淺談高壓變頻器冷卻方式改造設(shè)計(jì)應(yīng)用

針對泉州閩光動(dòng)力廠 30MW 、 38MW 余能發(fā)電高壓變頻器冷卻方式進(jìn)行改造，采用循環(huán)水作為冷卻水在空水冷系統(tǒng)，設(shè)計(jì)具有特色，安全性能高，運(yùn)行方式靈活，環(huán)保節(jié)能。

前言

目前，作為節(jié)能降耗主要產(chǎn)品的高壓變頻設(shè)備已經(jīng)在發(fā)電、化工、冶金、礦山等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮著越來越重要的作用。高壓變頻器的效率一般可達(dá) 95%~97% ，其余以熱量的形式耗散掉。這些熱量直接影響著電子元器件的壽命及設(shè)備運(yùn)行的可靠性。目前廣泛使用的變頻器室冷卻方式主要是風(fēng)道開放式冷卻和空調(diào)密閉冷卻方式，兩者在實(shí)際應(yīng)用中都存在一定的弊端，前者積灰嚴(yán)重，變頻器故障率高；后者耗電量大，后期維護(hù)成本高。利用風(fēng)道將設(shè)備散出的熱風(fēng)通過水冷換熱器濾熱冷卻后再進(jìn)入室內(nèi)冷卻器件，這種循環(huán)用風(fēng)的冷卻方法叫做空水冷。

泉州閩光動(dòng)力廠 30MW、38MW 余能發(fā)電系統(tǒng)變頻器安裝時(shí)，采用空調(diào)密閉冷卻方式。日常運(yùn)行時(shí)，變頻器小室內(nèi)被抽成負(fù)壓狀態(tài)。雖然變頻器室出風(fēng)口加裝了濾網(wǎng)，但外界灰塵仍大量進(jìn)入變頻器室，日常人工維護(hù)量大，設(shè)備運(yùn)行溫度較高。因此為改善變頻器運(yùn)行環(huán)境，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，對高壓變頻器的冷卻方式進(jìn)行了改造，利用循環(huán)水作為水源，采用空水冷換熱器，不用另外設(shè)計(jì)水塔，真正做到了環(huán)保、節(jié)能、高效。本次改造由三鋼勞服設(shè)計(jì)安裝，動(dòng)力廠和勞服公司聯(lián)合調(diào)試。

1 改造方案

1.1 空水冷系統(tǒng)工作原理

空水冷系統(tǒng)主要是由變頻器室內(nèi)冷熱分區(qū)、軸流風(fēng)機(jī)、換熱器三部分組成。變頻室內(nèi)冷空氣在變頻器柜頂風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入變頻器內(nèi)，冷卻電氣各元件，由柜頂風(fēng)機(jī)排出至熱風(fēng)區(qū)，熱風(fēng)在柜頂風(fēng)機(jī)和空水冷裝置內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)的作用下，經(jīng)過空水冷換熱器，換熱器的水管中流入溫度低于30℃冷卻水，熱風(fēng)經(jīng)過換熱后，將熱量傳遞給冷水，其熱量被循環(huán)冷卻水帶走。熱風(fēng)變成冷風(fēng)從由柜內(nèi)風(fēng)機(jī)吹出，送到安裝變頻器的封閉室內(nèi)，循環(huán)往復(fù)。

由于高壓變頻器滿載運(yùn)行效率為 96%-98%，一般情況下可按其所帶負(fù)荷額定容量的4%進(jìn)行估算，并預(yù)留 20%余量，900kW 變頻器的發(fā)熱量為：900×4%×1.2=43.2kW；500kW 變頻器的發(fā)熱量為：500×4%×1.2=24kW；450kW 變頻器的發(fā)熱量為：450×4%×1.2=21.6kW；所以選擇空水冷設(shè)備的冷量為：900kVA 變頻器配置 1 臺空水冷設(shè)備，每臺空水冷冷量為 40kW；500kVA 變頻器配置 1 臺空水冷設(shè)備，每臺空水冷冷量為 30kW；450kVA變頻器配置 1 臺空水冷設(shè)備，每臺空水冷冷量為30kW。

