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国家电力温控热管理与温度传感器

特普生科技 特普生科技 2022-11-26 14 434

一、电力产业链温控

电力温控设备,是电力系统稳定运行的重要保障设施,属于专用性空调的重要应用领域。

专用性空调是为满足某些工业工艺和特殊环境的需求,将被控环境的物理参数(如湿度、温度、风速 、风压)、生物参数(如空气 含尘量、微生物量) 、化学参数(如腐蚀性气体的浓度)等严格控制在特定范围内而设计制造的设备,或者为使用场景的特殊要求(如抗冲击、防震、防爆) 专门设计制造的设备。

环境温控设备,是保障电力设备安全运行和使用寿命提高的重要设施。由于电流热效应存在,电流通过导体时电阻会消耗部分电能,而这部分电能会转化为热能,从而使得发电和送电设备产生发问题, 影响电力设备的运行安全和使用寿命。同时,电力设备运行过程中,内部温度环境过高或过低均不利于电力设备的稳定可靠运行。因而,为保障电力设备安全、稳定的运行,在电力系统中会配置相应的环境温控设备,保障电力设备运行在恒温恒湿的环境下,降低电力设备出现事故的概率。此外,部分温控设备由于节能降耗设计,运行能耗低,有助于推进电力系统降低能耗。

温控设备广泛应用于发电、输电和配电等电力产业链主要环节。

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(电力主要产业链环节的代表性温控设备)

发电环节,采用组合式空调机组、满液式冷水机组、蒸发冷却式冷水机组等温控设备系统实现发电机组冷却,保障发电机组设备安全稳定运行。

输电环节,输电设备多采用封闭式结构,散热性差, 可采用组合式空气处理机等温控系统设备为输电设备提供恒温恒湿的环境。

配电环节,温控设备系统保障变压器、高压电器等配电设备运行稳定,降低设备发生故障的概率。


1、发电端:

汽力发电机组蒸汽乏汽以及辅助设备的冷却。经过超高压机组 多次循环后的蒸汽乏汽依然具有较高温度,需要通过凝汽器并用冷却水冷却凝结成水,以便于进行水质处理后再度引入锅炉。用于火力发电厂的冷却技术大体分为:蒸发冷却技术、直接空冷技术、间接空冷技术。目前国内火力发电厂大都采用直接空冷系统冷却汽机乏汽, 而辅助设备的冷却往往采用机械通风冷却塔开式循环系统。

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(火力发电厂温控保护系统)

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(典型火力发电厂直接空冷系统主要构成)

2、输电端:

换流站晶闸管换流阀的冷却。换流阀冷却系统主要由两个循环系统组成,即阀内冷却系统和外冷却系统。晶闸管换流阀是换流站的核心设备之一,系统运行过程中会产生大量的热,因此通过采用合适的冷却方式提供晶闸管正常的工作环境,也提高系统的稳定运行能力。外冷却系统的特点是非封闭的循环系统,其散热方式是把换流阀里冷却水中的热量通过外部的换热设备散到设备外。根据介质的不同,外冷系统的方式主要有空气冷却方式、空气冷却串联辅助水冷却方式以及水冷方式。

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(运行中的±800kV/5000A特高压换流阀)

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(阀冷却系统结构示意图)

3、配电端:

变压器及室外控制柜的冷却。变压器在工作过程中会产生大量的热,因此需要对温度进行控制。电力变压器的冷却系统包括两部分:外部冷却系统,保证介质中的热散到变压器外;内部冷却系统,它保证绕组、铁芯的热量散入到周围的介质中。

根据变压器容量的大小,介质和循环种类的不同,变压器采用不同的冷却方式。常见的冷却方式包括油浸风冷式、油浸自冷式、强迫循环液冷式和强迫循环风冷式。在夏季连续高温天气,户外柜出现柜内温度过高、系统误 告警、未工作于正常工作模式、显示屏花屏或风机停转等现象。电力系统二次设备的核心装置由大量电子器件组成,户外柜就地保护的装置长时间工作在高温下,会引起元器件性能降低,对电网系统的稳定性造成重大影响。户外控制柜的此类故障增加了人员运维检修的工作量,易造成较大经济损失及电网安全事故。        

