水冷機(jī)組在高壓變頻器環(huán)境治理中的應(yīng)用

段隨慶

（河南晉控天慶煤化工有限責(zé)任公司）

0 引言

天慶公司共有四臺220t循環(huán)流化床鍋爐，其中八臺引風(fēng)機(jī)電機(jī)采用10kV高壓變頻器進(jìn)行驅(qū)動，在設(shè)計時將這些高壓變頻器（800kW）置于一間房間，依靠變頻器自帶風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)道將發(fā)熱量排出室外，利用室外空調(diào)向室內(nèi)吹冷風(fēng)降溫，但在實際使用中，出現(xiàn)多種弊端，變頻器發(fā)熱量大，風(fēng)機(jī)排風(fēng)量也大，每臺變頻器有四臺外排風(fēng)機(jī)，八臺變頻器共三十二臺風(fēng)機(jī)，同時開啟時風(fēng)量達(dá)到140000m3/h，空調(diào)位于鍋爐底部，使用時大量灰塵堵住空調(diào)濾網(wǎng)，無法正常工作，由于風(fēng)量大，室內(nèi)形成負(fù)壓，從風(fēng)口會帶進(jìn)大量灰塵和雜質(zhì)，堵塞變頻器的濾網(wǎng)，導(dǎo)致高壓變頻器內(nèi)溫度快速升高，監(jiān)測功率單元溫度達(dá)60℃，后經(jīng)增加進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)道增加濾網(wǎng)、增加空調(diào)等措施均效果不佳，不能將變頻器室環(huán)境溫度降到40℃以下，在該型號變頻器的維護(hù)一覽表中明確提出環(huán)境溫度要保持在-10～+40℃間。2015年試開車至今，變頻器的電子元件在長時間高溫運行過程中，其故障率也在升高，使用壽命隨溫度升高而降低，導(dǎo)致每年維修費用也高企不下。另因故障跳車引起鍋爐乃至后系統(tǒng)波動造成損失較大，因此需要對變頻器室進(jìn)行環(huán)境治理。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀分析

公司四臺鍋爐常年開啟，平常是三開一備，大量灰塵堵塞濾網(wǎng)時，變頻器（見圖1）的熱量就會在短時間內(nèi)快速升高，所以清洗濾網(wǎng)的周期一般在七天左右，大大增加了維護(hù)人員的工作量，而且濾網(wǎng)不能完全阻止灰塵進(jìn)入變頻器內(nèi)部，尤其在潮濕天氣下，致使變頻器內(nèi)部元件里附著了大量粘性灰塵，不僅阻礙了散熱，還使得內(nèi)部元器件絕緣降低，出現(xiàn)故障，總體上，變頻器中濾波電容故障率較高，造成功率單元模塊維修尤其頻繁。

圖1 變頻器

高壓變頻器主要由移相變壓器柜、單元柜和控制柜構(gòu)成，內(nèi)部使用一臺干式移相隔離變壓器，單元柜內(nèi)有二十四臺功率單元，控制柜是整個變頻調(diào)速系統(tǒng)的大腦，柜內(nèi)用于安裝主控系統(tǒng)以及二次控制回路系統(tǒng)、UPS電源等部件，與變壓器柜，功率單元柜，旁路開關(guān)柜采用光纖傳輸信號。光纖板、10kV用電壓檢測傳輸板、信號采集板、主控電源板、高壓變頻器控制板等極易在溫度超過55℃時表現(xiàn)出工作不穩(wěn)定，誤報警甚至跳車現(xiàn)象，停車檢測時又表現(xiàn)出正常狀態(tài)，超溫下的濾波電容則會因擊穿或漏電失去作用。在變頻器的維保作業(yè)中大量電容被檢測失效而更換，究其根本原因則和柜內(nèi)溫度偏高，散熱不暢，灰塵過多有莫大關(guān)系。

據(jù)電氣環(huán)境對電子設(shè)備安全的評估報告中顯示：在設(shè)備故障原因的調(diào)查分析中，80%是由于設(shè)備運行環(huán)境因素所致，其中溫度原因占55%、濕度25%、粉塵影響12%、振動和電磁噪聲13%；由于電路設(shè)計和元器件質(zhì)量問題引發(fā)設(shè)備故障的只有20%。由此可見，環(huán)境對電氣設(shè)備安全的影響程度起著至關(guān)重要的程度。變頻器的運行安全應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12668.4—2006《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)》，變頻器的故障率隨溫度升高而呈指數(shù)上升，使用壽命隨溫度升高而指數(shù)的下降（見圖2），環(huán)境溫度每升高10℃，變頻器中濾波電容的使用壽命將減半。變頻器故障率升高嚴(yán)重影響企業(yè)的安全生產(chǎn)要求。保障變頻器運行環(huán)境，即可有效降低變頻器的故障率。