（2）冷卻風(fēng)量的選擇

其中：L 為總送風(fēng)量，單位 L/s；Qs 為制冷量，單位 W；T 1 -T 2 為溫差，單位℃；1.23 為系數(shù)，等于 1.2（1.0006+1.84W）由于高壓變頻器自帶排風(fēng)機(jī)，風(fēng)量已由變頻器廠家制定，依據(jù)變頻器廠家提供數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場情況，留出適當(dāng)余量來配備冷卻設(shè)備的風(fēng)量，單臺 900kVA、500kVA、450kVA 變頻器風(fēng)量約為：10000m 3 /h；所以選擇空水冷設(shè)備的風(fēng)量為：單臺 900kVA、500kVA、450kVA 變頻器配置1 臺空水冷設(shè)備，每臺空水冷風(fēng)量為 10000m 3 /h；

（3）冷卻水量的選擇

（4）空水冷設(shè)備參數(shù)及配置。

空水冷設(shè)備參數(shù)及配置見表 2。

（5）冷卻水管道的設(shè)計(jì)與安裝如圖 2 所示，冷卻水來取自廠內(nèi)循環(huán)水管道中，水溫非常高 33℃，可供抽取的非常大水量為 340t/h，水壓 0.1MPa。循環(huán)水引到一用一備的冷卻水泵中，經(jīng)加壓后進(jìn)入冷卻母管分配到各冷卻器，由冷卻器出來的熱水回到冷卻塔。冷卻水進(jìn)水母管管道采用無縫鋼管，架空布置；回水母管用螺旋焊管，地下埋設(shè)引至循環(huán)水冷卻塔。

2 生產(chǎn)中應(yīng)用總結(jié)

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行方式靈活，可靠性高

（1） 增壓水泵采用經(jīng)濟(jì)的變頻方式運(yùn)行，根據(jù)不同季節(jié)的水溫，調(diào)整頻率運(yùn)行，冬季時(shí)甚至可以停泵，節(jié)能效果顯著。備用泵處于備用時(shí)，頻率自動(dòng)跟蹤運(yùn)行泵頻率，當(dāng)運(yùn)行泵跳閘，備用泵聯(lián)鎖啟動(dòng)，頻率自動(dòng)加至運(yùn)行泵跳閘時(shí)頻率，安全可靠性高。

（2）每組冷卻器可實(shí)現(xiàn)好立控制啟停，多臺冷卻器的設(shè)計(jì)在提高了運(yùn)行可靠性的情況下，同時(shí)可根據(jù)季節(jié)特點(diǎn)、變頻器負(fù)荷高低，靈活選擇冷卻器運(yùn)行臺數(shù)，在保證變頻器運(yùn)行環(huán)境溫度的情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

（3）當(dāng)冷卻器換熱器故障或冷卻水系統(tǒng)故障無法運(yùn)行時(shí)，可以將換熱器上部人孔打開，在換熱鋼管上部用蓋板封堵，然后把換熱器下部冷風(fēng)區(qū)各人孔門打開，這樣熱風(fēng)排出裝置，大氣溫度的自然風(fēng)經(jīng)風(fēng)機(jī)鼓入變頻器室內(nèi)，使原來的閉式循環(huán)變?yōu)殚_式自然風(fēng)循環(huán)。此方法在運(yùn)行中已經(jīng)得到實(shí)踐，在正常運(yùn)行工況下完全滿足變頻器的冷卻要求。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行安全、環(huán)保

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行既不會受到其主要運(yùn)用場合環(huán)境的影響，也不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生新的污染。冷卻風(fēng)在裝置構(gòu)成的密封空間中循環(huán)流動(dòng)，進(jìn)行熱交換的空氣能夠保持其潔凈度、不受外界環(huán)境污染。冷卻水采用廠內(nèi)循環(huán)水，吸收熱量后排入廠內(nèi)已有的冷卻塔，重復(fù)使用。冷卻系統(tǒng)換熱裝置設(shè)置在變頻器室外，而不是高壓室內(nèi)，可以避免因水管破裂漏水從而危及高壓設(shè)備運(yùn)行安全的事故發(fā)生，安全可靠。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行高效、節(jié)能

