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相变材料在智能变电站二次设备舱中的应用----大石预制舱




中国电业?技术



2014年第9期



相变材料在智能变电站二次设备舱中的 应用
(1. 国网重庆市电力公司,重庆 400014;2. 许继电气股份有限公司结构分公司,河南 许昌 461000)
摘要: 本文介绍了 220kV 重庆大石新一代智能变电站建设中 , 在二次设备预制舱绿色节能热管理方案中 , 首 次采用了相变材料 。 对材料的制冷 ( 暖 ) 技术原理 、 节能效果进行深入阐述 , 开展了预制舱现场温度实测及 数据分析 , 预制舱投运后使用情况介绍 , 相变材料在预制舱中应用的全寿命投资分析等 。 实践证明重庆大石 变电站预制舱采用相变材料,完全满足设计方案及工程应用要求。 关键词:预制舱;调试;安装;空调;相变材料

黄昊1,严华2,张永峰2

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引言

近年来随着智能变电站建设技术的飞速发 展 , 国家电网公司全面启动新一代智能变电站建 设工作 , 大力推行 “ 标准化设计 、 工厂化加工 、 装配式建设 ”。 新一代智能变电站采用二次设备 预制舱代替传统模式的主控室和二次设备小室 , 是一种新型的电力设备建筑结构载体 , 具有机械 强度高 、 人机操作环境佳 、 安装调试方便灵活等 特点 。 由于预制舱直接在户外运行 , 在太阳直射的 工况下运行温度较高 , 对温度控制技术提出新的 更高的要求 , 采用传统的空调温控方案必然导致 耗电量陡增,在大石站采用的预制舱热管理方 案 , 在国内首次采用了相变材料和工业空调联合 热管控的方案 , 起到了节能环保 , 安全耐用的效 果。

以固-液相变为例,在加热到熔化温度(可 根据需要 , 通过不同配比 , 自行设定 ) 时 , 就会 产生从固态到液态的相变 , 熔化过程中 , 相变材 料吸收并储存大量的潜热 。

图 1 相变材料的原理图 相变材料的原理图 图1

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预制舱内部相变材料介绍

相变材料 (PCM - Phase Change Material) 是 指随温度变化而改变物理性质并能提供潜热的物 质 。 转变物理性质的过程称为相变过程 , 这时相 变材料将吸收或释放大量的潜热 [1] 。

图1表明:相变材料从液体变为固态会释放 大量的热量储存大量的冷量 , 在相变材料由固态 状态变为液体状态时 , 相变材料则向环境释放出 大量的冷量 , 存储大量的热量 , 通过相变材料的 物态变化不断的完成吸热和放热最终起到调节温 度的目的 。

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图 2 相变材料的实物图

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图 1 相变材料的原理图

黄昊等: 相变材料在智能变电站二次设备舱中的应用

相变材料采用 HDPE 材料进行封装 ( 高密度 聚乙烯 , 具有良好的密封性 )。 是一种免维护的 产品。国内生产该类产品的企业有杭州飞捷科 技 、 北京中瑞森等 。

元器件发热 , 在做预制舱结构设计的过程中 , 根 据结构空间以及预制舱的发热特点 , 在机柜之间 安装具有储存冷量和热量的相变材料 , 完成对预 图 2 相变材料的实物图 制舱内部温度的调节 [2,3] 。
表1 预制舱的基本参数及要求
站名 预制舱尺寸 (长X宽X高) 太阳辐射 舱体隔热 预制舱内 要求控制 发热量 9960W 的温度 18-25℃

