变频器水冷系统纯水技术工业化应用

贾媛媛，何琳，牛进龙，刘光利

（中国石油兰州化工研究中心，甘肃 兰州 730060）

1 引言

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换成另一频率的电能控制装置，它能优化电机运行，将复杂的调速控制简单化，能够起到增效节能的作用［1－2］。变频器在工作过程中电路元件散发大量的热量，为保证其正常工作需要进行散热［3］。工业用大容量变频器的散热方式多采用水冷，循环介质是纯水，为避免引起电路元件的短路，要求系统循环水的电导率始终保持较低水平，因此需要对循环纯水进行净化［4］。当纯水精致剂发生老化或出现故障时，纯水电导率会迅速上升，引起变频器报警、跳闸，导致生产装置停车。

国内使用的大功率变频器70%依靠进口，当水冷系统发生故障时，国外公司难以提供及时的技术支持和维修，增加了生产的不安全因素，给企业造成巨大经济损失，因此石油化工研究院自主开发了一套变频器水冷系统纯水技术，并将其成功应用于兰州石化的20万t／a高压聚乙烯生产装置和52万t／a尿素生产装置的中压变频器上。

2 水冷系统纯水技术开发

2.1 水冷系统工作原理

变频器水冷系统具有导热系数大、水流量小、震动和噪声小等优点，能有效地降低元器件温度，提高其寿命。当前国外众多大功率变频器采用了水冷散热系统，如瑞士ABB公司ACS1000系列变频器，芬兰Vacon NXP系列变频器等。水冷散热大体上都属于介质在导体内部进行封闭式循环。

为了解决变频器应用水冷系统水的纯度、可靠性、防腐蚀等问题，在水的循环过程中应用了清除溶入水中的离子及氧气的纯化支路，即纯水精制单元。通过纯水精致单元可将进入纯水中的污染物去除，保证纯水在循环过程中电导率始终保持在系统规定的范围内。若纯水电导率高出规定值，会引起变频器报警，若不及时处理，最终将导致跳闸，造成生产装置停车。为补充运行中由于泵泄漏和水电解所带来的水损失，装置中还设有自动补水系统，这样就会使整个系统具有优异的散热性能、高可靠性，且对环境友好。

2.2 纯水技术开发

按照中压变频器冷却制水系统内脱离子水水质要求，石油化工研究院分别筛选出了去除纯水中微量有机物、阴阳离子和硅等物质的材料，进行了复配试验和污染物去除效果评价，开发了纯水精制材料。采用分层方式填装纯水精制材料，模拟实际运行状况，设计制作纯水精制系统，在实验室对开发的纯水精制技术进行了动态和稳定运行评价，运行情况良好。

3 工业化应用

3.1 SIEMENS公司中压变频器

兰州石化公司52万t/a尿素生产由渣油改为天然气后，为了满足生产和电力需求，提高天然气压缩机过程控制能力，实现变频调速和电机的软启软停控制，达到节能降耗的目的，从德国SIEME NS公司购置了1台水冷型中压变频器（SIMOVERT－MV）［5］。 德国 SIEMENS 公司生产的SIMOVERT－MV天然气压缩机中压变频器水冷系统的纯水精制单元的工作方式是间歇运行，即周期性的纯化循环系统中的纯水，工作原理见图1。

系统内纯水电导率在0.20～0.60μS/cm范围时，纯水在泵的驱动下反复给电路元件冷却降温。运行一段时间后，当纯水电导率大于0.60μS/cm时，纯水进入纯水精制单元进行纯化，当纯水电导率降至0.20μS/cm时，精制单元停止工作。

图1 SIMOVERT-MV变频器纯水精制工艺流程Fig.1 Process flow chart of water purification in converter SIMOVERT-MV

