矿井水处理工程变频器通风空调冷却方案分析

王 海 超

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

变频器主要用于风机、水泵、压缩机等电动设备工作频率的调节及平稳启动，从而有效降低设备能耗，防止设备直接启动时瞬间产生的较大电流损坏电机。变频器可广泛应用于冶金、煤炭、电力、石油化工等工业领域。

变频器在降低了电动设备功耗的同时，仍有2%～4%左右功耗转换成热量。为了确保变频器正常运行及使用寿命，须将这些热量及时排除。变频器正常工作使用环境温度一般为5 ℃～40 ℃，其对安装环境的空气洁净度也有很高的要求，一般要求环境污染等级不超过2级[1]。变频器室室内环境温度、空气质量是变频器安全、长期稳定运行的重要因素。

1 变频器冷却方式

根据室外环境温度、空气质量、变频器规格参数等因素，设计选择适合的变频器冷却方案。目前常用的变频器风冷冷却方式有直流通风冷却、分体空调密闭冷却、空气—水降温通风冷却等。

1.1 直流通风冷却

室外冷风经组合式风机箱(内含进风段、过滤段、风机段)进入室内，对变频器冷却后由变频器柜自带排风机排至室外。严寒、寒冷地区的变频器室，宜在变频器柜体的排风罩或排风管上设置室内排风口，以便冬季利用变频器散热来维持室内温度，具体布置如图1所示。

直流通风冷却方式主要利用室外空气对变频器降温，当夏季室外温度过高时，应使用分体空调辅助降温。该冷却方式在室外通风计算温度较低、空气质量好的地区，冷却效果好、节能效果显著。

直流通风冷却方式系统简单，但受室外空气温度的影响不能准确控制室内温度，温度上下波动较大，对变频器使用寿命有一定影响。当设备室外取风处空气质量较差时，变频器柜与通风设备上过滤网需要定期清理，避免因滤网堵塞导致通风不畅，从而使柜体温度过高，导致变频器超温故障。因系统运行能耗较低、设备初始投资也较少，该冷却方式仍在被广泛应用于一些项目中。

1.2 分体空调密闭冷却

变频器散出热量直接散至室内，由布置于房间柜式分体空调机组进行降温。空调机组制冷量根据变频器发热量进行选择，其冷却过程如图2所示。

由于变频器对运行环境温度、洁净度要求较高，分体空调密闭冷却方式被逐渐推广使用。在各种室外环境温度下，分体空调密闭冷却方式都可以将房间温度维持在设定温度，温度波动很小，房间温度分布很均匀。系统冷却过程为室内封闭循环，可以避免室外污染空气进入房间，适合应用于风沙大、空气恶劣的室外环境。该冷却方式系统初始投资较高，且空调运行能耗较大，室外温度较低时，仍需消耗大量电能来维持室内环境温度，造成了不必要的能量的浪费。

1.3 空气—水降温通风冷却

当有工业循环水或冷水可以利用时，可以利用空气—水降温通风方式对变频器降温。变频器产生的热空气通过风管送至空气—水降温通风机组，经表冷器冷却后送回变频器室。当工业循环水温度不高于33 ℃时，该冷却方式基本可保证室内环境温度低于40 ℃[2]。在夏季室外空调湿球温度较低时，循环冷却水可获得更低温度，空气冷却效果较好。

相比较于直流通风冷却，空气—水降温通风冷却方式空气循环为室内封闭循环，可为变频器提供较好的室内环境。与分体空调密闭冷却相比，该冷却方式运行能耗较低，是一种节能、环保的冷却方式。当所在项目有工业循环水可以利用时，该冷却方式仅需投入一套组合式空调机组，系统的初始投资较低。当无工业循环水或冷水可以利用时，也可由变频器厂家整体配套冷却水系统，但系统初投资会有所增加。

空气—水降温通风冷却方式具有安装方便、运行安全可靠、操作简单、维护工作量小等优点，被逐渐推广使用。

空气—水降温通风冷却过程示意图见图3。

2 案例分析

以榆林市巴拉素矿井水处理项目蒸发洁净间高压变频器冷却通风设计为例，蒸汽压缩机的高压变频器所带负载功率为2 500 kW。根据厂家提供数据，变频器柜总散热量约为87.5 kW，变频器柜自带风机额定排风量为40 800 m3/h，变频器使用环境温度宜为5 ℃～40 ℃，排风温度要求不超过50 ℃。

