王川江

（新疆昌源水務(wù)集團(tuán)有限公司，新疆 昌吉 830000）

高壓變頻器冷卻方式的改進(jìn)應(yīng)用

王川江

（新疆昌源水務(wù)集團(tuán)有限公司，新疆 昌吉 830000）

根據(jù)新疆五彩灣二級(jí)供水工程當(dāng)?shù)毓ぷ魅藛T對(duì)變頻器運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題的描述反饋，及設(shè)計(jì)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地考察，確定高壓變頻器風(fēng)道開(kāi)放式冷卻方式在實(shí)際工程中存在缺陷。通過(guò)對(duì)比分析現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外主流的變頻器冷卻方式的不同原理和應(yīng)用條件，及實(shí)驗(yàn)室多次仿真模擬試驗(yàn)，找出適合新疆五彩灣當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件和技術(shù)條件下的最佳變頻器冷卻方式——空-水冷冷卻方式，并在五彩灣二級(jí)供水工程一級(jí)泵站中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用改進(jìn)。

供水工程 高壓變頻器 冷卻散熱 風(fēng)道開(kāi)放式冷卻 空-水冷冷卻

0 引言

高壓變頻器在市政供水工程中的實(shí)際應(yīng)用越來(lái)越廣泛。因此，對(duì)其穩(wěn)定性能的要求也越來(lái)越高，而冷卻散熱則是影響變頻器穩(wěn)定性能的重要指標(biāo)。本文結(jié)合新疆準(zhǔn)東五彩灣供水工程二級(jí)泵站中風(fēng)道開(kāi)放式冷卻實(shí)際出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)一級(jí)泵站變頻器冷卻方式進(jìn)行改進(jìn)，保證變頻器運(yùn)行中的穩(wěn)定性能。

1 工程分析

1.1 工程概述

五彩灣二級(jí)供水工程位于新疆準(zhǔn)東煤電煤化工產(chǎn)業(yè)帶五彩灣工業(yè)園區(qū)，近期建設(shè)規(guī)模8 700萬(wàn)m3/年，遠(yuǎn)期建設(shè)規(guī)模13 000萬(wàn)m3/年。供水系統(tǒng)從五彩灣蓄水池分水口引水，供水干管沿規(guī)劃的五彩路敷設(shè)至湖北宜化公司五彩灣部，管道總長(zhǎng)約19 km，途經(jīng)各企業(yè)時(shí)預(yù)留分水口。系統(tǒng)共設(shè)二級(jí)加壓泵站。第二級(jí)加壓泵站已于2011年投入運(yùn)行，其總裝機(jī)容量為4×2 000 kW。泵站近期裝設(shè)3臺(tái)泵組（2用1備），遠(yuǎn)期增加1臺(tái)泵組（3用1備），設(shè)計(jì)流量參數(shù)為3.860 m3/s，揚(yáng)程118 m。一級(jí)加壓泵站目前已設(shè)計(jì)施工完畢，近期裝2×2 000 kW +2×1 000 kW泵組（3用1備），設(shè)計(jì)流量為2.759 m3/s，遠(yuǎn)期增加1臺(tái)2 000 kW泵組（4用1備），設(shè)計(jì)流量為4.122m3/s，揚(yáng)程96m。一級(jí)泵站和二級(jí)泵站所有泵組高壓電機(jī)均采用變頻方式運(yùn)行。

1.2 問(wèn)題分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工作人員每日的實(shí)測(cè)記錄和觀察發(fā)現(xiàn)，二級(jí)加壓泵站自運(yùn)行以來(lái)出現(xiàn)的問(wèn)題匯總?cè)缦隆?/p>

①高壓變頻設(shè)備故障率比較高，尤其是在夏季高溫季節(jié)，機(jī)組設(shè)備跳閘頻繁，經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)和翻修。

②變頻器室風(fēng)沙較大，地面上經(jīng)常有很重的灰塵和細(xì)小顆粒，雖然后期及時(shí)安裝防風(fēng)百葉窗，但仍然解決不了問(wèn)題。由于變頻器散熱等原因，其防護(hù)等級(jí)一般不超過(guò)IP2X，房間內(nèi)灰塵極易附著在變頻器內(nèi)，對(duì)變頻器產(chǎn)生極大的安全隱患。

