直接空冷系統風機變頻器群水冷系統研究

崔超

(中國大唐科技工程有限公司，北京 100097)

直接空冷系統風機變頻器群水冷系統研究

崔超

(中國大唐科技工程有限公司，北京 100097)

直接空冷系統變頻器布置集中，夏季高溫天氣下變頻器群運行時經常超溫報警，影響電廠安全、穩定、高效運行。對變頻器群超溫報警原因進行分析，提出了外加水冷系統的解決方案，實際運行效果良好且節能環保，有效延長了變頻器的使用壽命。

直接空冷系統;風機；變頻器群; 散熱; 水冷系統

0 引言

我國燃煤電廠的發展受到水資源短缺的制約，一座濕冷電廠的耗水量相當于10～15座同容量空冷電站的耗水量，所以發展空冷技術是解決這一問題的重要途徑[1]。基于空冷技術的空冷電站的建設和運行具有極好的經濟效益和社會效益。直接空冷系統由于設備少、系統簡單、基建投資較少、占地面積小，應用比較廣泛。直接空冷系統通常采用機械通風冷卻，一個2×300 MW機組的直接空冷系統需要配備56～64臺大型風機，每臺風機配備1臺變頻器。多臺變頻器布置在一個變頻器室內，形成了一定規模的變頻器群。夏季高溫天氣時，變頻器群散熱量大，空調制冷無法滿足變頻器群散熱要求，變頻器經常超溫報警，導致部分部件損壞，從而使變頻器無法工作，嚴重影響直接空冷系統的運行和機組發電功率，變頻器群的散熱問題已成為影響電廠安全穩定運行的問題之一。本文對變頻器群運行中超溫報警的原因進行分析，并提出相應的解決方案。

1 原因分析

2014年年初，中國大唐集團科技工程有限公司承接了某2×300 MW電廠直接空冷系統的設計和供貨總承包合同，其中包含2臺機組共56臺風機和變頻器的供貨，風機功率為132 kW，變頻器的銘牌功率至少應為160 kW，以滿足過載運行和啟動要求。2014年12月，電廠完成168 h試運行。2015年6月，電廠反饋夏季高溫天氣時直接空冷風機變頻器經常超溫報警。

經現場調查，夏季高溫天氣時柜體表面溫度可達80～90 ℃(內部溫度更高)，造成變頻器室內環境溫度過高，多次顯示(模塊溫差大)報警。變頻器屬于大型電子設備，對環境溫度要求較嚴格，溫度的變化會影響元器件的開通和關斷，溫度過高時甚至會導致功率開關元器件永久損壞，從而使變頻器無法工作[2]。

目前，各種變頻器的工作效率通常為96%～98%，其中2%～4%的功率損耗主要以熱量的形式散失在周邊環境中，如果不能及時有效地降低變頻器機房的環境溫度，將直接危及變頻器本體的安全。為確保變頻器長期、穩定、高效運行，必須保證變頻器機房的溫度在-5～40 ℃。

常規變頻器一般采用風冷方式降溫：充分考慮元件發熱因素，柜內風扇與變頻器采用閉鎖裝置，只有風扇啟動變頻器才能運行；設置一定的散熱空間及風冷通道，同時裝設排氣扇等機械通風裝置；變頻器室內設置空調，用于調節室內溫度。采用風冷方式降溫，夏季高溫天氣時變頻器經常超溫報警，影響變頻器的工作性能，甚至導致部分部件損壞，從而使變頻器無法工作，變頻器室內空調調節溫度能力差、能耗大。

經過分析，認為主要存在如下幾個問題：(1)每臺機組28臺風機變頻器集中布置在一個房間內，形成了一個變頻器群，散熱量過大；(2)空調選型時未充分考慮變頻器散熱要求，選型偏小；(3)變頻器長時間運行，柜體內有積灰，影響散熱。

通過分析，夏季室外環境溫度太高是主要原因，單憑室內空調降溫無法滿足變頻器群的散熱要求。為克服現有技術的不足，提供一種變頻器冷卻方案，能夠使變頻器的散熱效率更高、更節能、可靠性更高。

2 解決方案

經過研究，提出了2套方案：第1套方案是將空調數量增加1倍，制冷量由90 kW增加至180 kW；第2套方案是增加1套基于變頻器群的水冷系統，制冷量為180 kW。

從投資成本方面來說，第1套方案較好，但是長期運行成本較高，且不符合節能方針。第2套方案可以利用電廠廉價的循環水資源，長期運行成本低。經各方討論和技術經濟比較，決定采用第2套方案。

變頻器常用的空氣冷卻方式包括強制風冷和水冷，散熱效果對比見表1[3]。該方案采取外加水冷散熱系統的措施，既解決了內置水冷模塊的成本高昂問題，又達到了極佳的散熱效果，可有效調節室內溫度，節約空調電費。

表1 變頻器冷卻裝置散熱效果對比

變頻器群水冷散熱系統方案：7臺變頻器共用1套水冷散熱器，由每面柜的柜頂引出一段風道集合到一段匯流風道，匯流風道里設有增壓風機和冷卻系統，將每面柜的熱風引至冷卻系統進行熱交換，冷卻后的空氣再經過風道排入室內，形成空氣循環；冷卻系統與電廠循環水系統連接，以循環水作為冷卻介質(要求循環水溫度≤33 ℃)，通過冷卻水不斷帶走熱交換器里空氣的熱量，從而達到降低室內溫度的目的，形成水系統的循環。