目前,国内已建设投运的智能变电站户外柜,在温度控制方面,主要采用 风机、热交换器或空调器散热方式,其中风机属于直接风冷而热交换器和空调器则属于间接风冷。2018年发布的《DL/T 1881-2018 智能变电站智能控制柜技术规范》明确对控制柜温度调节性能有要求,柜内可采用空调设备、风扇、热交换器、加热器等温度控制措施,并应采用易维护的设计。

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(采用强制循环风冷的某发电厂的主变压器)

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(山东临沂变电站控制柜冷却)


二、智能电网,温控设备新需求

1、国家电网推进泛在电力物联网建设,预计2024 年建成,智能电网建设步入新阶段。2019 年,国家电网公司提出“三型两网”发展战略,即打造“枢纽型,平台型,共享型”企业和建设运营好“坚强智能电网,泛在电力物联网”,意在通过建设运营好“两网”实现向“三型”企业转型。

2、受益智能电网建设推进,电力温控设备需求持续增长。智能电网中发电、输电设备以及电网设备的性能密度和功率密度不断提升,设备发热量和发热密度也随之提高,对设备散热要求提高成为普遍趋势, 亦驱动电力设备需求增长。近年来,随着智能电网建设推进, 智能变电站、智能控制柜等设备装配率上升,电力系统中控制器、传感器等电子器件用量显著增加,对电力设备运行环境的物理参数控制要求进一步提升,为温控设备带来新需求。 

3、“双碳”目标推进,电力结构低碳化转型发展。

4、国内风光资源分布不均, 电力区域间输送带动升压站建设增加,驱动电力温控设备市场规模增长。

5、新能源电力发展背景下储能规模增长,热管理市场需求逐步释放。热管理系统作为储能系统的重要组成部分,未来有望受益于储能装机容量增长的过程。据 IHS 预测,到2025 年,全球电池储能系统累计装机量有望达到 64.3-179GWh;同时,伍德麦肯兹预 测到 2030 年,全球储能装机容量将达到 741GWh,中国市场储能部 署容量将达到 153GWh。

6、风光装机规模持续扩张,有望驱动电力温控设备需求不断增长。根据国家领导在气候雄心峰会提出2030 年国家自主贡献目标,预测到 2030 年,国内风电、太阳能发电总装机容量将达到 12 亿千瓦以 上,对于当前装机规模,未来仍有较大提升空间,随着未来风光新能源装机规模持续扩张,将为电力温控设备带来增量市场需求,驱动电力温控设备市场规模增长。

7、海上风电为风电重点发展方向,未来装机规模持续上升驱动专用性空调 需求增长。到 2030 年,全球海上风电装机容量将从 2019 年29.1GW 增至 234GW 以上,随着海上风电装机规模增加,海上风电升压站建设数量亦将有所增长。由于海上风电升压站对防腐性能要求较高,这将驱动特种空调设备市场需求增长,利好专用性空调厂商。


三、储能热管理加快,电力温控设备新机遇

1、政策支持储能发展,产业有望加快发展。

储能为电力供需的全部环节提供“再分配”,“双碳”目标下不可或缺。

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(常见的储能技术)

抽水蓄能发展最为成熟,电化学储能为未来发展方向。政策密集出台,政策支持有望驱动产业加快发展。 

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(国内储能行业主要政策)

2、热管理是储能系统安全运行保障,市场关注度提升。储能电站事故频发,热管理逐渐被重视。

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(储能电站起火爆炸事故统计)


四、多技术适用热管理多场景:蒸发冷却

蒸发冷却,是一种具有优异冷却效果且能随负荷变化自平衡的冷却方式。蒸发冷却分为直接蒸发冷却( Direct Evaporative Cooling,DEC)和间接蒸发冷却( Indirect Evaporative Cooling,IEC)。 

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(直接蒸发冷却介质流动形式)

1、直接蒸发:

冷却是将水直接喷淋于未饱和湿空气中,使空气等含增湿、降温,由于空气与水直接接触,使其含湿量增加,因此存在一定的应用限制。间接蒸发冷是工作介质先经直接蒸发冷却设备处理,流经换热器通道一侧,形成湿通道,产出介质流过干侧通道,湿侧介质吸收干燥介质的热量,借助于湿表面蒸发,从而冷却产出介质。由于工作介质不与水直接接触,其含湿量不变,实现空气的等湿降温。常见的间接蒸发冷却的冷却介质为冷媒水。