對(duì)問(wèn)題一進(jìn)行分析。高壓變頻器最大散熱功率一般是變頻器額定功率的4％，即3×2 000×4％=240 kW。同時(shí)，考慮到在夏天高溫季節(jié)且在供水高峰期階段，加上二次風(fēng)機(jī)及房間的散熱，散發(fā)的熱量預(yù)計(jì)可到300 kW。變頻設(shè)備散發(fā)的熱量大且不能及時(shí)冷卻降溫，當(dāng)變頻器設(shè)備處于溫度異常狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，報(bào)警信號(hào)自動(dòng)跳閘進(jìn)行自我保護(hù)。所以問(wèn)題一出現(xiàn)的主要原因是變頻器設(shè)備冷卻效果不好，熱量散發(fā)不出去［1］。

對(duì)問(wèn)題二進(jìn)行分析。新疆五彩灣地處戈壁荒漠地帶，屬中溫帶大陸性干旱氣候，最高/低氣溫：+41.2/－49.8℃，常年多風(fēng)，風(fēng)力一般為4～5級(jí)，經(jīng)常有7～8級(jí)大風(fēng)，最大可達(dá)10級(jí)以上，且地處戈壁灘，風(fēng)中含沙塵較多。變頻器熱風(fēng)經(jīng)風(fēng)道排出后，變頻器室產(chǎn)生負(fù)壓，風(fēng)沙灰塵會(huì)同冷風(fēng)一起從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入變頻器室，從而進(jìn)入變頻柜。雖然采用防風(fēng)沙百葉窗進(jìn)行改良，但是由于房間負(fù)壓進(jìn)風(fēng)，外界風(fēng)沙過(guò)大，依然無(wú)法解決細(xì)小灰塵的進(jìn)入，解決不了實(shí)際問(wèn)題。所以問(wèn)題二出現(xiàn)的主要原因是冷卻裝置進(jìn)風(fēng)口直接排向室外，受到外界環(huán)境影響較大［2］。

綜上所述，兩個(gè)問(wèn)題均是由變頻器冷卻方式引起。供水工程二級(jí)加壓泵站變頻器采用的是風(fēng)道開(kāi)放式冷卻，這種冷卻方式直接在變頻器墻壁上開(kāi)通風(fēng)口，冷風(fēng)經(jīng)變頻室通風(fēng)入口濾網(wǎng)進(jìn)入變頻器，對(duì)機(jī)體冷卻后再由變頻器風(fēng)道出風(fēng)口將熱風(fēng)排出［3］。雖然這種冷卻方式安裝簡(jiǎn)單，費(fèi)用低廉，但是這種冷卻方式直接將入風(fēng)口、出風(fēng)口開(kāi)向外界環(huán)境，高壓變頻器運(yùn)行的穩(wěn)定性受泵站周邊地區(qū)環(huán)境影響較大。

風(fēng)道開(kāi)放式冷卻過(guò)程如圖1所示。

圖1 風(fēng)道開(kāi)放式冷卻過(guò)程Fig.1 Air duct open type cooling process

2 工程改進(jìn)

結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件及所述原因，必須對(duì)五彩灣供水工程一級(jí)泵站高壓變頻器的冷卻方式進(jìn)行改進(jìn)。目前，國(guó)內(nèi)高壓變頻器常用的冷卻方式主要有4種：風(fēng)道開(kāi)放式冷卻、空調(diào)密閉冷卻、空-水冷密閉冷卻、設(shè)備本體水冷卻［4］。

其中，風(fēng)道開(kāi)放式冷卻不適用于環(huán)境條件特殊的五彩灣地區(qū)?？照{(diào)密閉冷卻顯然是通過(guò)空調(diào)降溫對(duì)室內(nèi)環(huán)境及變頻器進(jìn)行降溫。通過(guò)分析，變頻器室產(chǎn)生的熱量高達(dá) 300 kW，而1P空調(diào)的制冷量大約為2.3 kW，采用空調(diào)密閉冷卻需要空調(diào)設(shè)備，成本太高，不太現(xiàn)實(shí)。設(shè)備本體水冷卻雖然冷卻效果好，但水循環(huán)系統(tǒng)工藝要求高，安裝復(fù)雜，維護(hù)工作量大，而且一旦漏水，會(huì)帶來(lái)安全隱患。一般不建議采用設(shè)備本體水冷卻方式。下面詳細(xì)介紹空-水冷冷卻方式。