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重庆大石新一代智能变电站二次 设备预制舱热管理方案

2.1 预制舱热负荷分类、计算及工业空调选型 大石站二次设备预制舱热负荷主要由舱内元 器件发热量 、 外界空气热传导量和太阳辐射热传 导量 3 部分构成 。 第一部分:预制舱内部的元器件总发热量, 约为=2000W(由设备供应商提供数据后汇 总 )。 第二部分:外界空气向舱内进行的热传导 量 , 约为 1932W 。 重庆市 1983 年 ~2013 年的极端最高气象气温 为 40 ℃ , 预制舱由于安装在水泥地上 , 预制舱周 围的气温比气象温度高5℃,计算时按照45℃计 算 。 舱内部温度控制在 25 ℃ , 内外温差为 20 ℃ , 根 据 计 算 墙 体 的 热 阻 在 0 . 8 w / m 2, 考 虑 5 % 的 余 量则为 0.84w/m 2 , 预制舱外表面积为 115m 2 , 因 此该部分热量为 0.84×115×20=1932W 。 第三部分:太阳辐射传导的热量,约为 4368W 。 太阳辐射强度按照国标要求计算取值 为 1 1 2 0 W / m 2, 预 制 舱 外 壳 材 料 吸 收 率 取 0 . 0 6 5 , 照 射 面 积 取 6 0 m 2, 因 此 该 部 分 热 量 为 1120×0.065×60=4368W 。 综上所述,二次设备舱内热负荷约为 2000W+1932W+4368W=8300W 。 按照相关设计 规范 , 选取空调时考虑 20% 的裕度 , 则空调的制 冷量选择为8300×(1+20%)=9960W。重庆地 区年气温相对较高 , 预制舱在重庆运行主要要解 决的问题为散热问题 , 预制舱热管理设计的主要 矛盾为散热问题 , 因此 , 设计时充分利用预制舱 的空间在舱内安装相变材料 。 选用封装好的尺寸 为 400mm×200mm×30mm ( 长 × 宽 × 厚 )。 大石站每个二次设备预制舱选用两个由深圳 英维克科技股份有限公司生产的 5000W 的工业级 空调 。 2.2 预制舱的基本参数和要求 本方案主要为解决重庆大石变电站二次设备 预制舱高温散热问题。预制舱基本参数如表1所 示 , 工业空调安装位置及预制舱内部机柜以及相 变材料排布如图 2 所示 。 预制舱内部的主要发热量均来自机柜内部的