風向流程：變頻器室內冷風→變頻器內部軸流風機→發熱元件→熱風→風道→水冷散熱器→冷風→冷卻系統加壓風機→變頻器室內冷風。

冷卻水流程：循環冷卻水供水→水冷散熱器→循環冷卻水回水。

變頻器冷卻系統系統原理圖和簡圖如圖1、圖2所示。變頻器群水冷散熱系統主要包括熱風通道、水冷散熱器、冷卻水通道3部分。變頻器柜頂部連接熱風通道的進風口，熱風通道的出風口連接水冷散熱器外殼頂部的進風口；水冷散熱器外殼的出風口上設置有百葉窗，變頻器柜下部設置有具有百葉窗的進風口，水冷散熱器的外殼內設置有換熱管，換熱管連接冷卻水通道。

圖1 變頻器冷卻系統原理圖

圖2 變頻器冷卻系統簡圖

冷卻水通道包括供水通道和回水通道，水冷散熱器的換熱管兩端分別連接供水通道和回水通道。換熱管在水冷散熱器外殼空腔中多層次排列，換熱管沿水冷散熱器進風口—出風口的方向逐層排列。

變頻器群水冷散熱系統在變頻器柜的出風口連接熱風通道，熱風通道與水冷散熱器連接。變頻器柜內的熱空氣從熱風通道流向水冷散熱器，水冷散熱器內的換熱管道冷卻熱空氣，冷卻后的空氣從水冷散熱器的出風口吹出并通過變頻器柜的進風口進入變頻器柜。水冷散熱器內的冷卻水與空氣進行熱交換，使得空氣冷卻，冷空氣流入變頻器柜進而使整個變頻器柜溫度降低。在變頻器柜的頂部設置出風口，下部設置進風口，熱空氣從變頻器柜頂部流出，冷空氣從變頻器柜底部流入，對變頻器柜內的設備進行冷卻降溫，變頻器的散熱效率更高、更節能。

3 運行效果

方案實施后電廠反饋良好，不僅解決了變頻器超溫報警的問題，還節約了大量空調電費，優點如下。

(1)采用水冷散熱系統，散熱效果好。該系統徹底解決了夏季變頻器散熱難題，有利于變頻設備的長周期穩定運行，可延長變頻設備的使用壽命[4]。

(2)節能和經濟效益明顯。夏季停止使用空調，可以節約大量電費。

(3)采用循環冷卻水作為水冷介質，成本低。普通水源水質較差，水中雜質較多，運行一段時間后容易造成堵塞，導致水冷換熱器無法進行熱量交換[5]。循環冷卻水是電廠專用設備冷卻水，經過多級處理，水中雜質較少，運行成本低，可以循環利用。

(4)幾臺變頻器共用1套水冷散熱系統，可以減小風道質量及水冷散熱器數量，便于布置。

4 效益分析

該技術方案可以有效改善變頻器運行環境，提高變頻器可靠性和使用壽命；結構簡單，因地制宜充分利用電廠循環水資源，運行成本低。水冷散熱系統運行成本：循環水量約為13.9L/s，散熱功率約為180kW，消耗功率P=qVgh/η=13.9×9.8×30÷0.75÷1000=5.5(kW)(式中：qV為體積流量，取13.9L/s；g為重力加速度，取9.8m/s2；h為高度，取30m；η為效率，取0.75)；每臺加壓風機額定功率為0.75kW，則風機消耗功率=0.75×4=3.0(kW)；共消耗功率8.5kW。

按照180 kW的制冷量，空調消耗功率為60～78 kW。按每年高溫天氣4 個月計算，使用空冷器可節約用電(60-8.5)×24×30×4=148 320 (kW·h)。按電價為0.3元/(kW·h)計算，可節約電費約4.45萬元。

該項目設備投資約為8萬元，其他費用約為2萬元，總投資10萬元，投資回收期為2～3年。

5 結束語

增加水冷系統后，徹底解決了夏季火電廠直接空冷變頻器群散熱難題，有利于變頻器的長周期穩定運行，可有效延長變頻器的使用壽命。夏季停止使用空調，可以節約用電。

該變頻器群水冷散熱系統已成功應用，運行良好。該系統屬于小型技改，既節能環保，又能延長變頻器壽命，應用前景廣闊。

[1]束紅，陳杰.直接空冷與間接空冷機組的工程造價及經濟性分析[J].山東電力高等專科學校學報，2011,14(6):35-39.

[2]王丹，毛承雄，范澍，等.高壓變頻器散熱系統的設計[J].電力電子技術，2005,39(2):115-117.

[3]黃煒，何人望，周瑜.高壓變頻器散熱系統的研究與設計[J].華東交通大學學報，2006,23(5):105-108.

[4]劉兆偉,江飛虹.通用變頻器散熱系統設計[J].變頻器世界，2007(9):73-74.

[5]趙吉金，王偉峰，冶文軍，等.ABB水冷變頻器水冷系統故障分析及解決方法[J].電子世界，2013(10):90.

(本文責編：劉芳)

2017-05-04；

:2017-07-10

TM 621

：B

：1674-1951(2017)09-0034-02

崔超(1980—)，男，河南商丘人，高級工程師，工學碩士，從事電廠空冷、大氣污染物排放控制方面的工作(E-mail:cuic@cdte.com.cn)。