高壓變頻器冷卻系統(tǒng)分析及優(yōu)化

（福建省福能龍安熱電有限公司 福建寧德 355208）

0 引言

變頻器具有節(jié)能、調(diào)速平穩(wěn)、對電網(wǎng)影響小的優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于電力生產(chǎn)企業(yè)。變頻器內(nèi)電氣元件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對運(yùn)行的環(huán)境條件要求較高。變頻器運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，必須解決其散熱問題。一般變頻器廠家要求工作環(huán)境溫度在0～40 ℃范圍內(nèi)，相對濕度不得超過80%［1］，塵污染粒徑小于100 μm，濃度小于0.3 mg/m3。結(jié)合某熱電廠現(xiàn)場實(shí)際，通過對常用的內(nèi)循環(huán)空氣冷卻、外循環(huán)空氣冷卻、空-水冷卻等3種變頻器冷卻方式分析比較，在實(shí)際優(yōu)化改造過程中采用具有節(jié)省系統(tǒng)制冷能耗、提高變頻器冷卻效果、優(yōu)化室內(nèi)空氣潔凈度等優(yōu)點(diǎn)的空-水冷卻方式，取得了較理想的效果。

1 熱電廠高壓變頻器冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

1.1 熱電廠高壓變頻器冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀

某熱電廠高壓變頻器的冷卻采用外循環(huán)空氣冷卻的方式，通過變頻器頂部的風(fēng)扇將變頻器產(chǎn)生的熱量排至變頻器室外，變頻器室內(nèi)形成負(fù)壓，外部新鮮風(fēng)流通過換氣窗通風(fēng)濾網(wǎng)進(jìn)入變頻器室內(nèi)，夏天高溫時(shí)段使用室內(nèi)空調(diào)輔助進(jìn)行調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。熱電廠變頻器使用情況統(tǒng)計(jì)，詳見表1。

表1 變頻器使用情況統(tǒng)計(jì)表

1.2 熱電廠高壓變頻器冷卻系統(tǒng)存在的問題

熱電廠地處南方沿海地區(qū)，空氣潮濕、含鹽量高且夏季氣溫高，加上燃煤機(jī)組運(yùn)行過程中灰渣產(chǎn)生的粉塵較大。現(xiàn)有的變頻器采用外循環(huán)空氣冷卻方式，運(yùn)行過程中存在在以下問題。

（1）變頻器室內(nèi)粉塵大，造成變頻器電氣元件上積塵較大；

（2）變頻器室內(nèi)濕度受天氣影響較大，尤其是梅雨季節(jié)大量潮濕空氣進(jìn)入變頻器室內(nèi)，對變頻器運(yùn)行環(huán)境造成影響；

（3）變頻器室靠近機(jī)組排水槽，周圍空氣常年因水蒸氣蒸發(fā)濕度大，大量潮濕的新風(fēng)進(jìn)入變頻器室內(nèi)，可能造成變頻器內(nèi)部電弧放電，擊穿元器件［3］；

（4）沿海地區(qū)含鹽量高的空氣進(jìn)入變頻器內(nèi)會(huì)造成變頻器元件被腐蝕，影響使用壽命；

（5）夏季空氣溫度高達(dá)38 ℃，外循環(huán)大量風(fēng)量進(jìn)入變頻器室內(nèi)，加之變頻器運(yùn)行產(chǎn)生大量熱量，需要室內(nèi)空調(diào)輔助制冷，否則可能造成變頻器功率單元超溫。

1.3 變頻器運(yùn)行中存在故障

以鍋爐二次風(fēng)機(jī)變頻器為例，熱電廠一號鍋爐二次風(fēng)機(jī)變頻器于2018 年4 月B7 功率單元出現(xiàn)故障，檢查功率電源發(fā)現(xiàn)電子元件上積塵較厚，且故障點(diǎn)有電擊穿痕跡；2019 年6月同一變頻器A7 功率單元出現(xiàn)故障，檢查后發(fā)現(xiàn)故障模塊不僅有積塵還有存在印刷電路板被腐蝕的現(xiàn)象。兩次故障都表明變頻器室內(nèi)粉塵大、潮濕、含鹽高是造成變頻器故障的主要原因，加之變頻器長時(shí)間不間斷運(yùn)行，不具備清掃的條件，變頻器運(yùn)行存在隱患，威脅機(jī)組運(yùn)行安全。

2 冷卻方式對比分析與選擇

2.1 冷卻方式的分析

參考目前各電廠高壓變頻器冷卻系統(tǒng)冷卻方式，對外循環(huán)空氣冷卻方式、內(nèi)循環(huán)空氣冷卻方式、空-水冷卻方式［2］進(jìn)行對比分析，從冷卻方式安全可靠性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)合理性的分析比較，詳見表2。其中，為了減少多臺(tái)變頻器運(yùn)行干擾對比分析，計(jì)算數(shù)據(jù)以一號鍋爐二次風(fēng)機(jī)變頻器為例。

2.2 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

（1）外循環(huán)空冷方式原則上不需要通過空調(diào)制冷進(jìn)行冷卻，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，夏季空氣溫度達(dá)35 ℃以上時(shí)需要空調(diào)輔助制冷降低室內(nèi)溫度，且因?yàn)樽冾l器換風(fēng)量較大，空調(diào)基本屬于滿負(fù)荷運(yùn)行，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析2018—2020 年度平均值，得知空調(diào)需要運(yùn)行時(shí)長為600 h 左右。

