潘权贤
中国石油化工股份有限公司长岭分公司
摘要: 变频技术已在各行业中得到广泛应用，其在节能降耗环节中发挥了重要作用，但是变频器在工作过程中会产生大量的热量，散热问题成为影响其自身运行可靠性和稳定性的重要因素，严重威胁变频器的安全运行。通过对一次风机变频器冷却系统进行改造，使用采用循环水作为冷却水的空水冷系统，对提高设备安全稳定性能，保证变频器的长周期稳定运行，环保节能，具有积极意义。
关键词: 变频器；冷却方式； 温度；环保节能
1、概述
近年来，随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展,作为节能降耗产品的变频设备已经在国民经济的许多领域（例如水泥、化工、石油、冶金、发电、煤矿等不同行业）得到了广泛应用，并发挥着越来越重要的作用。
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，产生过热保护，自动跳闸。据资料表明,在高压电力设备运行过程中,其故障率随温度升高而成指数上升，使用寿命随温度升高而成指数下降，环境温度每升高10℃, 变频器使用寿命就减半。
2、现状及存在问题
变频器的发热部件主要是两部分: 一是整流变压器，二是功率元件。功率元件的散热方式是关键。根据变频器应用经验的积累，目前广泛使用的冷却方式主要有风道开放式冷却和空调密闭冷却方式及空水冷却系统，前两者在应用中都存在一定弊端，风道开放式冷却由于功率单元内风机送走热风，使其进风处的柜内形成负压，容易积灰严重，造成变频器故障率高；空调密闭冷却方式容易形成混合循环区，耗电量大，能源二次浪费大，后期维护成本高。空水冷却系统利用风道将设备散出的热风通过水冷换热器换热冷却后再进入室内冷却器件冷却发热元件后在变成热风循环用风冷却。
3、改造设计
3.1、空水冷散热原理
将变频器的热风通过变频器顶部风机抽至风道直接通过空-水冷装置进行热交换，换热器中流过温度低于33 ℃的循环冷却水，热风将热量传递给循环水，由冷却水直接将变频器散失的热量带走；经过降温的冷风排回至变频器室内，冷却变频器各电气各元件，往复循环。即可以保证热风经过散热片后，将变频器室内的环境温度控制在35℃以内，满足设备对环境运行的要求，从而保证了室内良好的运行环境。
3.2、设计与安装
现场2台1800KW变频柜，单台功率柜和变压器柜共用1套空水冷装置，计划在变频器室外两侧安装2台空水冷装置。每台高压变频器采用1台BPKL-80KW水冷柜循环散热,每台变频器的风路独立，冷却器安装室外，并设计有防漏水的积液水盘，冷却器基础设计为现浇混凝土基础。高压变频器室用风机加风道收集变频器柜内热风，空水冷装置向内输送冷风。
冷却水可采用CFB装置真空泵旁循环水管道内循环水，因其满足空水冷却装置水温小于等于33℃，且能够提供入口水压在0.2~0.5MPa之间，回水压力在0.08~0.15MPa之间；总循环冷却水量为50t/h(单套空-水冷却系统25 t/h)的要求。循环水通过经防锈防腐的无缝钢管作为进水母管引流分配到各冷却器，由冷却器出来的热水回到循环水冷却塔。冷却器采用铜管套铝铂结构，并设计有冷却器运行、故障检测功能，冷却器预留远方启、停操作接口，提供漏水报警、风机故障报警信号（无源触点，闭合时表示故障），并提供与变频器的信号连接端子。
4高压变频器空水冷系统特点
4.1运行方式灵活，可靠性高
每台BPKL-80KW水冷柜将设计两组冷却器，每台冷却器配备两组增压冷却风机，每组增压冷却风机安装可靠，风机风压、风量冗余设计，每台风机电源单独控制，均可在远方、就地实现独立控制启停，随时切换，电气控制部分连接方便、可靠。
并且设计了检修门，保证风机的安装、更换、维护方便。每组冷却器运行、故障检测功能、报警等均可接入系统后台，实时对冷却器进行有效的监控。多台冷却器的设计能在提高了空水冷系统运行可靠性的前提下，同时可依据各个季节特点、高压变频器负荷高低，灵活选择冷却器投入运行的台数，这样既保证变频器运行在合适的环境温度下又达到了节能降耗的目的。
