曲阳金隅水泥厂高压变频室冷却方式的选择
水泥 广州能环电气机械科技有限公司 吴述明；曲阳金隅水泥有限公司 孙艳军 2018-10-25
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摘要：高压变频器属于大型电子设备，对环境要求比较严格。空水冷系统的应用可以很好的解决高压变频器在运行中的散热和防尘问题，为高压变频节能改造中降低冷却系统能耗，提高系统安全可靠性，提供重要的可借鉴经验。
关键词：空水冷系统；高压变频器；散热；节能
0 引言
曲阳金隅水泥有限公司位于河北省曲阳县灵山镇，拥有一条5000T/D新型干法水泥熟料生产线（带12MW余热发电）。各应用风机配有9台高压变频器，自投运以来，取得了明显的节能降耗效果。由于高压变频器应用中的设备散热和运行环境问题成为直接影响变频器自身运行可靠性和机组安全稳定的重要因素。而且，随着变频器装机容量和功率的增加，其辅助冷却系统的投资和运营成本也逐渐成为项目实施不可小觑的一个重要环节。如何选择配套适用的高压变频专用冷却系统，对提高设备安全稳定性能、降低辅助冷却系统的运营成本，实现高压变频节能项目收益最大化，具有积极意义。
1 系统配置
曲阳金隅水泥有限公司配置煤磨风机变频器变频室（630KW）， 水泥磨风机变频器变频室（4*630KW） , 窑尾风机变频器变频室（3150KW） , 窑头风机变频器变频室（1600KW） , 生料磨风机变频器变频室（4000KW+1600KW）共9台高压变频器安装在5个房间内、主要由以下三部分组成：控制柜、功率柜、变压器柜。其外形如图1所示。高压变频器使用多台离心风机进行散热。
图1
一般情况下，为了变频器能长期稳定和可靠地运行，对变频器的安装环境作如下要求：最低环境温度-5℃，最高环境温度40℃，工作环境的温度变化应不大于5℃/h。
当变频器满负荷工作时，其总损耗（转变为热量）不会高于系统额定功率的4%，比如1000kW变频器满负荷工作时，最高损耗约为40kW。如此大的热量如果全部排放到安装变频器的室内，将会使室内温度迅速升高，严重影响变频器的正常运行。因此，应考虑配备相应的散热设备。
2 高压变频冷却方式
2.1 直排热风式式冷却
采用直排热风式的散热方案（其示意图如图2所示），将变频器产生的热风经风道引至室外，然后将室外自然风经变频室滤网引至变频室对变频器进行冷却；此方案具有经济、简单的优点，缺点是对环境的适应性不高，特别是在高温、高湿、高粉尘的环境下散热效果与运行安全会大幅下降；另外，水泥厂环境比较恶劣，空气中粉尘含量高，对变频器中的电子元器件是一种威胁，高速含尘的风通过风道极易造成风道内空气过滤棉堵塞，造成变频器内形成负压，不利于散热，同时增加更换空气过滤棉的频度。
图2
2.2 空调冷却
2.2.1 制冷量的计算
本文以曲阳金隅水泥变频室为例，变频器发热根据运行工况选择，最大发热量为变频器额定功率的4%，如果使用空调冷却，则发热量可按照变频器额定功率的2.5%进行估算。
根据上述原则金隅水泥高压变频室9台变频器总发热量为（5*630KW+3150KW+2*1600KW+4000KW）×2.5%＝338kW
按照房间实用面积计算空间，单独空间制冷所需的空调容量，一般每平方米可以按照150瓦特计算。初步估算5间高压变频室(总面积436m2)空间制冷量为436×150＝65 kW
空调总体的制冷量＝变频器的发热量＋空间制冷所需的制冷量＝338KW＋65kW＝403 kW
2.2.2 空调的选择
空调容量的确定原则为：按照变频器的发热量和控制室环境实用面积来选择空调的容量。（其示意图如图3所示）
空调配置功率：其用量约为403÷2.5（制冷比）＝161匹。
图3
2.3 空水冷系统冷却
空水冷却系统是一种利用高效、环保、节能的冷却系统，其应用技术在国内处于领先地位。从变频器出来的热风，经过风管连接到内有固定水冷管的散热器中，散热器中通过温度低于33℃的冷水，热风经过散热片后，将热量传递给冷水，变成冷风从散热片吹出，热量被循环冷却水带走，保证变频器控制室内的环境温度不高于40℃。主要由增压风机、风道、冷却器、智能控制系统等设备组成。
