高功率密度水冷中壓變頻系統(tǒng)研究

安健辰 苗杰

摘 要：采油平臺(tái)上所使用的變頻器大多數(shù)為風(fēng)冷型設(shè)備，“高功率密度水冷中壓變頻系統(tǒng)”是通過采用中壓小電流及水循環(huán)高效冷卻方案，提高單位體積的變頻設(shè)備功率，從而實(shí)現(xiàn)高功率密度變頻系統(tǒng)，有效降低尺寸和重量。相比原有中、低壓系統(tǒng)，該變頻系統(tǒng)具有設(shè)備功率大、尺寸小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，且在遠(yuǎn)距離傳輸與控制方面有較大的優(yōu)勢(shì)。能很大程度上節(jié)約基建成本及維護(hù)成本。文章介紹了水冷變頻設(shè)備的工藝、系統(tǒng)組成及布局。

關(guān)鍵詞：水冷;采油平臺(tái);中壓變頻系統(tǒng)

1 引言

目前，采油平臺(tái)上所使用的變頻器大多數(shù)為風(fēng)冷型設(shè)備，為了防止設(shè)備在使用過程中被鹽霧及潮濕環(huán)境所腐蝕，需要為其建造專用電氣間，盡量使變頻器應(yīng)用環(huán)境達(dá)到理想狀態(tài)。由于風(fēng)冷型變頻設(shè)備體積較大，增加了海上平臺(tái)的建設(shè)面積，建造成本投入較大。

“高功率密度水冷中壓變頻系統(tǒng)”是通過采用中壓小電流及水循環(huán)高效冷卻方案，提高單位體積的變頻設(shè)備功率，從而實(shí)現(xiàn)高功率密度變頻系統(tǒng)，有效降低尺寸和重量。相比原有中、低壓系統(tǒng)，該變頻系統(tǒng)具有設(shè)備功率大、尺寸小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，且在遠(yuǎn)距離傳輸與控制方面有較大的優(yōu)勢(shì)。能很大程度上節(jié)約基建成本及維護(hù)成本。

2 水冷工藝介紹

2.1 概述

現(xiàn)市面上的變頻器散熱方式主要有自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷和水冷，國(guó)內(nèi)的變頻器散熱方式以水冷為主。但隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)的發(fā)展，變頻器容量的不斷提高，變頻器使用工況的日益復(fù)雜，散熱器面積、環(huán)境溫度、變頻器使用環(huán)境、風(fēng)機(jī)體積與噪音等多方面原因影響了風(fēng)冷變頻器的冷卻效果。

半導(dǎo)體器件在大功率使用的情況下，會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，存在同樣情況的還有系統(tǒng)內(nèi)的移相變壓器，這兩個(gè)部分所產(chǎn)生的熱量，在工作時(shí)會(huì)導(dǎo)致元器件過熱，若散熱措施不恰當(dāng)，不能把熱量及時(shí)帶出系統(tǒng)外，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)元器件的溫升高于其標(biāo)準(zhǔn)使用要求的溫升，進(jìn)而使器件性能降低，甚至損壞元器件。所以在變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，盡可能的考慮溫升的影響，通過設(shè)計(jì)散熱方式，使變頻器的溫升降至最低，從而保護(hù)元器件。

2.2 工作原理

水冷系統(tǒng)適用于大功率電氣設(shè)備，其構(gòu)成有去離子系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)的循環(huán)介質(zhì)一般采用采用純凈水，或比熱容更大的乙二醇，水水換熱器負(fù)責(zé)把系統(tǒng)的熱量交換到大氣中。由于循環(huán)介質(zhì)在完全密閉條件下工作，工作過程中避免了純凈水或乙二醇的蒸發(fā)損失，同時(shí)也便于系統(tǒng)內(nèi)的防銹防垢。

主循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)純凈水或比熱容更大的乙二醇，以恒定的流速通過功率單元散熱器，帶走系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量;系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)在升溫后沿主管回路進(jìn)入換熱器，在換熱器內(nèi)完成熱量交換;冷卻后的循環(huán)介質(zhì)流至進(jìn)口，完成熱交換過程。

PLC根據(jù)實(shí)時(shí)采集的供水溫度控制電動(dòng)三通閥的開度，以此達(dá)到精確控溫的目的?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)工況自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)行各電機(jī)及傳感器單元。

2.3 熱負(fù)荷計(jì)算

變頻器在運(yùn)行過程中要產(chǎn)生一定的功耗，一般為其容量的3～5%。其中移相變壓器約占45%，整流及逆變約占48%，控制系統(tǒng)、主回路電纜與銅排等約占7%。為使大功率變頻器使用于惡劣環(huán)境，尤其是要求整機(jī)外形尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間的大功率傳動(dòng)變流器，非常適合使用水冷冷卻方案。水冷扇熱換熱效率高，換熱系數(shù)達(dá)到3500W/（m2·℃），散熱效果好。變頻器可以不受空間限制，因?yàn)榕渌艿啦淮嬖趥鬏斁嚯x的限制，且體積小。另外水冷系統(tǒng)能將變頻器系統(tǒng)溫度降至室溫以下，所以也不受室溫限制。

