高效节能循环利用空水冷系统在风机变频器上的应用.docx
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高效节能循环利用空水冷系统在风机变频器上的应用
环保节能高效空水冷系统在风机
变频器上的应用
0.前言
目前，作为节能降耗主要产品的高压变频设备已经在电力发电领域得到了广泛应用，并发挥着越来越重要的作用。
但由于变频器中的电力电子功率器件在正常的运行过程中会发热，而这些热量又都散失在柜体内部，最终使得变频器内的温度升高；同时电力电子功率器件处于正常工作时的壳体温度不能超过85℃，如果温度过高，变频器就会过热保护，自动跳闸。
这就要求设计中必须采取一定的冷却措施，降低变频器运行环境温度，以确保高压变频设备处于正常、稳定的工作状态。
目前广泛使用的变频器室冷却方式主要是风道开放式冷却和空调密闭冷却方式，两者在实际应用中都存在一定的弊端，前者严重受现场环境限制，造成变频器故障率高，检修成本昂贵；后者耗电量大，后期维护成本高且不环保。
在这种情况下，很多电厂都对现有的冷却方式进行了改造，其中环保、节能、高效的空水冷冷却方式得到了众多电厂的认可。
1.改造背景
xxx电厂目前机组容量为2×135MW机组，两台440t/h循环流化床锅炉，每台锅炉配套两台一次风机，两台二次风机、两台引风机。
现各台风机均采用变频方式运行，变频器冷却方式是从风机（一、二次风机或引风机）入口接一路管道至变频器，利用运行风机入口形成的负压吸风建立开放式自然外循环风冷冷却。
日常运行时，变频器小室内被抽成微负压状态，虽然变频器小室进风口加装了滤网，但外界灰层仍大量进入变频小室，一定程度上影响了相关电子元件寿命，也增加了人力清灰强度。
因此为改善变频器运行环境，根据现场实际情况，对高压变频器的冷却方式进行了配套的空水冷改造。
2.空水冷系统的工作原理与主要特点
2.1空水冷系统工作原理
空水冷系统主要是由变频器室内冷热分区、轴流风机、换热器三部分组成。
风的走向为：
室内冷风区-→变频器-→风机-→室内热风区-→轴流风机-→换热器-→室内冷风区-→变频器。
即室内冷空气进入变频器，流经需要冷却的电气模块，通过柜顶风机排出至热风区，热量在轴流风机的送风作用下吹到换热器上（铜管上穿散热翅片），换热器的铜管中流入温度低于30℃冷却水，热风经过散热片后，将热量传递给冷水，其热量被循环冷却水带走，变成冷风从散热片吹出，经过风管送到安装变频器的封闭室内。
保证变频器安装空间内的环境温度不高于45℃，以确保进入变频器柜的空气温度不高于45℃。
2.2空水冷系统主要特点
（1）安全环保
该装置的运行既不会受到其主要运用场合－重化工行业环境污染的影响，也不会对周围环境产生新的污染。
冷却风在装置构成的密封空间中循环流动，进行热交换的空气能够保持其洁净度、不受外界环境污染；冷却水采用电厂循环水，吸收热量后排入冷却塔，重复使用，无废水、废气、热量外排，非常环保；而且冷却系统换热装置设置在变频器室外，避免了冷却水管线在高压室内布局容易出现破裂后漏水危险及高压设备运行安全的严重事故发生，安全可靠性高。
（2）高效节能
变频器室内采用冷热区隔离，并通过风道直接与换热装置连接，提高了冷却系统的设备运行效率，能够对变频器排出的热量直接降温处理，即使在高温的夏季，室内温度也完全符合变频器运行要求。
而且运行方式灵活，可以根据季节特点选择不同的运行方式，节约系统运行成本进而达到节能降耗的目的。
（3）简单经济
装置结构简单、实用，安装、使用和维护的成本低廉。
该装置充分利用现有高压变频设备的散热途径，无须对现有的高压变频设备进行大规模的技术改造，只要配置一个轴流风机、一个换热器和通风连接管道，就能够较好地解决了现有的各种高压变频设备在散热技术上的各种缺陷。
投资上属于一次性投资，安装后基本可以实现零维护，与空调冷却及外循环冷却相比更经济。
3.改造方案
3.1变频器室冷却装置的设计安装
图1空水冷系统结构原理图
每个变频器室设计配有两组空水冷冷却器，单台冷却器制冷量为60KW，配备两台额定功率为3KW的冷却风机。
冷却器安装室外，冷却器基础设计为现浇混凝土基础，挖土深度至原始土层，预埋固定水冷柜的地脚螺栓。
变频室用防火夹心隔热板在变频器柜上、下部隔离出热风区和冷风区。