圖2 變頻器電解電容器壽命與溫度的關(guān)系

2 技術(shù)方案介紹

在早期討論解決方案時，有的專家提出利用鍋爐現(xiàn)有五臺空壓機(jī)的優(yōu)勢，在變頻器室內(nèi)將空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣向室內(nèi)引入，用以保持室內(nèi)正負(fù)壓的平衡，此方案相對也節(jié)約成本，但經(jīng)過計算，五臺315kW空氣壓縮機(jī)兩用三備不能滿足所需氣量，不再考慮。方案二中提出可利用附近的深水井泵井水的冷卻作用，將變頻器的熱風(fēng)經(jīng)井水換熱降溫后重新回到室內(nèi)，用來降低室內(nèi)的溫度，該方案相對第三種方案有許多雷同之處，也比較經(jīng)濟(jì)，但有個致命缺陷，深水井泵維護(hù)檢修很不方便，故障率也高，對于全公司生產(chǎn)蒸汽的來源，停一臺引風(fēng)機(jī)變頻器就意味著停一臺鍋爐，其成本達(dá)上百萬，因此必須有一個維護(hù)便利，不需要停機(jī)的方案來保障變頻器的穩(wěn)定。最終選擇了水冷機(jī)組對高壓變頻器的工作環(huán)境進(jìn)行改善。

2.1 水冷機(jī)組的基本原理

水冷機(jī)組采用風(fēng)道式回風(fēng)冷卻的方式對高壓變頻器進(jìn)行冷卻，經(jīng)過冷卻后的風(fēng)重新送回至室內(nèi)，如此不斷往復(fù)，形成內(nèi)部循環(huán)。

在變頻室的柜頂風(fēng)機(jī)上方制作風(fēng)罩收集熱風(fēng)，通過引風(fēng)道將變頻器產(chǎn)生的熱量通過變頻器專用水源冷卻機(jī)組內(nèi)蒸發(fā)器散熱，熱風(fēng)經(jīng)過散熱片后，變成冷風(fēng)從散熱片吹出，熱量被冷卻水循環(huán)帶走，變頻器專用水源冷卻機(jī)組可以在30℃以內(nèi)根據(jù)需求精準(zhǔn)設(shè)置變頻室環(huán)境溫度，并主動除濕。

每臺水冷設(shè)備配備有應(yīng)急風(fēng)閥，當(dāng)水冷機(jī)組故障造成出風(fēng)溫度升高至設(shè)定溫度時，應(yīng)急風(fēng)閥自動打開（也可根據(jù)情況手動打開），從而避免水冷機(jī)組故障停運時造成熱風(fēng)返回室內(nèi)，避免異常情況下室內(nèi)溫度溫升過快。水冷機(jī)組原理如圖3所示。

圖3 水冷機(jī)組原理圖

2.2 機(jī)組正常工作參數(shù)

工作水量：16.5m3/h·臺，工作壓力≥0.2Mpa（0.2～0.4MPa），進(jìn)水溫度＜37℃，水質(zhì)PH值7.0～8.5，氯離子≤300mg/L，符合GB 50050—2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》，機(jī)組最大裝機(jī)容量21.2kW，冷卻裝置防護(hù)等級IP54。

3 方案的實現(xiàn)

通過根據(jù)變頻器運行轉(zhuǎn)化效率、相關(guān)參數(shù)計算得出每臺高壓變頻器需增加水冷機(jī)組的功率、風(fēng)量、冷水量，合理配置水冷設(shè)備。

由于生產(chǎn)水溫度夏季在25℃左右，使用生產(chǎn)水就可以滿足空水冷機(jī)組的溫度要求，但變頻器水冷機(jī)組的專用水源需量16m3/h，八臺共需水量128m3/h，現(xiàn)有生產(chǎn)水無法滿足需量，故經(jīng)討論決定從循環(huán)水引入水冷機(jī)組，但是現(xiàn)場循環(huán)水水溫夏季最高達(dá)37℃，溫度偏高，需增加其他（冷卻塔或冷卻機(jī)組）設(shè)備用于降低冷卻水溫度，才能滿足水冷機(jī)組的冷卻效果，增加冷卻塔占地面積大，不符合現(xiàn)場實際；因此最終決定在該水冷卻機(jī)組的基礎(chǔ)上另外增加一套預(yù)冷設(shè)備將37℃的循環(huán)水進(jìn)行預(yù)冷降溫即可使用。