在热风的引风道尾端设置应急排空口，在空水冷设备检修或者故障情况下开启，并同时打开变频室门窗进风；这样热风经引风道通过应急排空口排出变频器，自然风经过风机进入变频器室内，使原来的空水冷却闭式循环变为风道开放式冷却。既可保证变频器稳定运行，能完全满足变频器的冷却要求。
4.2运行稳定、环保
空-水冷却系统的运行既不会受到CFB装置附近粉尘较多、环境温度高的影响，也不会对周边环境产生新的污染。变频器产生的热风与冷却器产生的冷却风在各装置内构成的密封空间中循环流动进行热量交换，循环风能够保持很高的洁净度、不受外界粉尘污染。冷却水采用CFB装置循环水，吸收热量后回水进入热电部已有的凉水塔，能够循环使用，环保效果显著。空-水冷却系统中冷却装置安装在高压变频器室外，并设计有防漏水的积液水盘，冷却水进回水管线均布置在高压变频器室外，有效的避免了因管线破裂漏水危及变频器运行安全的事故发生，安全稳定运行可靠性高，同时还能防止冷却器漏水造成的循环水外流，起到了非常好的环保效果。
4.3运行高效、节能
冷却器采用铜管套铝铂结构，冷却水工作水压为0.2-0.4Mpa；能在变频器满负荷运行、进水温度在最高33℃时，冷却器出风温度维持在38℃以下。铜管套铝铂结构能有效解决铜管易被循环水腐蚀的弊端，冷却器设计换热面积大，换热效果显著。冷却器设计有运行、故障检测功能，提供漏水报警、风机故障报警信号（无源触点，闭合时表示故障）功能，运行高效，可靠。空-水冷却系统具有结构简单、实用；安装、使用、维护方便，无须对一次风机高压变频器进行大规模的技术改造。
5 改造预期效果分析
5.1节能效果显著
进行空水冷改造后，一次风机变频器室配备2台空水冷装置。每组空水冷装置的额定制冷量80KW，总制冷量为160KW，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，耗电量6KW/h，能效比为26.6。如果使用空调密闭冷却，若要达到160KW制冷量，则需要10台的5P空调，耗电量40KW/h，能效比为4。按照运行部上缴电费0.64元/度算，空调密闭冷却方式运行成本为614.4元/日，空水冷冷却方式运行成本为92.16元/日，空水冷冷却是空调冷却成本的百分之十五。目前变频器室内运行5P空调3台，对比计算每年节约成本约为(3*4-6)*0.64*24*300=2.7万。从设备长周期运行比较，空调密闭冷却平均无故障运行时间为7000h，空-水冷却系统平均无故障运行时间为50000h。空水冷系统的使用寿命是空调设备的7倍左右，大大降低了变频器本体维护量，而且后期空调故障较高，维护费用较大，，因此仅维护费用便能节约一笔可观的费用。
5.2冷却效果理想，散热问题得到解决
由于空水冷系统采用密闭循环方式，环境干净，取消了高压变频器柜体过滤网，变频器整流单元及功率元件表面积灰很少，运行产生的热量会被迅速带走，变频器始终在合适的环境温度下工作，有效的保证了变频器的安全稳定运行。
6结束语
高压变频器在进行空水冷却系统改造后，在应用性能及经济性方面都将有较为显著的效果。空水冷却系统具有结构简单、运行经济、高效节能、安全环保的特点；使高压变频器工作在合适的环境温度中，解决了变频器的散热问题，降低了室内及设备的粉尘积灰，极大的改善了变频器的工作环境，大大降低了变频器的故障率，延长了其使用寿命，避免因故障造成的损失，降低了维护量，经济效益较为可观，因此在热电厂中具有非常大的使用推广意义。
参考文献
[1] 韦思贺.《高压变频器空水冷设计过程及方法》.《变频世界》201305期
[2] 林志谋.《两种不同冷却方式在高压变频应用中的对比分析》.《变频世界》2011
[3] 张萌初.《浅谈高压变频器冷却方式改造》.《福建治金》2019
[4] 刘爽，罗新蕾.《电厂高压变频器改造及冷却方式比较分析研究》.《科技与企业》2011