2.1 空-水冷冷卻原理

空-水冷冷卻是將水作為冷卻介質(zhì)在熱交換器內(nèi)流動(dòng)，而被冷卻的風(fēng)（空氣）在熱交換器外流動(dòng)，通過(guò)流動(dòng)進(jìn)行冷卻。從變頻器出來(lái)的熱風(fēng)連接到散熱器，熱風(fēng)經(jīng)散熱片后將熱量傳遞給散熱片中的冷水，變成冷風(fēng)吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，保證變頻器控制室內(nèi)環(huán)境溫度不高于40℃［5］。

空-水冷冷卻采用獨(dú)立封閉冷卻裝置，變頻器通過(guò)專(zhuān)門(mén)管道與冷卻裝置相連接。它的冷卻循環(huán)分為外循環(huán)過(guò)程（風(fēng)路）和內(nèi)循環(huán)過(guò)程（水路）兩個(gè)過(guò)程。

①外循環(huán)過(guò)程（風(fēng)路）

變頻器柜和功率柜內(nèi)產(chǎn)生的熱空氣進(jìn)入風(fēng)道管，通過(guò)風(fēng)道管進(jìn)入空水冷卻裝置；空水冷卻裝置進(jìn)行冷卻后的冷空氣再次進(jìn)入變頻器和功率柜，對(duì)變頻器進(jìn)行冷卻，產(chǎn)生的熱空氣再次進(jìn)入風(fēng)道管，如此循環(huán)進(jìn)行冷卻［6］。

空-水冷風(fēng)路循環(huán)過(guò)程示意圖如圖2所示。

②內(nèi)循環(huán)過(guò)程（水路）

內(nèi)循環(huán)過(guò)程主要是針對(duì)空水冷冷卻裝置內(nèi)部的循環(huán)，是空-水冷冷卻裝置的原理過(guò)程。溫度比較低的冷卻水由空-水冷冷卻裝置進(jìn)入換熱器，通過(guò)換熱流出；而被加熱的冷卻水流到冷卻塔進(jìn)行冷卻，經(jīng)冷卻降溫的冷卻水經(jīng)水泵再次進(jìn)入換熱器對(duì)循環(huán)空氣冷卻，如此循環(huán)［7］。

空-水冷水路循環(huán)過(guò)程示意圖如圖3所示。空-水冷冷卻方式設(shè)備應(yīng)用技術(shù)在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，它具有如下特點(diǎn)：

①安裝簡(jiǎn)單、快捷，故障率低；

②采用專(zhuān)用管道冷卻，不受外界影響；

③通過(guò)內(nèi)部循環(huán)冷卻，空氣比傳統(tǒng)直接外界通風(fēng)冷卻清潔，濾網(wǎng)免清洗周期長(zhǎng)，變頻器維護(hù)量低；

④冷卻水管線不在柜體高壓區(qū)內(nèi)布置，可防止漏水等危及高壓器件的運(yùn)行。

通過(guò)分析比較4種冷卻方式，五彩灣供水工程一級(jí)泵站高壓變頻器最適合的冷卻方式是空-水冷冷卻。

2.2 空-水冷冷卻應(yīng)用

本工程一級(jí)加壓泵站變頻器共有4臺(tái)變頻器機(jī)組（2×2 000 kW+2×1 000 kW），每臺(tái)配置一套空水冷卻裝置，4臺(tái)空水冷裝置的進(jìn)出水口并聯(lián)在總進(jìn)出水管上。單臺(tái)變頻器故障時(shí)，可以啟動(dòng)備用變頻器，不會(huì)對(duì)冷卻裝置產(chǎn)生影響。

空-水冷冷卻水需要滿足以下幾個(gè)條件。

①現(xiàn)場(chǎng)必須有提供工業(yè)冷卻水的條件，且水溫不能高于30℃。

②冷卻系統(tǒng)換熱器入口水壓及回水水壓必須滿足以下數(shù)值范圍：入口水壓0.3～0.6 MPa，回水壓力0.08～0.15MPa。

③冷卻水要求pH值大于7.2，水質(zhì)沒(méi)有大的懸浮物和雜質(zhì)等。

④冷卻水的循環(huán)冷卻水量≥90m3/h［8］。

在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝時(shí)需要采用以下措施。

①變頻器與熱交換器需要分開(kāi)兩排布置，兩者安裝間距必須相隔2m以上。熱交換器柜需要設(shè)置排水溝，防止冷卻水漏水。同時(shí)，可以收集冷卻凝結(jié)水，避免漏水或者管道破裂等引起安全事故發(fā)生。