2.1 直流通风冷却设计选型及分析

为了保证变频器室安全稳定运行，将夏季室内设计温度设定为35 ℃[2]，考虑到设计温度较高，围护结构得热量相较变频器发热量小，取变频器柜进风温度等于室外空气温度。榆林市夏季通风室外计算温度为28 ℃，低于设计要求的35 ℃，夏季极端最高温度38.6 ℃，也满足厂家不超40 ℃的要求。

为了保证变频器间的洁净，房间宜保持正压，设计选用两台22 500 m3/h组合式风机箱，设备布置如图1所示。

校核变频器排风温度，公式[3]如下：

Q=CP×V×(TP-TS)。

其中，Q为变频器柜总散热量，kW；CP为空气比热容，1.01 kJ/(kg·℃)；ρ为空气密度，kg/m3；V为送风机组额定排风量，m3/s；TP为变频器柜排风温度，℃；TS为变频器柜进风温度，℃。

当室外温度为28 ℃时，变频器柜排风温度为34.4 ℃；当室外温度为38.6 ℃时，变频器柜排风温度为44.9 ℃，均满足厂家的排风温度小于50 ℃要求。目前，中国大部分地区极端最高温度均在43 ℃以下[4]，当极端最高温度为43 ℃时，计算变频器柜排风温度为49.4 ℃，说明在各种室外气候条件下，直流通风冷却方式均可满足变频器的使用要求。

2.2 分体空调密闭冷却选型及分析

基于变频器室空调需常年制冷的特点，要求空调系统在室外温度较低或较高时仍能具有较高的制冷能力。常规分体空调制冷工况的室外进风温度运行区间为20 ℃～40 ℃。当室外温度低于10 ℃，空调室外机冷凝器冷凝温度过低，蒸发温度也较低，导致蒸发器容易结霜、容易损坏、制冷能力下降。

榆林市年平均温度8.3 ℃，冬季空调室外计算温度-19.3 ℃，为了保证在室外低温环境下空调机组的正常工作，根据变频器总散热量，设计选用4台10P降温变频空调机，设备布置如图2所示。空调机组适应室外环境温度运行区间为-25 ℃～45 ℃，为了保证不同室外温度空调机的制冷效率，压缩机采用了变频控制。空调室外风机具有调速功能，在室外温度较低时，通过降低风机转速，来降低冷凝器换热效果，从而避免冷凝器温度过低。

2.3 空气—水降温通风冷却选型及分析

根据变频器总散热量及维持房间正压，设计选用两台22 500 m3/h、制冷量为50 kW组合式空气处理机组。夏季工业循环水温度一般介于室外干球温度与湿球温度之间。榆林市夏季空气调节室外计算湿球温度21.5 ℃，干球温度32.2 ℃。降温通风冷却机组送风温度一般高于冷却水供水温度5 ℃以上，可知降温通风系统温度可控制在37.2 ℃以下。

对比以上三种冷却方式的设计选型及分析，考虑当地夏季室外温度较低，水处理项目室外工作环境空气品质较好及节能环保等综合因素，在项目中选用了直接通风冷却方式。

3 系统经济分析

针对上述案例，对比分析直流通风冷却、分体空调密闭冷却、空气—水降温通风冷却三种冷却方式的经济性。从表1可以看出，直流通风冷却相较其他两种冷却方式，初投资最少、年耗电量也最低,相比分体空调密闭冷却方式每年可节约电量167 040 kWh，按照当地电价0.65元/kWh计算，年总成本可节约10.86万元。表1中空气—水降温通风冷却系统初投资是考虑变频器厂家自带冷却水系统情况下估算，当所在工程有循环冷却水系统可以利用时，仅需设置一套末端冷却系统，系统初始投资预估仅7万元左右。表中空气—水降温通风冷却方式耗电功率15 kW为末端空调机组额定功率，10 kW为冷却水泵及冷却风机功率，相比分体空调密闭冷却每年可节省电量109 440 kWh，每年可节约运行费用7.11万元。

表1 三种冷却方式的经济性对比

4 结语

在夏季室外空气温度相对较低、空气洁净度较好的地区，直流通风冷却方式的冷却效果较好，可使变频器安全、稳定运行，运行能耗也较低，节能效果显著。

分体空调密闭冷却方式在控制室内温度、洁净度方面最为理想，但系统初投资较大、运行能耗较高。

当有循环冷却水可以利用时，在夏季空调湿球温度较低时，空气—水降温通风冷却方式冷却效果更佳。该冷却方式经济性、节能性优势明显，既可以很好的控制变频器室内空气温度、洁净度，系统初投资、运行成本也相对较低。