水冷机组在高压变频器环境治理中的应用

2022-06-17段随庆

电器工业 2022年5期

段随庆

（河南晋控天庆煤化工有限责任公司）

0 引言

天庆公司共有四台220t循环流化床锅炉，其中八台引风机电机采用10kV高压变频器进行驱动，在设计时将这些高压变频器（800kW）置于一间房间，依靠变频器自带风机经风道将发热量排出室外，利用室外空调向室内吹冷风降温，但在实际使用中，出现多种弊端，变频器发热量大，风机排风量也大，每台变频器有四台外排风机，八台变频器共三十二台风机，同时开启时风量达到140000m3/h，空调位于锅炉底部，使用时大量灰尘堵住空调滤网，无法正常工作，由于风量大，室内形成负压，从风口会带进大量灰尘和杂质，堵塞变频器的滤网，导致高压变频器内温度快速升高，监测功率单元温度达60℃，后经增加进风口、风道增加滤网、增加空调等措施均效果不佳，不能将变频器室环境温度降到40℃以下，在该型号变频器的维护一览表中明确提出环境温度要保持在-10～+40℃间。2015年试开车至今，变频器的电子元件在长时间高温运行过程中，其故障率也在升高，使用寿命随温度升高而降低，导致每年维修费用也高企不下。另因故障跳车引起锅炉乃至后系统波动造成损失较大，因此需要对变频器室进行环境治理。

1 应用现状分析

公司四台锅炉常年开启，平常是三开一备，大量灰尘堵塞滤网时，变频器（见图1）的热量就会在短时间内快速升高，所以清洗滤网的周期一般在七天左右，大大增加了维护人员的工作量，而且滤网不能完全阻止灰尘进入变频器内部，尤其在潮湿天气下，致使变频器内部元件里附着了大量粘性灰尘，不仅阻碍了散热，还使得内部元器件绝缘降低，出现故障，总体上，变频器中滤波电容故障率较高，造成功率单元模块维修尤其频繁。

图1 变频器

高压变频器主要由移相变压器柜、单元柜和控制柜构成，内部使用一台干式移相隔离变压器，单元柜内有二十四台功率单元，控制柜是整个变频调速系统的大脑，柜内用于安装主控系统以及二次控制回路系统、UPS电源等部件，与变压器柜，功率单元柜，旁路开关柜采用光纤传输信号。光纤板、10kV用电压检测传输板、信号采集板、主控电源板、高压变频器控制板等极易在温度超过55℃时表现出工作不稳定，误报警甚至跳车现象，停车检测时又表现出正常状态，超温下的滤波电容则会因击穿或漏电失去作用。在变频器的维保作业中大量电容被检测失效而更换，究其根本原因则和柜内温度偏高，散热不畅，灰尘过多有莫大关系。

据电气环境对电子设备安全的评估报告中显示：在设备故障原因的调查分析中，80%是由于设备运行环境因素所致，其中温度原因占55%、湿度25%、粉尘影响12%、振动和电磁噪声13%；由于电路设计和元器件质量问题引发设备故障的只有20%。由此可见，环境对电气设备安全的影响程度起着至关重要的程度。变频器的运行安全应符合标准GB/T 12668.4—2006《调速电气传动系统》，变频器的故障率随温度升高而呈指数上升，使用寿命随温度升高而指数的下降（见图2），环境温度每升高10℃，变频器中滤波电容的使用寿命将减半。变频器故障率升高严重影响企业的安全生产要求。保障变频器运行环境，即可有效降低变频器的故障率。

图2 变频器电解电容器寿命与温度的关系

2 技术方案介绍

在早期讨论解决方案时，有的专家提出利用锅炉现有五台空压机的优势，在变频器室内将空压机产生的压缩空气向室内引入，用以保持室内正负压的平衡，此方案相对也节约成本，但经过计算，五台315kW空气压缩机两用三备不能满足所需气量，不再考虑。方案二中提出可利用附近的深水井泵井水的冷却作用，将变频器的热风经井水换热降温后重新回到室内，用来降低室内的温度，该方案相对第三种方案有许多雷同之处，也比较经济，但有个致命缺陷，深水井泵维护检修很不方便，故障率也高，对于全公司生产蒸汽的来源，停一台引风机变频器就意味着停一台锅炉，其成本达上百万，因此必须有一个维护便利，不需要停机的方案来保障变频器的稳定。最终选择了水冷机组对高压变频器的工作环境进行改善。