每臺水冷設(shè)備配備有事故風(fēng)閥，當(dāng)水冷機(jī)組故障造成出風(fēng)溫度升高至設(shè)定溫度時，事故風(fēng)閥自動打開（也可根據(jù)情況手動打開），從而避免水冷機(jī)組故障停運時造成熱風(fēng)返回室內(nèi)，避免異常情況下室內(nèi)溫度溫升過快。

該套設(shè)備整體安裝于高壓變頻器室外，采用風(fēng)道與變頻器頂部出風(fēng)口直接相連，提高換熱效率，冷卻水管道分布于變頻器室外部，避免冷卻水管出現(xiàn)漏點造成安全隱患。施工時可以和高壓變頻器同時施工，對于安裝已投用的公司，也可在原來風(fēng)道基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。

控制系統(tǒng)選擇具有自動無人管理功能的微電腦顯示屏，實現(xiàn)自動與手動調(diào)節(jié)溫度及各種其他運行參數(shù)，自動控制系統(tǒng)具有缺水保護(hù)系統(tǒng)、自動啟停和掉電記憶功能，具備故障自動檢測功能，還設(shè)有過載，過流，欠壓，高、低壓保護(hù)，性能安全、可靠?？刂葡到y(tǒng)具備遠(yuǎn)傳模塊接口，可將機(jī)組運行狀態(tài)、故障報警信號等上傳至電腦后臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 使用效果

水冷機(jī)組是高壓變頻器新的冷卻方式之一，與常規(guī)密閉空調(diào)冷卻方式、直排新風(fēng)冷卻方式有顯著優(yōu)點：安全、節(jié)能、維護(hù)簡單，同時解決了粉塵及濕度對變頻器影響的問題。

截至目前變頻器室水冷機(jī)組投入運行已有十個月，變頻器室環(huán)境、溫度明顯得到改善，室內(nèi)實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)降溫，負(fù)壓消失、灰塵減少，停車檢修時發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)移相變壓器和功率單元模塊的表面也只有少量灰塵附著，變頻器濾網(wǎng)清灰頻次也大大降低。目前夏季室溫保持在25℃左右（可調(diào)），較之前降低10～15℃，變頻器模塊運行溫度在45℃以下，較之前減少約15℃。通過設(shè)定的目標(biāo)溫度來自動控制模塊的投入數(shù)量，通過能量的需求精確控制壓縮機(jī)的開啟數(shù)量，達(dá)到了節(jié)能運行的目的。

5 推廣和應(yīng)用

綜上所述，水冷機(jī)組的安全性完全能夠滿足工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組出口溫度可自動精確控制，效率也有很大提高，安裝自由靈活，可突破現(xiàn)場環(huán)境和地理條件的限制，噪音低，維護(hù)方便，工作量少，而且使用壽命可長達(dá)15年以上。

該水冷機(jī)組不僅可使用于高壓變頻器，還可廣泛用于高壓電容器組、變壓器室的冷卻降溫，據(jù)統(tǒng)計，水源冷卻機(jī)組比普通風(fēng)冷工業(yè)空調(diào)及家用空調(diào)更節(jié)能。水源冷卻機(jī)組可以根據(jù)水溫、負(fù)載狀況、設(shè)定溫度等值自動調(diào)節(jié)輸出功率。因此，水源冷卻機(jī)組綜合節(jié)能可以達(dá)到50%。項目投運后提高了變頻器設(shè)備運行穩(wěn)定性，降低了設(shè)備故障率，減少了變頻器設(shè)備維修費用，具有廣泛的推廣價值。

6 結(jié)束語

水源冷卻機(jī)組已成功應(yīng)用于高壓變頻器環(huán)境治理中，改變了傳統(tǒng)空氣冷卻和空調(diào)冷卻的方式，解決了風(fēng)機(jī)排風(fēng)時室內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓的難題，保障了鍋爐引風(fēng)機(jī)高壓變頻器安全穩(wěn)定的需要，節(jié)約了生產(chǎn)和維修成本。通過不斷探索、創(chuàng)新，相信在更多領(lǐng)域，水源冷卻機(jī)組會有廣泛的應(yīng)用前景，而且必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。