換熱器采用高質(zhì)量紫銅管，能克服普通銅管易被循環(huán)水腐蝕的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)換熱面積大，換熱效果好，室內(nèi)溫度也完全符合變頻器運(yùn)行要求。換熱裝置設(shè)計(jì)有鋼管泄漏檢測報(bào)警及泄漏水自動(dòng)排出功能，運(yùn)行高效、可靠。裝置結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用，安裝、使用和維護(hù)方便，無須對現(xiàn)有的高壓變頻設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模的技術(shù)改造。

3 改造效果分析

3.1 空水冷密閉冷卻與傳統(tǒng)柜機(jī)空調(diào)節(jié)能對比

進(jìn)行空水冷改造后，按每個(gè)變頻器室配備兩組冷卻器，共 6 組冷卻器。每組冷卻器的額定制冷量為 60kW，6 組冷卻器總制冷量為 360kW，按照夏季非常極端的氣溫條件考慮，空冷器全部冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行，增壓泵額定出力工作，則每小時(shí)耗電量為 58kW，能效比為 6.2。如果使用傳統(tǒng)的柜機(jī)空調(diào)進(jìn)行冷卻，達(dá)到同樣 360kW 的制冷量，則需要 10P 的空調(diào) 15 臺，小時(shí)耗電量 110.25kW，能效比為 3.3。按照工業(yè)用電價(jià)格 0.9 元/度，則空調(diào)冷卻方式運(yùn)行成本為 4763 元/天，空水冷冷卻方式運(yùn)行成本為 2526 元/天，是空調(diào)冷卻成本的53%。

實(shí)踐證明，系統(tǒng)增壓泵只需要在 7、8、9 月份的高溫天氣使用，其他月份均可以降低頻率，甚至停用，在不使用增壓泵的情況下，成本可降低到空調(diào)冷卻成本的 33%；

綜合各個(gè)季節(jié)特點(diǎn)的不同運(yùn)行方式，與采用空調(diào)冷卻方式相比較，每年可節(jié)約成本 60 萬以上。從長周期應(yīng)用比較，通?？账湎到y(tǒng)的使用壽命是空調(diào)設(shè)備的 5～8 倍，且空調(diào)后期的維護(hù)費(fèi)用較大，因此單維護(hù)費(fèi)用一項(xiàng)節(jié)約的費(fèi)用也非?？捎^。

3.2 改善運(yùn)行環(huán)境，提高了變頻器工作可靠性

采用開放自然風(fēng)循環(huán)冷卻方式日常運(yùn)行時(shí)，雖然變頻器小室及柜體進(jìn)風(fēng)口加裝了濾網(wǎng)，但細(xì)灰仍大量進(jìn)入變頻器內(nèi)，功率單元內(nèi)積灰嚴(yán)重，變頻故障率高，非常高時(shí)達(dá) 12 起/年；改造后，變頻器工作環(huán)境與外界隔離，積灰非常少，只需停運(yùn)檢修時(shí)進(jìn)行集中清理。

3.3 冷卻效果理想，變頻器發(fā)熱得到控制

由于采用了密閉循環(huán)方式，環(huán)境干凈，取消了柜體濾網(wǎng)，變頻器元件表積灰少，熱量被迅速帶走，變頻器能夠始終在低于環(huán)境溫度的條件下工作，實(shí)測變頻器變壓器及功率單元柜體溫度下降 5℃，冷卻效果良好。

4 結(jié)束語

實(shí)踐證明，在進(jìn)行空水冷密閉冷卻改造后，

論是從應(yīng)用性能，還是從經(jīng)濟(jì)性考慮，都取得了顯著效果。系統(tǒng)具有簡單經(jīng)濟(jì)、高效節(jié)能、安全環(huán)保的特點(diǎn)；變頻器工作溫度降低，工作環(huán)境極大改善，大大降低了故障率，延長了使用壽命，避免因故障造成的損失，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有非常大的推廣意義。