2.1 水冷机组的基本原理

水冷机组采用风道式回风冷却的方式对高压变频器进行冷却，经过冷却后的风重新送回至室内，如此不断往复，形成内部循环。

在变频室的柜顶风机上方制作风罩收集热风，通过引风道将变频器产生的热量通过变频器专用水源冷却机组内蒸发器散热，热风经过散热片后，变成冷风从散热片吹出，热量被冷却水循环带走，变频器专用水源冷却机组可以在30℃以内根据需求精准设置变频室环境温度，并主动除湿。

每台水冷设备配备有应急风阀，当水冷机组故障造成出风温度升高至设定温度时，应急风阀自动打开（也可根据情况手动打开），从而避免水冷机组故障停运时造成热风返回室内，避免异常情况下室内温度温升过快。水冷机组原理如图3所示。

图3 水冷机组原理图

2.2 机组正常工作参数

工作水量：16.5m3/h·台，工作压力≥0.2Mpa（0.2～0.4MPa），进水温度＜37℃，水质PH值7.0～8.5，氯离子≤300mg/L，符合GB 50050—2007《工业循环冷却水处理设计规范》，机组最大装机容量21.2kW，冷却装置防护等级IP54。

3 方案的实现

通过根据变频器运行转化效率、相关参数计算得出每台高压变频器需增加水冷机组的功率、风量、冷水量，合理配置水冷设备。

由于生产水温度夏季在25℃左右，使用生产水就可以满足空水冷机组的温度要求，但变频器水冷机组的专用水源需量16m3/h，八台共需水量128m3/h，现有生产水无法满足需量，故经讨论决定从循环水引入水冷机组，但是现场循环水水温夏季最高达37℃，温度偏高，需增加其他（冷却塔或冷却机组）设备用于降低冷却水温度，才能满足水冷机组的冷却效果，增加冷却塔占地面积大，不符合现场实际；因此最终决定在该水冷却机组的基础上另外增加一套预冷设备将37℃的循环水进行预冷降温即可使用。

每台水冷设备配备有事故风阀，当水冷机组故障造成出风温度升高至设定温度时，事故风阀自动打开（也可根据情况手动打开），从而避免水冷机组故障停运时造成热风返回室内，避免异常情况下室内温度温升过快。

该套设备整体安装于高压变频器室外，采用风道与变频器顶部出风口直接相连，提高换热效率，冷却水管道分布于变频器室外部，避免冷却水管出现漏点造成安全隐患。施工时可以和高压变频器同时施工，对于安装已投用的公司，也可在原来风道基础上进行改造。

控制系统选择具有自动无人管理功能的微电脑显示屏，实现自动与手动调节温度及各种其他运行参数，自动控制系统具有缺水保护系统、自动启停和掉电记忆功能，具备故障自动检测功能，还设有过载，过流，欠压，高、低压保护，性能安全、可靠。控制系统具备远传模块接口，可将机组运行状态、故障报警信号等上传至电脑后台，实现远程监控。

4 使用效果

水冷机组是高压变频器新的冷却方式之一，与常规密闭空调冷却方式、直排新风冷却方式有显著优点：安全、节能、维护简单，同时解决了粉尘及湿度对变频器影响的问题。

截至目前变频器室水冷机组投入运行已有十个月，变频器室环境、温度明显得到改善，室内实现内循环降温，负压消失、灰尘减少，停车检修时发现柜内移相变压器和功率单元模块的表面也只有少量灰尘附着，变频器滤网清灰频次也大大降低。目前夏季室温保持在25℃左右（可调），较之前降低10～15℃，变频器模块运行温度在45℃以下，较之前减少约15℃。通过设定的目标温度来自动控制模块的投入数量，通过能量的需求精确控制压缩机的开启数量，达到了节能运行的目的。

5 推广和应用

综上所述，水冷机组的安全性完全能够满足工业应用的标准，机组出口温度可自动精确控制，效率也有很大提高，安装自由灵活，可突破现场环境和地理条件的限制，噪音低，维护方便，工作量少，而且使用寿命可长达15年以上。

该水冷机组不仅可使用于高压变频器，还可广泛用于高压电容器组、变压器室的冷却降温，据统计，水源冷却机组比普通风冷工业空调及家用空调更节能。水源冷却机组可以根据水温、负载状况、设定温度等值自动调节输出功率。因此，水源冷却机组综合节能可以达到50%。项目投运后提高了变频器设备运行稳定性，降低了设备故障率，减少了变频器设备维修费用，具有广泛的推广价值。