兩級換熱冷卻系統在大功率整流裝置中的應用

張 斌

（沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001）

大功率整流裝置重要組成部分之一的硅整流元件和母線系統正常工作時必須使用水來進行冷卻。由于需要冷卻的硅整流元件是帶電體，母線系統也是帶電體，因此對于冷卻水要求很高，必須是不導電的去離子純水，所以通常采用去離子純水直接冷卻整流元件，采用風或者水作為冷卻媒介冷卻去離子純水，換熱裝置將整流器內的熱量擴散到空氣中，以保證整流器正常工作[1]。傳統的方法是采用水－水換熱裝置或水－風換熱裝置，前一種方法是由集中設置的循環冷卻水站提供副水冷卻去離子純水，后一種方法是用風扇直接冷卻去離子純水，兩種方法均存在一定的缺陷，采用水－水換熱裝置時需要一個集中循環冷卻水泵站，該泵站機組故障或者管道故障時均會使整流所停電，特別是對于寒冷地區循環冷卻水泵站極易發生由于寒冷而結冰的故障。采用水－風換熱裝置時每個整流機組分別設置水－風換熱冷卻裝置，該方案具有節約水資源，減少整流所停電概率等優點，但是由于必須將水－風換熱冷卻裝置設置在戶外，對于寒冷地區的防凍問題很難解決。對于寒冷地區為了解決防凍問題，需要在去離子純水中添加防凍液，這將造成整流器元件冷卻循環管路的腐蝕，致使管路發生泄漏，腐蝕整流器元件，對整流器的絕緣造成破壞[2]。

1 兩級換熱冷卻系統的構成及原理

為解決上述兩種整流器冷卻方式存在的問題，本文提出了一種兩級換熱冷卻系統。首先由去離子水循環冷卻系統直接冷卻整流器元件和母線系統，再采用乙二醇與水混合液體與去離子水循環冷卻系統在板式換熱器內進行一級換熱，然后通過泵組將乙二醇與水混合液體與設置在戶外的水風換熱裝置進行二級換熱，將整流器內元件和母線的熱量擴散到室外空氣中。

這樣的兩級換熱冷卻系統即可以保證流過整流器元件和母線中的冷卻介質為絕緣和耐電離特性極好的去離子純水，又可以保證在戶外冷卻循環的冷卻介質為防凍性能極佳的乙二醇與水混合液體，兩種冷卻介質各自循環運行在獨立的管路中，通過板式換熱器進行換熱，從而達到防止防凍液腐蝕整流器元件和高效節水、防凍的效果。

圖1 兩級換熱冷卻系統的構成示意圖

大功率整流裝置兩級換熱冷卻系統的構成如圖1所示，主要包括：2板式換熱器、3水風冷卻器、4離子交換器、5水泵、6閥門、7壓力信號傳感裝置、8溫度信號傳感裝置、9電導率傳感裝置、10流量傳感裝置、11供水管路、12水泵等。去離子純水與乙二醇和水混合液在板式換熱器2中進行一級換熱，乙二醇和水混合液通過水風冷卻器，在室外大氣中進行二級換熱，兩級換熱冷卻系統相對獨立。

由壓力信號傳感裝置7、溫度信號傳感裝置8、電導率傳感裝置9、流量傳感裝置10監測整個換熱冷卻系統的運行狀態，并向上級控制系統反饋信號。

本冷卻系統結構緊湊、體積小，取消了整流所循環水站，運行安全可靠，去離子純水與乙二醇和水混合液分別循環運行在獨立的冷卻系統管路中，通過板式換熱器進行換熱，該裝置的優點在于有效的解決了現有水風冷卻器存在的問題，防止了防凍液腐蝕整流器元件和寒冷地區冬季循環水結冰，提高了電解系列的供電可靠性，滿足了電解系列安全連續生產的要求，同時也節約了大量的水資源。

2 在大容量整流裝置中的應用實例

兩級換熱冷卻系統采用兩級冷卻裝置串連使用，第一級采用高阻抗的去離子循環水作為冷卻媒介，直接冷卻整流器元件，并與采用乙二醇與水作為冷卻媒介的混合液體通過板式換熱裝置進行一級換熱，然后采用水風冷卻裝置將乙二醇與水作為冷卻媒介的混合液體的熱量散發到空氣中，進行二次換熱，以達到冷卻的目的，同時利用乙二醇與水混合液體冰點較低的特點，保證在環境惡劣的寒冷地區正常使用。

如圖1所示：絕緣性能和穩定性較好的去離子純水作為冷卻介質，直接冷卻整流器元件1，然后通過水泵5，在板式換熱器2中與冰點較低的乙二醇和水混合液體進行一級熱交換。再用水－風冷卻器3將乙二醇和水混合液體與大氣進行二級換熱，最終將整流器的熱量擴散至空氣中。為保證進、回水的溫度滿足整流器運行要求，在進、回水管路上安裝有溫度信號傳感裝置8。

安裝在供水管路上的壓力信號傳感裝置7用來監測管道內壓力是否異常，是否有漏水。為了方便維修管路和各個設備，在水泵的進出水口、板式換熱器的進出水口安裝有閥門6。為了保證去離子純水的質量，還安裝有電導率傳感裝置9用來檢測純水的質量，離子交換器4用來去除純水中少量的帶電離子。

3 結語

通過在現場實際應用取得的效果，兩級換熱冷卻系統很好的解決了現有冷卻裝置存在的問題。本冷卻系統的優點是：

①解決了傳統的整流裝置水風冷卻裝置在寒冷地區室外風冷換熱裝置在停電或者檢修情況下結凍問題；②解決了傳統的整流器水水冷卻器需要一個集中循環冷卻泵房，在集中循環冷卻系統故障導致整流所全部停電的缺陷。③去離子純水在一個密閉的環境中循環運行，保證了純水的質量，減少了純水的損耗。④解決了傳統的整流器水風冷卻裝置因添加防凍液腐蝕整流器元件的問題。

[1]沈陽鋁鎂設計研究院電力室．硅整流所電力設計[M]．冶金工業出版社，1983.

[2]莊俊．換熱技術及其工程應用[M]．北京：化學工業出版社，2008.07.

[3]黃大華，張偉，等．電解鋁用超大功率整流器設計[J]．電源應用技術，2000.3卷.