变频器柜产生的热量经柜顶风机排到热风区，由冷却器内风机抽到冷却器内，换热器的铜管（或钢管）中流有温度低于30℃冷水作为冷却介质，热风经过散热片后，将热量传递给冷水，其热量被循环冷却水带走，变成冷风从散热片吹出，经过风管送到安装变频器的封闭室内。
保证变频器安装空间内的环境温度不高于45℃，以确保进入变频器柜的空气温度不高于45℃。
冷却后的冷风送到变频器室下部，再由柜顶风机抽到变频器柜内部对变频器元件进行冷却，热风排到热风区，循环往复。
3.2冷却水管道的设计安装
图2冷却水管道结构原理图
冷却水采用开式循环方式。
冷却水来自循环水，水温最高33℃，可供抽取的最大水量为340T/H，水压0.1MPa。
冷水自循环水管引到冷却水泵（一用一备）经加压后进入冷却母管分配到各冷却器，由冷却器出来的热水回到冷却塔。
根据现场实际情况，在满足技术要求前提下，安装2台45kw扬程32m流量320t/h立式管道加压泵。
冷却水进水母管管道采用219*8无缝钢管，采用管道托架架空布置；回水母管用219*6螺旋焊管，地下埋设引至循环水冷却塔。
所用管道均进行内外壁除锈，刷防腐漆三遍。
3.3设备参数选择
表1变频器冷却系统设备参数
项目名称
单位
设计数据
备注
冷却泵（2台）
型号\型式
TSG200-400管道离心泵
长沙中联泵业
转速
r/min
1450
流量Q
t/h
320
扬程H
m
32
功率N
KW
45
电动机（2台）
型号
YE2-225M-4
功率
KW
45
电压
V
380
电流
A
84.7
转速
r/min
1475
重量290kg
变频器空气水冷柜
产品型号：
HD*WG*270*60冷量：
60KW
盘管规格：
4R*26孔*2000电机功率：
3KW*2
皮带型号：
1850mm电加热：
2KWU型
风机规格：
YKF-20皮带轮：
大250-2小100-2
设备编号：
05169-01外形尺寸：
2360*1400*1930
宽频三相异步电动机
标准：
Q/JS-2012PI54380V
功率：
3KW50Hz1430r/min6.7A
频率使用范围30-60Hz功率因数：
0.82接法：
Y型
恒功率频率使用范围：
50-60Hz
4.生产实践中的应用
4.1增压水泵运行方式
（1）增压水泵采用更经济的变频方式运行，备用泵也处于变频方式备用。
备用泵处于备用时，频率自动跟踪运行泵频率，当运行泵跳闸，备用泵联锁启动，频率自动加至运行泵跳闸时频率。
（2）增压水泵备用时，出口电动蝶阀处于全开位。
（3）增压水泵和出口电动蝶阀联锁无投切开关。
泵运行时出口电动蝶阀联锁开启，泵跳闸时出口电动蝶阀关闭。
（4）增压水泵设有旁路，冬季可停运增压水泵，通过旁路利用循环水自身压力建立循环，对变频器冷却器进行换热后排入冷水塔。
4.2变频器冷却器运行方式
（1）每个变频器室设计有两组冷却器，每个冷却器配备两组冷却风机，每组冷却器可实现独立控制启停。
多台冷却器的设计在提高了运行可靠性的情况下，同时可根据季节特点、变频器负荷高低灵活选择冷却器运行台数，在保证变频器运行环境温度的情况下实现节能目的。
（2）变频器柜顶风机的设计，完全是为了提高冷却风的流动性，如果柜顶风机故障或停运，由于冷却器冷却风机在变频器室内建立正压，通过变频器柜顶风机的通道也可以建立自然的冷风循环，完全不会影响变频器的冷却效果。
（3）冷却器换热器故障或冷却水系统故障处理措施。
此类故障出现后冷却器将无法实现换热，处理办法是将冷却器冷却风机的进出口盖板全部打开，在换热器上方通过盖板进行封堵，使原来的闭式循环变为开式自然风循环，此方法在运行中已经得到实践，在正常运行工况下完全满足变频器的冷却要求。
5.改造效果分析
5.1空水冷密闭冷却与传统柜机空调节能对比
一次风机、二次风机、引风机共12台变频器，6个变频器室，进行空水冷改造后，每个变频器室配备两组冷却器，共12组冷却器。
每组冷却器的额定制冷量为60KW，12组冷却器总制冷量为720KW，按照夏季最极端的气温条件考虑，空冷器全部冷却风机运行，增压泵额定出力工作，则每小时耗电量为12*3KW*2+45KW=117KW，能效比为6.2；如果使用传统的柜机空调进行冷却，达到同样720KW的制冷量，则需要10P（10P空调的制冷量为24000W）的空调30台，小时耗电量为30*10*0.735KW=220.5KW（按照国际换算标准，1P空调的输入功率为735W），能效比为3.3。