2004年5月，该变频器水冷系统已满负荷运行了2 a多，报警现象时有发生，危及生产安全，急需对纯水精制单元进行更新。经过多次现场试车试验后，2004年10月成功地将石化院开发的变频器水冷系统纯水技术应用于兰州石化公司52万t/a尿素生产天然气压缩机SIMOVERT-MV中压变频器水冷系统，图2是2004年10月至2011年8月应用石化院水冷系统纯水技术的运行状况图。

图2 SIMOVERT-MV变频器运行结果Fig.2 The operation result of converter SIMOVERT-MV

石化院自主开发的水冷系统纯水技术已成功运用了7 a，期间每3 a对纯水精制剂进行一次更换，水冷系统工作稳定，从未引起过变频器报警，确保了生产装置的正常稳定运行。

3.2 ABB公司ACS1000中压变频器

ACS1000中压变频器是兰州石化公司20万t/a高压聚乙烯生产装置的核心电气设备之一，ACS1000水冷系统为连续型工作方式，工艺流程如图 3 所示［6］。

冷却完功率元件的纯水经过换热器E1换热后，95%的纯水继续冷却功率元件，5%的纯水进入纯水精制罐C1精制后，再经Z2过滤器通过V15阀进入主循环系统。当主冷却循环回路中的纯水电导率超过0.50μS/cm时，系统开始报警，变频器处于非正常运行状态；电导率大于0.70μS/cm时，系统强制跳闸，导致供电设备停车。

图3 ACS1000变频器纯水精制工艺流程Fig.3 Process flow chart of water purification in converter ACS1000

2009年5月，该水冷系统已满负荷运行2年多，多次出现报警现象，其中有1次电导率超过0.70μS/cm，变频器自动跳闸，造成了20万t/a高压乙烯生产全面停车。2009年9月，石化院开发的水冷系统纯水技术在该装置上进行了工业化应用，电导率和运行温度变化趋势见图4。

图4 ACS1000变频器稳定运行效果Fig.4 The operation result of converter ACS1000

从图4可以看出，自2009年9月石化院水冷技术应用至今，ACS1000变频器水冷系统运行稳定，纯水电导率始终维持在0.08～0.12μS/cm之间，且运行周期已经超过了2 a，优于ABB公司的最佳运行值（0.15μS/cm）和运行周期（2 a)。

4 技术经济评价及结论

石化研究院变频器水冷系统纯水技术的成功工业化应用，标志着对SIEMENS、ABB等全球顶尖变频器制造商水冷技术的成功国产化。水冷系统因精制能力变差纯水电导率超过安全警戒值，会导致变频器强制跳闸，容易造成生产装置的非计划停车。以兰州石化公司现有尿素和高压聚乙烯生产能力计算，每次非计划停车会造成200万元和300万元的经济损失。石化院开发的变频器水冷系统纯水技术使用周期长，减少了更换次数，且更换时准备时间仅需24 h，减少了停车时间，可最大限度挽回非计划停车经济损失。

石化院开发的变频器水冷系统纯水技术成功替代了SIEMENS和ABB水冷系统的纯水技术，打破了国外厂家在该技术领域的高度垄断并且成本低，工作周期长，运行指标优于国外公司。

［1］宋振雷,李洪凯.变频器常见故障的分析与维护［J］.装备制造技术,2009,3（3）:97－99.

［2］何丽梅,杨妮.中压变频器的技术特性及运用［J］.天然气与石油,2008,26（2）:27－32.

［3］范照勇.西门子中压变频器几例实际故障的分析处理与防治［J］.科技创新导报,2007，36:66－67.

［4］朱海涛.用于铝板带热连轧机主传动变频器中的纯水循环冷却装置［J］.有色设备,2009（4）:22－25.

［5］牛进龙,孙秀敏,刘光利,等.天然气压缩机中压变频器冷却制水系统国产化［J］.石化技术与应用,2007,25（4）:344－346.

［6］ABB电气传动系统有限公司.ACS 1000中压交流传动技术样本［M］.3ABD 00009891版本C.2004.