安装空水冷散热装置，要求必须在密闭环境中，为了提高冷却效果，安放设备的空间尽可能小。流入空水冷散热装置的水为工业循环水，为保护设备，要求循环水的PH值为中性，且无腐蚀损坏铜铁的杂质，进水的水压一般为0.1～0.5Mpa，进水温度≤33℃。
根据变频器的发热参数及现场实际情况，决定选用BPKL-80型水冷器2台（2台/4000KW变频器），BPKL-65型水冷器4台（2台/每台3150KW变频器,1台/每台1600KW变频器），BPKL-30型水冷器5台（1台/每台630KW变频器）作为金隅水泥5间高压变频室冷却系统的主要设备，空水冷示意图如图4、图5、图6所示：
图4
图5 图6
空水冷散热装置整体安装于高压变频器电气室墙外，采用风道与变频器的柜顶排气口直接连接，提高了冷却器的设备运行效率，能够对变频器排出的热气直接降温处理。同时，避免冷却水管线在高压室内布局容易出现破裂后漏水危及高压设备运行安全的严重事故发生。在空水冷散热系统的设计当中，为了防止空水冷散热装置出口侧凝露冷风带水排入室内，对空水冷散热装置的出风口、风速等指标进行设计计算；保证良好的排压情况下，运行安全稳定。由于空水冷散热系统是闭式循环，彻底解决了变频室外空气湿度大、粉尘多对变频器的影响。
2.4 高压变频器冷却方式比较
方式 项目 | 直排热风式式冷却 | 空调制冷冷却 | 空水冷装置冷却 |
可靠、稳定性 | 可靠性差、受环境影响 | 可靠稳定，不受外界环境影响 | 可靠稳定，不受外界环境影响 |
经济性 | 投资成本低、运行成本非常低 | 投资成本较高、运行成本高 | 投资成本较高、运行成本低 |
运行环境 | 受外界环境粉尘影响 | 环境粉尘少 | 环境粉尘少 |
维护 | 维护周期短、一般一周维护一次 | 维护周期中等，室外机需经常清洗 | 维护周期长，一般半年至一年对换热本体清洗一次 |
使用寿命 | 风道可长期使用，滤网跟换频率极高 |
2-5年需要跟换 |
8-10年 |
3 效果检查
2018年7月-8月 窑尾电力室高压变频器满负荷运行，我们对窑尾电力室高压变频器变频室（3150KW）运行情况进行了检查，检查情况：
变频器 | 输入电流（A） | 输入电压（V） | 运行频率 （Hz） | 变压器三相绕组温度（℃） | ||
A相 | B相 | C相 | ||||
窑尾风机变频室3150KW高压变频器 | 140.6 | 9735 | 43.64 | 44 | 38 | 42 |
现场检查情况如下：
4 年运行费用统计
4.1 采用空调冷却的费用
根据2.2.2的分析计算，发热量为317KW的变频室需采用127匹的空调冷却，则
⑴ 年耗电费＝161×0.735×8000（h）×0.4元/度＝38万元。
⑵ 设备费用约80万元/台。
4.2 采用空水冷系统冷却的费用
根据2.3的分析，主要费用有：
⑴ 年耗电量＝11台×2.2kw×8000（h）×0.4元/度＝7.7万元；
⑵ 设备费用（含现场安装调试费）约为57万元；
⑶ 循环水费用则依现场实际情况而定，用量有限。
5 总结
我们可以看出采用空水冷系统的电费只占空调运行费用的20% ，即该系统比空调制冷节能80%，而建成完整空水冷系统的费用与空调两年的运行费用基本相当（实际费用依工程量不同有所增减）。
因此高压变频等大功率热源设备的冷却系统可依据各企业情况确定：
⑴ 直排热风式适应于市政供水、燃气发电等运行环境粉尘少、变频容量小的应用现场；
⑵ 空调制冷法适应于原有中央空调或工业空调，而且有足够余量的企业；
⑶ 空水冷系统则非常适合自有循环冷却水的企业（如：水泥厂、电厂、钢铁厂、冶炼厂等），而且变频总容量越大越经济；
⑷ 对于冶炼、矿山、煤炭等没有专用循环冷却水或水量不足的企业，可以由空水冷系统厂家做专门设计，以达到相应制冷效果。
作者简介：
吴述明 男 工程师 专业从事电气设备制冷设计、生产、成套、安装。就职广州能环电气机械科技有限公司 电话：020-39237846
孙艳军 男 电气部长 就职于曲阳金隅水泥有限公司 电话：0312-4232068
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