2、间接蒸发:

间接蒸发冷却系统高效节能兼具。间接蒸发节能技术具有三种工作模式:当室外温度升高时开启间接蒸发模式当室外温度较高时,启动机械制冷模式;室外温度较低时,直接换热器换热模式。间接蒸发冷却技可从自然环境中获取冷量,与一般常规机械制冷相比,具备较为显著的节能效应。

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(间接蒸发冷却介质流动形式)

间接蒸发冷却系统技术发展完善,应用场景广泛。按照冷却器结构可以为管式间接蒸发冷却和器板式间接蒸发冷却器两种形式。

管式间接蒸发冷却器优点是布水均匀,容易形成稳定水膜,有利于蒸发冷却的进行,空气流道较宽,不会产生堵塞,因而流动阻力小,且二次空气流道和风机便于布置。存在的主要问题是占地空间较大。目前间接蒸发冷却系统已大量应用于数据中心、 发电端、化工、冶金、轨道、机场、医药和市政商用领域。根据不同的使用场景,可分为分体式、嵌装式和顶置式。

板式间接蒸 冷却器优点是换热效率高、制造工艺比较成熟,应用较多。存在的主要问题是流道窄小,容易堵塞,随着运行时间增加,换热效率急剧降低, 流动阻力大,布水不均匀、浸润能力较差,同时由于使用的金属材料易被腐蚀,造成结垢、维护困难等。

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(用于数据中心的分体式间接蒸发冷却系统示意图)

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(用于电化学储能系统的顶置式间接蒸发冷却系统示意图)

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(用于多场景的间接蒸发冷却机组)

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(用于发电厂的间接蒸发冷却系统)

3、不同应用场景下, 间接蒸发冷却系统与传统制冷方案及其他自然冷却方法相比优势明显:

对于发电-电动机等应用领域而言:

1 ) 蒸发冷却系统维护方便,运行、维护成本低。

2 ) 蒸发冷却系统可实现无泵自循环,运行时系统内部压力低,发生工质泄漏的可能性小。 

3 )蒸发冷却介质绝缘具有高绝缘性与不燃性,即使发生介质泄漏问题,也不会造成短路等重大事故,因此具有较好的安全性。

4 )蒸发冷却系统可自动根据热负荷调整运行状态,无需外加调节控制装置。

5 )蒸发冷却系统散热能力强,采用管道内冷的形式应用于发电-电动机定子线棒冷却上,可有效降低铜导杆与主绝缘间温差,使线棒在轴向和周向上温度分布更均匀,从而降低热应力、提高主绝缘寿命。

对于数据中心等应用领域而言:

1 ) 自然冷源利用效率高。

2) 换热链路短,高效换热。

3) 集成度高,环境要求简单。

4) 与传统机械制冷方法相比,可实现有效节能。

5) 户外安装的制冷设备使得空气处理机组的维护更方便。


五、多技术适用热管理多场景:空冷/液冷散热

空冷/液冷通过空气/液体流经发热部件,通过接触换热的方式进行降温。空冷结构简单、成本低、易维护,相较于液冷和相变材料冷却,空冷的稳定性好。虽然强制风冷可加强气流运动,提高散热效率,但使用风扇或气泵强制对流将造成系统能量损失。空气的低热导率限制了空冷系统的冷却性能,所以空冷系统冷却速度较慢,散热效果不佳。

液冷技术可以分为间接、直接制冷两种方式。对电力设备,考虑到安全问题,一般以间为主。它的冷却剂为液体,相对空气来说,液体具有更大的比热容、温度传递快、吸收热量大等优点。同体积液体带走的热量显著大于风冷,热传导的效率亦显著高于空冷,液冷冷却技术优势明显。

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(常见电池空冷/液冷结构示意图)

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(自然冷却与空/液冷特性对比)

