高壓變頻的兩種冷卻方式比較

一、問題的提出

      隨著高壓大功率變頻器在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，關(guān)于高壓變頻器在應(yīng)用中帶來的系統(tǒng)安全、設(shè)備穩(wěn)定性等應(yīng)用問題也越來越多的倍受關(guān)注。眾多的設(shè)備提供商和行業(yè)客戶充分的意識到，只有解決好高壓變頻器應(yīng)用中的系統(tǒng)控制、工藝優(yōu)化、環(huán)境控制、安全防護(hù)等問題，才能切實保障系統(tǒng)安全、提高設(shè)備穩(wěn)定性。而解決好高壓大功率變頻器的運行環(huán)境控制則是保障設(shè)備穩(wěn)定和安全運行的重要環(huán)節(jié)之一。

二、兩種冷卻方式的比較

     為了提高高壓大功率變頻器的應(yīng)用穩(wěn)定性，解決好變頻器環(huán)境散熱問題。目前常用的辦法是：密閉式空調(diào)冷卻。該方法主要是為變頻器提供一個固定的具有隔熱保溫效果的房間，根據(jù)變頻器的發(fā)熱量和房間面積大小計算出空調(diào)的制冷量，從而配備一定數(shù)量的空調(diào)。同時，考慮以下幾方面的因素：

①空調(diào)制冷總量需要有一定的設(shè)計裕度，保證最惡劣工況下的冷卻能力;

②盡量平均分配制冷量選擇同等規(guī)格的空調(diào)，便于維護(hù)、維修;

③選用品質(zhì)好、服務(wù)及時的工業(yè)級產(chǎn)品。

以一臺1000kW的凝結(jié)泵高壓變頻器為例，該設(shè)備需要安裝于環(huán)境溫度在10～43℃的汽機房內(nèi)，海拔小于1000m。為了能夠保證設(shè)備良好的運行環(huán)境，需要提供一間7600×3500×3200(長×寬×高)的房間，便于維修運行。

      從上述的數(shù)據(jù)可以看出：采用空調(diào)冷卻時，房間的建筑面積過大會增加空調(diào)冷卻負(fù)荷。同時，由于變頻器排出的熱風(fēng)不能被空調(diào)全部吸入冷卻，因此，造成系統(tǒng)運行效率低，造成節(jié)約能源的二次浪費。

       變頻器室內(nèi)的冷熱風(fēng)循環(huán)情況如下圖所示。變頻器從柜體的正面吸入空氣，經(jīng)柜頂風(fēng)機將變頻器內(nèi)部的熱量帶走排到室內(nèi)。從而在變頻器室上部形成一個溫度偏高、壓力偏高的氣旋渦流區(qū)，在變頻器的正面部分形成一個偏負(fù)壓區(qū)。在運行中，變頻器功率柜正面上部區(qū)域?qū)嶋H上是吸入剛排出的熱風(fēng)進(jìn)行冷卻，形成氣流短路風(fēng)不能達(dá)到有效的冷卻效果?？照{(diào)通常采用下進(jìn)上出風(fēng)結(jié)構(gòu)，從而與變頻器在一定程度上形成了“搶風(fēng)”現(xiàn)象，這就是“混合循環(huán)區(qū)”。在這個區(qū)域變頻器吸入的空氣不完全是空調(diào)降溫后的冷空氣，空調(diào)的降溫處理也沒有把變頻器排出的熱空氣全部降溫，從而導(dǎo)致了整個冷卻系統(tǒng)的運行效率低下。這是造成冷卻系統(tǒng)效率低，能耗水平高的根本原因。

       變頻器自身是節(jié)能節(jié)電設(shè)備，而通常采用的空調(diào)式冷卻則造成能源的二次浪費。這種情況在大功率、超大功率的變頻應(yīng)用系統(tǒng)中更加明顯。而且，當(dāng)變頻器功率達(dá)到2500kW以上時，采用空調(diào)冷卻的系統(tǒng)投資和運營費用將非常昂貴，空調(diào)的設(shè)備可靠性和運行安全系數(shù)也上升為能否保證變頻器安全和穩(wěn)定運行的高度，對冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求。

     眾所周知：目前8000kW以下的產(chǎn)品均采用強迫式空-空冷卻方式，變頻器對運行環(huán)境溫度通常要求在0～40℃，環(huán)境粉塵含量低于950ppm。過高的溫度會造成變頻器溫度過熱保護(hù)而跳閘，粉塵含量過高導(dǎo)致變頻器通風(fēng)濾網(wǎng)更換清洗維護(hù)量過高，增加維護(hù)費用。因此，采用何種冷卻方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

