内外解决这一系列问题普遍采用的设备，在工厂电网的无功负荷接入点处接入SVC装置后，无功负荷冲击得到抑制、高次谐波得到滤除、三相电网得到平衡、PCC点电压得到稳定，提高了工厂生产电力系统的稳定性。

安装在某钢铁厂电力系统枢纽变电站的SVC设备具有电压等级高、容量大等特点。SVC装置中的大容量阀组必然带来严重的发热问题，如果阀组中晶闸管元件的散热不良，导致芯片的温度超过运行的最高结温，[1]必然会引起整个阀组的安全问题，甚至损坏晶闸管元件。因此，SVC阀组的散热效果显得尤为重要。目前，国内外大容量电力电子器件常用的冷却方式有风冷式、液体冷却式(包括油冷式和水冷式)等。文中对某钢铁厂两套相同容量（120MVar）、不同冷却方式（热管加空调式即风冷式和纯水冷却式）SVC装置冷却系统的能源消耗进行对比检测，提出计算纯水冷却式冷却系统的节能效果的计算方法，并指出此类以晶闸管系列为发热源的同类型电力换流装置用密闭式纯水冷却设备的节能量测试与计算均可参照该方法。

1SVC工作原理

某钢铁厂所使用SVC为TCR＋FC型，该类SVC一般由TCR、滤波器（FC）及控制系统组成。SVC主要用于补偿用户母线上的无功功率，这是通过连续调节其自身无功功率来实现的。其工作原理为通过控制与电抗器串联的两个反并联晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。该补偿器响应时间快（小于半周波），灵活性大，而且可以连续调节无功输出，缺点是产生谐波，但加上滤波装置则可以克服。

2SVC用冷却设备介绍

文中钢铁厂SVC为变电站SVC工程，工程包含35kVSVC装置2套：其中1套使用纯水冷却方式，另1套使用热管及空调冷却方式，SVC装置设计补偿容量均为120MVar。

2.1SVC用纯水冷却设备

1）工艺原理

SVC用纯水冷却设备采用的是闭式循环水冷系统。其提供恒定压力和流速的冷却水源源不断流经被主冷却器件（晶闸管散热器和均压电阻）带走热量，温升水流经板式换热器与外循环冷却水进行热交换，换热后回至高压循环泵的进口。根据供水温度的变化，水冷控制器(PLC)自动调节外循环冷却水的流量，从而达到系统精确控制温度的要求。

密闭式循环水冷却系统是目前高压大功率电力电子冷却方式中,优势最明显、应用前景最好的一种。[2]

2）主要系统和设备构成

该纯水冷却设备由主循环冷却回路、去离子水处理回路、氮气稳压系统、绝缘输配水管路、外循环水回路构成，主要设备见表2。

除纯水冷却设备外，阀厅内还有2台长期运行的分体热泵型落地式房间空调，参数为：型号KFR-70LW/E，最大输入功率3400（5950）W。

2.2SVC（120MVar）用热管及空调冷却装置

1）工艺原理

该冷却方式是SVC位于密闭的房间内，SVC工作时，把废热散失到房间内，配备4台工业空调对房间内空气及SVC进行降温，带走SVC产生的热量，保证SVC安全、正常运行。

热管冷却系统原理示意图如图3所示。

2）主要系统和设备构成

该冷却方式主要设备为4台工业空调，参数见表3。

3两种冷却系统能耗比对测试

3.1测试参数

对比测试参数包括：

1）SVC晶闸管阀厅温度、相对湿度；

2）SVC冷却系统供电系统电压、电流、有功功率、频率等电参数；

3）纯水冷却系统纯水流量、进出水温度、水压；热管、空调冷却系统送风、回风温度；

4）室外温度、相对湿度、风速；

5）SVC对应输电系统电压、电流等参数。

3.2测试数据和计算分析

3.2.1测试数据

1）户外环境：环境温度15.0℃，相对湿度19%。

2）室内环境：

备注：1、热管空调冷却方式的阀厅和设备间在同一间房间；

2、SVC在正常运行环境条件下运行。

3）测试期间SVC连接点的系统情况：

SVC连接点系统负荷情况负荷用电稳定有间歇式炼钢负荷，电流波动较大

4）SVC晶闸管表面温度：

5）SVC冷却系统运行状况：

SVC冷却系统能耗见表9、10：

备注：1、因分体式空调未能单独计量，故能耗按每台最大功率3400W计算；

2、纯水冷却系统的副冷却水为工厂生产用循环冷却水的一部分。

备注：1#、2#空调根据回风温度自动控制运行状态。

3.2.2计算分析

由测试数据及基础资料可知：

1）两套SVC均为TCR型，最大动态调节容量均可达到120MVar，测试期间均正常运行；

2）两套SVC对应负荷母线电压正、负偏差的绝对值之和未超过标称电压（35kV）的10%；

3）两套SVC对应的冷却系统均在正常工作状态下运行；

4）从对晶闸管表面温度测试结果看，纯水冷却系统的冷却效果比热管空调冷却系统的冷却效果好。

在以上状态下，对两种冷却系统的能耗进行对比，由表8和表9知，纯水冷却系统能耗Pc=15.58kW，热管空调冷却系统能耗Pk=47.9kW，则纯水冷却系统相对热管空调冷却系统节电率为：e=（Pk-Pc）&pide;Pk×100%=67.5%。

5）节能量计算

根据上面4）计算的节能率，当纯水冷却系统耗能为15.58kW，采用热管系统为47.9kW，节能功率为32.32kW，按照全年连续运行8700小时，则年节约电量Q为

Q=32.32kW×8700h=281184kW•h

年节能量E为

E=281184kW•h×312gce/(kW•h)=87.73tce

上式中312gce/(kW•h)为国家能源局发布2016年的6000千瓦及以上电厂供电标准煤耗。

4结束语

钢铁厂用大容量SVC装置需要安全、有效的冷却系统，在保证负荷条件相差不大的SVC系统正常运行的条件下，通过使用比对纯水冷却系统与热管加空调冷却系统的能源消耗，得出纯水冷却系统运行时能源消耗较少，具有较好的节能效果和冷却效果，本次测试的节能率可达60%以上。纯水冷却系统所使用的副冷却水流量只占全厂冷却水流量极少一部分，若实际需要单独增加冷却塔，则需要计算增加冷却塔系统的能耗。本次比对测试的方法和结论可以类比到此种以晶闸管系列为发热源的同类型电力换流装置用密闭式纯水冷却设备的节能量测试与计算。

参考文献：

[1]蓝元良，汤广福，印永华，等.大功率晶闻管热阻抗分析方法的研究[J].中国电机工程学报，2007,27(19):1-6.

[2]卢绍强，王腾，宋战慧.SVC安装地点对次同步振荡抑制效果的影响[J].东北电力技术，2013,34（3）：10-18；

[3]吴远志，夏德明，岳涵.蒙东地区风电场无功补偿设备调查分析[J].东北电力技术，2013,33（2）：43-45

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T28750-2012,节能量测量和验证技术通则[S].北京:中国标准出版社,2013.

[5]中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴2013[M].北京:中国统计出版社,2014.