（1）冷卻水流量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并考慮適當(dāng)裕量， 1kW變頻器功耗產(chǎn)生的熱量，需要水泵的循環(huán)水量為6L/min，而變頻器的功耗為其容量的3～5%，以5%計(jì)，可得水泵流量與容量關(guān)系為：

水泵流量=變頻器容量×5%×6

若變頻器設(shè)計(jì)容量為800kW。

水泵流量=800×5%×6=240L/min

據(jù)此，選擇流量大于計(jì)算值的循環(huán)水泵，可選擇額定流量為15m3/h，型號(hào)為CR15的水泵。

（2）冷卻系統(tǒng)管道計(jì)算。管道系統(tǒng)和閥門主要包括快速接頭、管道、各種功能閥門（流量控制閥）、過濾器、其它管接頭及密封件等。

管道的尺寸（如直徑、長(zhǎng)度等），應(yīng)根據(jù)冷卻液的流速來確定：

其中，Qv為水流量（m3/h）;U為水流速（m/s）;D為管道直徑（mm）。可計(jì)算管道的直徑。系統(tǒng)的管道材料，考慮到冷卻介質(zhì)特殊要求，全部采用無縫不銹鋼管，局部用聚胺脂管。

若采用CR15水泵，流量15m3/h，流速選擇2.3m/s，管道直徑應(yīng)為48mm，選擇DN50管道。

（3）冷卻水進(jìn)出水溫度。水冷系統(tǒng)的主要是將發(fā)熱元器件產(chǎn)生的熱量與冷卻液充分交換。為了確保器件的發(fā)熱表面在被液體冷卻時(shí)能把所耗散的熱量盡量全部帶走，冷卻水進(jìn)水溫度必須處于一個(gè)合理的區(qū)間。

冷卻系統(tǒng)需要確定如下參數(shù)：冷卻液體流量，冷卻液體進(jìn)口溫度，系統(tǒng)的熱耗散功率，現(xiàn)場(chǎng)提供的最高進(jìn)水溫度Tin_max。

其中Tout為冷卻液體出口溫度（℃）;Tin為冷卻液體進(jìn)口溫度（℃）;Q為系統(tǒng)發(fā)熱總耗散功率（kW）;ρ為液體的密度（kg/m3）;V為冷卻液體流量（m3/h）;CP為冷卻液體的比熱容（kJ/kg.k）。

計(jì)算冷卻液體出口最高溫度Tout_max。這個(gè)是非常重要的，如果Tout_max大于系統(tǒng)的可允許范圍，那么必然有一部分組件將發(fā)生發(fā)熱問題。

若現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)提供的最高溫度為42℃，取Cp為3.8kJ/kg.k， 現(xiàn)場(chǎng)出水溫度Tout為44.6℃。

3 系統(tǒng)組成與布局

（1）變頻系統(tǒng)布置在集裝箱內(nèi)部，一臺(tái)集裝箱內(nèi)部放置兩套獨(dú)立的變頻系統(tǒng)。

（2）整機(jī)系統(tǒng)采用水冷散熱方案，集裝箱與室外無空氣交互，實(shí)現(xiàn)高防護(hù)等級(jí)，可以將系統(tǒng)放置在平臺(tái)甲板上，無需單獨(dú)建造變頻器室，節(jié)約基建及維護(hù)成本。

（3）每套變頻系統(tǒng)由移相整流變壓器、水冷功率部分、控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)及輔助散熱系統(tǒng)等組成。

（4）每套變頻系統(tǒng)的功率部分由6組功率單元組成;每相由兩組功率單元級(jí)聯(lián)輸出。每組功率單元為2X700VAC輸入，1X1400VAC三電平輸出，兩組功率單元級(jí)聯(lián)最大支持4.16kV輸出。

（5）為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高防護(hù)等級(jí)需求，功率單元采用水冷散熱方式，具備功率密度大，體積小等特點(diǎn);同時(shí)變壓器系統(tǒng)采用風(fēng)水冷解決方案，即通過風(fēng)水換熱器把變壓器損耗熱量通過水冷系統(tǒng)冷卻。

（6）每套系統(tǒng)配置一套去離子水冷處理系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供冷卻源。其系統(tǒng)布局如下：

a）兩套變頻系統(tǒng)獨(dú)立布置在20英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，兩套之間用可靠絕緣系統(tǒng)隔離，實(shí)現(xiàn)兩套系統(tǒng)單獨(dú)維護(hù)及保證其安全性。

b）水冷系統(tǒng)與控制系統(tǒng)前后布局，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)空間有效利用。

c）集裝箱后部放置水冷系統(tǒng)水管，正面放置電氣部分，實(shí)現(xiàn)水電分離布局，提高系統(tǒng)可靠性及可維護(hù)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]浣喜明.電力電子技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2004.

[2]李振智，唐周懷，龔興云等.變頻器在潛油電泵井上的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2001（03）：45-47，58.

[3]張文義，劉宏達(dá).電器原理[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2017.