    為了解決高壓變頻器的運行環(huán)境冷卻和控制問題，根據(jù)客戶提出的思路，借鑒了大功率高壓電動機的空-水冷卻熱交換裝置的方式進(jìn)行設(shè)備冷卻，實現(xiàn)高壓大功率變頻器設(shè)備的運行環(huán)境溫度控制。從而，提高系統(tǒng)安全可靠性、降低運營成本。鑒于，高壓大功率電機冷卻均采用背負(fù)式或側(cè)裝式密封連接結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電動機熱量的散失和降溫控制，該系統(tǒng)采用了側(cè)裝結(jié)構(gòu)通過風(fēng)道與設(shè)備本體熱風(fēng)出口連接。具體的連接原理如下圖所示。

      該系統(tǒng)采用工業(yè)冷卻水為熱量交換介質(zhì)對高壓變頻通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，房間內(nèi)密閉式循環(huán)?？朔俗冾l室受外界環(huán)境的依賴和有效控制的能力。電動機熱交方式在大功率高壓變頻器上的應(yīng)用，具有以下特點：

1.設(shè)備安裝簡單、快捷。整體式的結(jié)構(gòu)組件安裝于變頻器室外，室內(nèi)采用風(fēng)道與變頻器柜頂排氣口直接連接，整體結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。

2.設(shè)備使用壽命長，故障率低，性能可靠。由于熱交換裝置采用完全機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，較空調(diào)等電力、電子設(shè)備而言具有明顯的安全、可靠性，具有較高的使用壽命。如果一旦冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)水路系統(tǒng)故障，則可關(guān)閉進(jìn)出水閥門;通過風(fēng)路管道系統(tǒng)設(shè)置的上下風(fēng)門，可以直接將熱風(fēng)外排到室外，吸入冷風(fēng)實現(xiàn)開放式循環(huán)，從而大大提高了變頻器安全、可靠性。

3.運營成本低?？?水熱交換裝置的運營成本是同等熱交換功率空調(diào)冷卻方式的1/5~1/6。冷卻電耗指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空調(diào)冷卻，避免了能源節(jié)約的二次浪費。

4.變頻器維護(hù)量低，環(huán)境衛(wèi)生。由于房間密閉，空-水熱交換裝置與變頻器室形成密閉式循環(huán)風(fēng)進(jìn)行設(shè)備冷卻，具有粉塵進(jìn)入量小，環(huán)境溫、濕度穩(wěn)定等特點。濾網(wǎng)清洗周期有原來的15～30天延長到2～3個月以上，大大減輕了現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)量和人力成本。

5.冷卻風(fēng)機冗余結(jié)構(gòu)配置。系統(tǒng)中采用的增壓風(fēng)機設(shè)計風(fēng)壓、風(fēng)量均大于變頻柜頂風(fēng)機的風(fēng)壓、風(fēng)量排放值，當(dāng)變頻器柜頂或增壓風(fēng)機出現(xiàn)問題時不會影響系統(tǒng)的冷卻效果。

       該系統(tǒng)設(shè)備整體安裝于高壓變頻器室墻外，避免冷卻水管線在高壓室內(nèi)布局容易出現(xiàn)破裂后漏水危及高壓設(shè)備運行安全的嚴(yán)重事故發(fā)生。在空-水熱交換裝置的設(shè)計當(dāng)中，為了防止裝置出口側(cè)凝露帶水排入室內(nèi)，對裝置的出風(fēng)口、風(fēng)速等指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計計算;保證良好的排壓情況下，運行安全穩(wěn)定。同時，冷卻系統(tǒng)提供風(fēng)機、空-水冷卻裝置的故障報警檢測點與變頻器連接，通過綜合報警信號遠(yuǎn)傳至DCS。完整的冷卻系統(tǒng)解決方案，為主要設(shè)備的運行安全提供可靠保障。

三、應(yīng)用案例

      該項技術(shù)在峽西漢鋼2×300MW機組一次風(fēng)機變頻器冷卻改造項目中與客戶合作得到實際應(yīng)用。兩臺機組在6.9m層一高壓室安裝4臺(1400kW/6kV)一次風(fēng)機變頻器，運行滿負(fù)荷電流167A，每臺變頻器柜頂冷卻風(fēng)機循環(huán)總風(fēng)量16000m3/h。