液冷冷却目前已大规模应用在数据中心等场合。液冷技术中,间接制冷或者冷板式比较简单,主要通过冷板与 ICT 设备进行热交换,冷板设计可给数据中心机架安装液冷门, 也可深入到 ICT设备中,与 CPU 等发热器件贴合带走热量,可有效降低数据中心能耗和能源使用效率。

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(华为TaiShanX6000  全液冷系统)

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(曙光冷板式液冷系统示意图)


六、多技术适用热管理多场景:变相材料冷却

相变材料是一类温度变化时发生相变的材料,一 般利用相变过程吸收或释放大量潜热,以达到热管理的目的。常见相变 材料按物理状态可分为气固相变、固液相变、固固相变和气液相变四类,气固和气液相变材料虽然储能密度大,但是发生相变过程时体积变化较 大,不利于实际应用;固固相变材料在相变过程中体积变化小,无气、 液泄漏风险,但是材料难以获取, 且相变温度较高;相比之下,固液相 变材料在熔化或凝固过程中体积变化小,熔点低, 相变潜热大,因此受到广泛应用。

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(固液相变原理示意图)

相变材料散热应用前景较为广阔。相变材料散热系统的优点是散热效果 好,无需消耗电池额外能量,同时可用于散热和加热使用;缺点是相变 前的低热导率和相变传热的迟缓性会限制其在极端服役工况下的应用。相变材料散热方法已有较多研究, 其适用范围广, 但当电池发热量小, 未达到相变材料熔点时, 相变材料无法通过相变过程潜热, 即相变冷却 失效,所以相变材料冷却适用于发热量较大的电池包。考虑到在大倍率 放电过程中电池发热量的不一致性,因此, 在发热量较大部位的相变材 料中插入质量轻的铝热管可以辅助散热,提高电池均温性。目前相变材 料冷却多用于电子设备散热。相变材料作为一种被动换能材料具有节能、 环保等优势,目前产业处于起步阶段,未来技术突破将驱动产业加快发 展,未来市场前景广阔。

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(各类相变材料的特征区别)


七、与温度传感器


1、温度传感器在国家电力/智能电网的应用
“无论主流的国家电网、还是正在发展到智能电网,热管理贯穿圈电力全产业链。也就是说,国家电力用温度传感器/智能电网用温度传感器,具体用在且不止用在发电环节配置的组合式空调机组、满液式冷水机组、蒸发冷却式冷水机组,还有输电环节配置的组合式空气处理机、组合式空调,还有配电环节配置的温控系统产品、变电站控制柜、变压器、高压电器与冷却设备,还贯穿发电、输电与配电等电力储能设备等等等等”。石冢、芝浦、大泉、华工高理与特普生等温度传感器领域的专家告诉温度传感器研究院的研究员,“智能电网,更基于物联网、云计算,更大量采用了各类传感器。”

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(电力主要产业链环节的代表性温控设备)
“传感器的种类有很多,其中温度传感器使用较为频繁,在电力方面能够直接固定安装在不易监测温度发热点等的位置,因为直接测量接触面的温度所以监测出的数据也最为准确。其传感器本身在工作时不需要额外电源介入,非常适合在普通温度测量方法无法测量的电力系统高压设备连接点、裸露高压或密闭空间处,进行在线温度监测。”

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(更加智能的电力系统)
2、温度传感器在国家电力/智能电网销售渠道上的应用
温度传感器公司的销售团队,要判断自己的产品优势,符不符合国家电力、智能电网客户,也要判断有没有团队深耕细作于国家电力、智能电网产业,如果有,那就搭建“国家电力/智能电网行业温度传感器销售小组”,拓展涉足发电端、输电端、配电端的产品厂家,很多产品用得上温度传感器。也要深耕国家电力、智能电网行业。

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(完全优化的电力系统推广所有技术领域)
最后,需要特别提醒的是,为国家电力/智能电网提供温控设备与方案的公司,也是温度传感器的客户!

特普生主营温度传感器NTC热敏电阻传感器模块及一体化解决方案,特普生拥有发明专利5项,实用新型27项,保留不公开技术2项,是国内唯一拥有全尺寸全自动单端玻封机、单端热敏电阻测试机的具有芯片设计能力的源头实业,特普生温度传感器,特别好的温度传感器。

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