重庆 12000mm×2400mm 大石

50mm 1120W/M2 聚氨酯 ×3200mm 图 3 装好的相变材料

图 4 空调及相变材料的安装图

图2 空调及相变材料的安装图

2.3 预制舱热管理方案设计 技术规范(国网基建部关于印发山西太原 南500kV变电站等试点工程预制舱评审会议 纪要的通知)要求预制舱内部的温度控制在 18 ℃ ~25 ℃ 。 工业空调设置为 : 气温上升到 25 ℃ 时 , 启动制冷 , 气温下降到 20 ℃ 时 , 停止制冷 ; 下降到 12 ℃ 时 , 启动加热 , 气温上升到 17 ℃ 时 , 停止加热 。 为充分利用预制舱空间 , 在机柜与机 柜200mm的间隙(每个舱设计6个位置)中安装相 变材料 。 具体相变过程如下 : 2.3.1 预制舱在散热过程中相变材料的应用 安装相变材料处的温度比预制舱过道的空 气温度高4℃左右。当预制舱过道的气温上升 到21℃时(相变材料安装位置的气温为25℃) 时,相变材料开始吸收热量,减缓气温的上 升,同时相变材料由固态开始向液态变化。如 果外界温度继续上升、太阳辐射继续加强,引 起舱体发热量继续加大,相变材料储存热量变 满,舱内温度上升到25℃时,空调开始启动, 继续对舱体进行降温。如果舱内没有通过空调 和相变材料的对预制舱的散热,舱内部的温度 将达到 65 ℃ 左右 。 如果相变材料在由固态变为液态的过程中能 够将预制舱内的温度控制在 25 ℃ 时 , 空调不需要 启动 , 当预制舱内部气温降低到 21 ℃ ( 相变材料 安装的位置气温 25 ℃ ) 时 , 相变材料由液态变为 固态 , 并释放出热量 , 为下一个由固态变为液态 做准备 。
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2.3.2 相变材料的使用寿命以及储存能量 相变材料的相变次数为 5000 次 , 一年相变的 次数为150次左右,可以使用20-30年。根据预 制舱的间歇空间以及相变材料的密度重庆大石变 电站的预制舱内部大约能安装250KG相变材料 一次相变能吸收6.48×103千焦,相变潜热高达 360KJ/KG , 密度高达 1560kg/L , 热传导系数高 达 0.56(W/m.K), 相当于两台单台制冷量为 5000W 空调连续工作3个小时吸收的热量,起到了减少 空调工作时间 , 延长空调使用寿命 , 减少二氧化 碳排放的作用。按照相变材料储存的冷量相当 于一台空调连续工作6小时,每台空调的额定输 入功率为1500W,每天节省18度电。按照每度 电0.35元计算每天节省6元,按照每年运行时间 250 天计算 , 总运行时间为 20 年 , 总共节省的费 用为3万元。现阶段封装好的相变材料价格为80 元 / 千克 , 预制舱内部的相变材料为 250kg , 一次 性 购 买 费 用 为 2 万 元 , 因 此一 个 预 制 舱 内 部 安 装 250kg相变材料,在20年的时间内大约节省1万 元成本 。 2.3.3 预制舱热管理方案的实验验证 5月22日,户外气温32℃,空调处于启动状 态 , 相变材料处于运行状态 , 在预制舱的内部分 别安装温度传感器 , 对预制舱内部的温度进行监 测,传感器的安装高度位置为距离预制舱地板 800mm 处 , 俯视图如图 3 所示 , 预制舱现场温度 实验数据如表 2 所示 。
表2 预制舱内部实测数据
测试点 时间 10:30 11:30 13:10 13:50 14:20 15:20 16:30 A 20.5℃ 20.6℃ 21.5℃ 22.4℃ 22.3℃ 22.3℃ 21.4℃ B 21.5℃ 21.7℃ 21.9℃ 22.6℃ 22.8℃ 22.7℃ 22.5℃ C 22.2℃ 22.5℃ 22.9℃ 22.9℃ 23.5℃ 23.4℃ 23.2℃ D 21.3℃ 21.5℃ 21.9℃ 22.2℃ 22.8℃ 22.5℃ 22.1℃ E 21.1℃ 21.2℃ 21.8℃ 21.9℃ 22.3℃ 22.3℃ 22.1℃

图 图3 5 传感器安装位置 传感器安装位置

表2表明:预制舱通过相变材料和工业空调 的控制 , 舱内的温度场分布比较均匀 , 符合设计 要求 。 预制舱在运行过程中 , 温湿度控制在合理 的范围之内 [4] 。

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结论

新一代智能变站大力推行标准化设计 、 工厂化 加工 、 装配式建设 , 并秉承着绿色环保的理念 。 此 次 , 重庆大石 220kV 智能变电站预制舱不仅节省占 地 , 节约投资 , 提高建设效率 , 而且引进了新的 热管理技术 , 对控制预制舱温度进行了有效探索 , 为预制舱在今后的新一代智能站推广应用奠定了基 础 , 在空间允许的前提下 , 在预制舱内部安装相变 材料提高预制舱的散热能力是非常有意义的。

参考文献:
[ 1 ] 陈炳生.电子设备可靠性技术[M].北京科技出版社.1983 [2] 余建组等.电子设备热设计及分析技术.北京航空航天大

学出版社.2008.
[ [ ] 张仁元.相变材料与相变储能技术.科学出版社.2009. [4] 杨 世 铭 , 陶 文 铨 . 传 热 学 ( 第 三 版 ) [ M ] . 北 京 : 高 等 教

育出版社,1998.

作者简介:
黄昊(1976),男,高级工程师,长期从事电力系统基 建工程技术管理工作,cqdlhh@163.com; 严华(1984),男,硕士研究生,从事结构热管理工作。

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