      采用空調(diào)冷卻時，以單臺變頻器按變頻器額定功率1400kW，運行效率96%進(jìn)行計算：變頻器的最大散熱功率為1400×4%=56kW。考慮到房間的空間尺寸，以及變頻器室的系統(tǒng)熱交換不能為1等情況，空調(diào)的最小設(shè)計裕度為1.25倍。即：空調(diào)的熱交換功率不小于70kW，則4臺變頻器一共需要安裝了12P空調(diào)10臺，每臺空調(diào)制冷量28kW，空調(diào)能效比為2.5:1，額定功耗11.6kW×10=116kW。以每臺空調(diào)3萬元計算，總投資30萬元。

    籍此，運行中空調(diào)始終處于全開情況。夏季機組高負(fù)荷期，變頻器室空調(diào)全開下，仍不能維持環(huán)境溫度在40℃以內(nèi)，危機設(shè)備運行安全，且二次能源浪費嚴(yán)重。為此，經(jīng)過充分調(diào)研、論證后，決定對變頻器室的空調(diào)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用運營成本和可靠性高的空-水冷卻系統(tǒng)。

     該熱交換裝置，按變頻器的最大散熱功率1400×4%=56kW，并根據(jù)房間的空間尺寸，考慮到極限運行情況下的發(fā)熱量和交換效率的因素計算空-水冷卻裝置的設(shè)計裕度為1.1倍。即：熱交換裝置功率不小于61.6kW，實際選用的熱交換裝置功率為63kW。那么，4臺一次風(fēng)機變頻器需配置4臺63kW的空-水冷卻裝置，初步投資29萬元。

設(shè)備投運后，經(jīng)過30天的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，變頻器在正常運行時，詳細(xì)運行參數(shù)如下：

參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)名稱參數(shù)值

冷卻器進(jìn)水溫度(℃)27冷卻器回水溫度(℃)30

冷卻器進(jìn)水壓力(MPa)0.3冷卻器回水壓力(MPa)0.25

環(huán)境溫度(℃)25變頻器室室溫(℃)28

變頻器功率柜溫度(℃)28變頻器變壓器柜溫度(℃)57

通過以上數(shù)據(jù)表明：采用空水冷卻后變頻器室內(nèi)的溫度得到有效控制，冷卻總耗電功率僅為17.2kW，能耗水平大大降低?？照{(diào)器出留有4臺作為備用外，其余設(shè)備挪作他用，資源得到合理分配利用。

       按年運行8000小時，當(dāng)?shù)仉妰r按0.3元/度電計算，由上表數(shù)據(jù)可得出，空-水冷年耗電量為Q1=17.2*8000=137600度≈13.8萬度，而空調(diào)制冷方案年耗電量為Q2=116*8000=928000度≈92.8萬度，則采用空-水冷年耗電量可節(jié)省79萬度，折合約23.7萬元。考慮到空調(diào)制冷方案的年維護(hù)費用，則采用空-水冷一年可節(jié)約24萬元。

四、結(jié)束語

      通過對兩種冷卻系統(tǒng)方案的分析、論證，對兩種方案在設(shè)備選型、功能、維護(hù)等指標(biāo)進(jìn)行綜合對比，各項指標(biāo)的數(shù)據(jù)對比情況匯總?cè)缦?/span>

1冷卻方案空調(diào)制冷方案空-水冷熱交換方案

2變頻器額定散熱功率224kW224kW

3額定冷卻功率280kW252kW

4設(shè)備安裝數(shù)量10臺4套

5設(shè)計余量系數(shù)1.251.1

6旁路處理方式(設(shè)備故障)無可通過室外開放式循環(huán)冷卻

7平均無故障運行時間10000小時50000小時

8設(shè)備維修要求設(shè)備復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡單

9冷卻電耗指標(biāo)116kW17.2kW

10單位冷卻運營成本0.124元/kW0.02元/kW

      通過對兩種方案的比較可以看出：采用空-水熱交換裝置方案具有良好的綜合性價比優(yōu)勢，更適合于電廠一次風(fēng)機變頻器冷卻改造項目冷卻系統(tǒng)工程，可節(jié)約大量的投資成本和運行費用，符合系統(tǒng)化節(jié)能、環(huán)保的要求。

      此次冷卻項目的成功應(yīng)用，為提高高壓變頻節(jié)能項目的整體系統(tǒng)化節(jié)能水平，降低項目總投資，避免能源二次浪費等方面起到了積極作用。為解決大功率、超大功率、高密度變頻器設(shè)備散熱問題提供了一種有效的解決途徑。