表2 變頻器冷卻冷卻方式比較表

外循環(huán)空冷方式全年電量：

式中：Pe為空調(diào)電功率，值為10.6 kW；T 為運(yùn)行時(shí)間，取值600h。

（2）內(nèi)循環(huán)空冷方式完全使用空調(diào)制冷方式進(jìn)行，故變頻器產(chǎn)生的熱量完全需要空調(diào)制冷解決。

變頻器元件的總發(fā)熱量［4］：

式中：Pb為變頻器功率（容量），值為630；η 為變頻器效率，一般為96%。

內(nèi)循環(huán)空冷方式全年電量：

式中：EER 為能耗比，取值2.6；T 為運(yùn)行時(shí)間，取值7 000 h。

（3）根據(jù)變頻器元件的總發(fā)熱量25.2 kW，空-水冷卻方式選型OZAF-100T-30(30 kW 制冷量)空水冷機(jī)，機(jī)身風(fēng)扇功率1.5 kW，接入閉式水系統(tǒng)水流量8 m3/h，折算水流量電功率為1.88 kW。

空氣-水冷卻方式全年電量：

式中：Pf為風(fēng)扇功率，取值1.5 kW；Ps為水流量電功率，取值1.88kW；T 為運(yùn)行時(shí)間，取值7 000 h。

2.3 改造方案的選擇

經(jīng)過安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合比較并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，認(rèn)為空-水冷卻方式為最佳改造方案，該方案具有以下特點(diǎn)。

2.3.1 密閉冷卻，安全性高

整個(gè)冷卻過程中，風(fēng)流均在變頻器內(nèi)部循環(huán)，減少沿海地區(qū)空氣潮濕、含鹽量高的影響，同時(shí)也保證外部粉塵不易進(jìn)入變頻器室內(nèi)，提高了變頻器內(nèi)電氣元件運(yùn)行的安全性。

2.3.2 技術(shù)可靠，穩(wěn)定性強(qiáng)

改造過程直接購置一體式空-水冷機(jī)，經(jīng)過專業(yè)設(shè)計(jì)的空-水冷機(jī)的循環(huán)風(fēng)速、冷卻水量、換熱面積等參數(shù)有很好的適配性，加之設(shè)備冷卻水源選擇清潔、可靠、穩(wěn)定的機(jī)組閉式冷卻水，大大保證了冷卻效果；為了防止空水冷裝置故障造成變頻器室無法冷卻降溫，設(shè)置了應(yīng)急排風(fēng)口，打開應(yīng)急排風(fēng)口后能使用空冷外循環(huán)方式進(jìn)行應(yīng)急冷卻，提高冷卻方式的可靠性。

2.3.3 節(jié)能減排，經(jīng)濟(jì)性好

設(shè)備一次性投資后可以長期使用，基本沒有日常運(yùn)行費(fèi)用；設(shè)備冷卻水源來自公用系統(tǒng)的閉式水，減少了輔機(jī)設(shè)備的投入和能耗；設(shè)備運(yùn)行能耗值僅為空冷內(nèi)循環(huán)的1/3，降低了廠用電耗，節(jié)約運(yùn)行成本。

3 改造方案的實(shí)施

3.1 空-水冷設(shè)備參數(shù)及配置

以制冷量30 kW 的空-水冷設(shè)備為例，參數(shù)及配置見表3。

表3 空-水冷設(shè)備參數(shù)及配置

3.3 空-水冷設(shè)備的改造安裝

以某熱電廠二次風(fēng)機(jī)變頻器室為例（見圖1），對變頻器室內(nèi)部兩個(gè)換氣窗以及室外的兩個(gè)排風(fēng)口進(jìn)行封堵，將原有的外循環(huán)改為內(nèi)循環(huán)；將兩個(gè)排風(fēng)口使用風(fēng)道進(jìn)行連接并在中間位置引一條風(fēng)道與空-水冷器入風(fēng)口相連；將空-水冷器出風(fēng)口位置墻面鑿穿對接出風(fēng)口并設(shè)置粉塵過濾網(wǎng)；設(shè)備冷卻水源取自二次風(fēng)機(jī)旁的閉式水進(jìn)出水母管，因閉式水溫26 ℃～28 ℃，水壓為0.5 MPa，大于設(shè)備水流工作壓力，故在設(shè)備進(jìn)口處設(shè)置一二次閥門及壓力表，二次門用于調(diào)整冷卻水壓力，在設(shè)備出水側(cè)安裝一道截止門；設(shè)備電源取自變頻器室空調(diào)電源；設(shè)備改造到位后原有的空調(diào)不拆除，用作應(yīng)急備用。

3.4 應(yīng)用效果

某熱電廠將二次風(fēng)機(jī)變頻器原有的外循環(huán)空冷方式改造為空-水冷內(nèi)循環(huán)方式，安裝了一套空-水冷設(shè)備，充分利用就近的閉式水做完設(shè)備冷卻水源，使用過程中閉式泵電流無明顯增加，水側(cè)循環(huán)電耗忽略不計(jì)。在使用的半年時(shí)間里變頻室內(nèi)溫度平穩(wěn)控制，未出現(xiàn)較大波動(dòng)的現(xiàn)象，更明顯得到改善的是變頻器室內(nèi)的環(huán)境的清潔度，給常年運(yùn)行的變頻器內(nèi)部創(chuàng)造了安全的空氣環(huán)境。

4 結(jié)語

通過分析電廠變頻器冷卻方式存在的問題的現(xiàn)狀，比較分析三種冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選用空-水冷卻方式在二次風(fēng)機(jī)變頻室上應(yīng)用，效果較好。采用空-水冷卻方式從經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性、技術(shù)先進(jìn)性都具有推廣的意義。考慮電力行業(yè)變頻器常年運(yùn)行，改造空-水冷卻方式過程需要固定的檢修時(shí)間段進(jìn)行，改造前可以嘗試將外循環(huán)空冷方式改造為內(nèi)循環(huán)空冷方式作為過渡階段，避免空氣潔凈度不夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行造成風(fēng)險(xiǎn)。