表3空水冷密闭冷却与传统柜机空调耗电对比
冷却方式
空-水冷密闭冷却
传统柜机空调冷却
设备安装数量
12组
30台
空调匹数
300P
总制冷量
720KW
720KW
能效比
6.2
3.3
额定负荷耗电量/小时
117KW
220.5KW
每天运行费用
1179元
2223元
运行成本比较
53%
100%
（备注：
能效比=总制冷量/小时输入功率）
按照电价0.42元/度，则空调冷却方式运行成本为2223元/日，空水冷冷却方式运行成本为1179元/日，是空调冷却成本的53%。
通过实践应用证明，系统增压泵只需要在7、8、9月份的高温天气使用，其他月份均可停用，在不使用增压泵的情况下成本可降低到空调冷却成本的33%；通过调试试验分析，冬季环境温度低，冷却水温度低，可以实现停运增压泵与轴流风机单独依靠变频器自身柜顶风机建立冷却循环，因此冬季可以实现0运维成本。
综合各个季节特点不同运行方式下，每年可节约运行成本60万以上。
另外，空水冷投入为一次性投资，后期基本实现零维护，而空调机组后期的维护费用较大，与空调冷却相比每年可节约维护成本在15万以上。
从长周期应用比较，通常空水冷系统的使用寿命是空调设备的5～8倍，因此单维护费用一项可节约75万～120万。
5.2改善运行环境，提高了变频器工作可靠性
采用开放自然风循环冷却方式，从风机入口接一路管道至变频器，抽风冷却。
日常运行时，变频器小室内被抽成微负压状态，虽然变频器小室进风口加装了滤网，但考虑冷却风量滤网不可过密，外界细灰仍大量进入变频小室，一定程度上影响了电子元件寿命。
改造前，统计因运行环境差造成的单元过热、单元模块损坏事故近12起/年，更换和修理费用达到70万以上；改造后，采用空水冷密闭冷却，变频器工作环境与外界隔离，完全克服了外界灰尘大对变频器的影响。
变频器基本可以实现日常免清理、免维护，只需停运检修时进行集中清理。
通过改造，即提高了变频器工作的可靠性，又减少了日常维护量，每年可节约更换和维护费用70万以上。
减少因冷却系统原因造成变频器故障引起的机组降低出力，造成的间接经济损失80万以上。
5.3冷却效果理想，变频器发热得到控制
改造后的空水冷系统较原有的自然风循环冷却方式对变频器的冷却效果更好。
由于采用了换热装置，通过冷却水对进入变频器室内的风进行冷却，并通过送风机送入变频器室内，使变频器能够始终在低于环境温度的条件下工作。
另外，改造后完全是密闭环境，没有外界灰尘的污染，可以将变频器上的滤网拆除，冷却风量及风速更大更快，变频器得到的冷却效果更明显。
表2冷却器改造前后变频器温度对比
冷却方式
开放自然循环风冷却（改造前）
空水冷密闭冷却（改造后）
负荷（MW）
100
120
135
100
120
135
一次风机变频器
柜体温度（℃）
33
38
43
31
35
37
一次风机变频器
变压器温度（℃）
44
49
52
39
44
47
二次风机变频器
柜体温度（℃）
31
33
37
27
27
28
二次风机变频器
变压器温度（℃）
41
45
49
37
41
44
通过上表可见，改造后变频器变压器及单元柜体温度下降明显，冷却效果更好。
5.4运行方式灵活多变，有较大节能降耗空间
改造后冷却器工作方式灵活多变，可根据季节变化，环境温度不同调整工作方式，选择性启停系统的增压泵及各变频器冷却器。
如在冬季，环境温度低，可选择性停运增压泵，单独通过变频器柜顶风机建立风循环，在达到冷却效果的同时，节电效果也非常明显。
六、结论
实践表明，在进行空水冷密闭冷却改造后，无论是从应用性能，还是从经济性考虑，都取得了显著效果。
系统具有简单经济、高效节能、安全环保的特点，投资成本为一次性投资，本次改造投资金额为120万。
改造后每年可节约运维成本及因变频器故障造成的直接与间接经济损失250万以上，半年即可收回投资成本，经济性能非常可观。
而且改造后与常规的开放式自然风循环冷却相比，变频器工作温度平均降低3℃左右，工作环境得到了极大的改善，将大大降低变频器的故障率，并延长变频器的使用寿命。
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