②在總的進(jìn)水口、出水口必須設(shè)置蝶閥。為了保證流量要求，管道的管徑必須通過(guò)計(jì)算確定，通過(guò)計(jì)算為DE140管材。

③為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)各指標(biāo)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，在總進(jìn)水口設(shè)置流量檢測(cè)儀、壓力檢測(cè)儀、溫度檢測(cè)儀等儀表裝置［9］。

五彩灣供水工程一級(jí)泵站施工已經(jīng)完成，通過(guò)試運(yùn)行檢驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，設(shè)備運(yùn)行正常，沒(méi)有出現(xiàn)變頻器高溫跳閘現(xiàn)象；室內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生干凈，沒(méi)有出現(xiàn)風(fēng)沙灰塵多的現(xiàn)象。由此可知，相比風(fēng)道冷卻，空-水冷冷卻的效果令人滿意，但運(yùn)行是否存在其他問(wèn)題有待泵站長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行檢驗(yàn)。

與已經(jīng)運(yùn)行的二級(jí)泵站中的風(fēng)道冷卻方式相比，實(shí)際工程一級(jí)泵站中的空-水冷冷卻具有以下優(yōu)點(diǎn)。

① 空-水冷冷卻采用室內(nèi)密閉冷卻方式，干凈衛(wèi)生，變頻器維護(hù)量低。

②空-水冷冷卻無(wú)需清潔濾網(wǎng)，只需要定期（每隔一年或更長(zhǎng)時(shí)間）清洗管道［10］。

③ 如果發(fā)生事故，空-水冷冷卻方式可緊急采用自然通風(fēng)冷卻，不會(huì)影響設(shè)備，降低事故發(fā)生幾率。

雖然空-水冷冷卻裝置設(shè)備投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比風(fēng)道開(kāi)放式冷卻高，但考慮到實(shí)際工程中必須追求長(zhǎng)遠(yuǎn)期的綜合效益。從五彩灣的環(huán)境特點(diǎn)、供水的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和生產(chǎn)效益來(lái)看，空-水冷冷卻方式在新疆五彩灣供水工程中均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)4種不同冷卻方式的深入分析，以及在實(shí)驗(yàn)室的模擬仿真對(duì)比，充分顯示出空-水冷冷卻方式在環(huán)境條件惡劣地帶應(yīng)用中的明顯優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)該在惡劣環(huán)境及大功率產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。結(jié)合五彩灣二級(jí)供水工程所處地域環(huán)境、設(shè)備安全、綜合效益等多方面因素考慮，空-水冷冷卻均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它在實(shí)際應(yīng)用中避免了外界環(huán)境影響，提高了產(chǎn)品的安全穩(wěn)定性能，節(jié)約了二次能耗和維護(hù)成本，綜合效益得到很大的提高。另外，這種通過(guò)實(shí)際工程后的評(píng)價(jià)對(duì)其他相同環(huán)境的類(lèi)似項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)的方式，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，極大地節(jié)約了工程的成本。

［1］戴至前.大功率變頻器的冷卻問(wèn)題［J］.變頻器世界，2012（8）：81－83.

［2］代續(xù)續(xù)，劉奇，宋昊明.變頻器冷卻系統(tǒng)改造［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2013（1）：109－111.

［3］仲明振.低壓變頻器應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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Improvement and Application of the Cooling Mode for High Voltage Inverter

In accordance with the problems reflected by the local operators and the field investigation of the designing technicians for the inverters in Xinjiang Wucaiwan secondary water supply project，the defects are found in high voltage inverter air duct open type coolingmode.Through analyzing the different principles and operation conditions of the coolingmodes thatmostly and globally used for inverters，and testing by simulation，the best coolingmode of the invertermostly suitable is found for environmental conditions and technical background of Xinjiang Wucaiwan，i.e.，air-water coolingmode.The practical improvement is conducted in primary pumping station of this secondary water supply project.

Water supply project High voltage inverter Cooling and dissipating Air duct open type coolingmode Air-water coolingmode

TU85

A

修改稿收到日期：2014－02－17。

作者王川江（1966－），男，2001年畢業(yè)于首都經(jīng)貿(mào)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要研究方向?yàn)樗姽こ碳夹g(shù)及應(yīng)用。