2240kW凝結泵高壓變頻器幾種冷卻方式的可行性論證
一、概況
高壓變瀕器應用中的設備散熱和運行環境問題直接影響設備自身的安全，隨著變頻器功率的不斷提高，其輔助冷卻的投資和運營成本也逐漸得到業內和客戶的關注。采用專業的高壓變頻專用冷卻系統，提高設備安全穩定性能，降低輔助冷卻系統的運營成本，成為高壓變頻應用中需要考慮的重要問題之一。下面就以2240kW凝結泵高壓變頻器的冷卻解決方案為例，對幾種冷卻方式進行可行性分析論證。
二、系統分析
1．空調密閉冷卻方式
1.1系統介紹
為了提高高壓大功率變頻器的應用穩定性，解決好高壓變頻器環境散熱問題，目前常用的辦法是采用密閉式空調冷卻方式。該方法主要是為高壓變頻器提供一個固定的具有隔熱保溫效果的房間，根據高壓變頻器的發熱量和房間面積大小計算出空調的制冷量，從而配備一定數量的空調。
1.2設備供貨范圍
| 序號 | 設備名稱 | 型號及規格 | 數量 |
| 1 | 空? 調 | KF-280LW/E | 4臺 |
1.3技術指標
| 序號 | 性能指標 | 參數 |
| 1 | 能效比 | 2.5 |
| 2 | 額定制冷量(kW) | 28 |
| 3 | 額定輸入功率(kW) | 12 |
| 4 | 電源規格 | 3-380-50 |
| 5 | 循環風量（m3/h） | 3200 |
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凝結泵高壓變頻器室內尺寸為：長11700mm，寬4000mm，高3500mm。尺寸平面布置如圖1所示。
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| 圖1：凝結泵高壓變頻器室尺寸平面布置簡圖 |
2.1系統介紹
高壓變頻器的熱風通過風道直接進入空冷裝置進行熱交換，由冷卻水直接將高壓變頻器散失的熱量帶走；經過降溫的冷風排回至室內。空冷裝置內通過冷水溫度低于33 ℃，即可以保證熱風經過散熱片后，將高壓變頻器室內的環境溫度控制在40℃以下，滿足高壓變頻器對環境運行的要求。從而，保證了高壓變頻器室內良好的運行環境。冷卻水與循環風完全分離，水管線在高壓變頻器室外與高壓設備明確分離，確保高壓設備室不會受到防水、絕緣破壞等安全威脅和事故。
2.2設備供貨范圍
| 序號 | 設備名稱 | 型號及規格 | 數量 |
| 1 | 空－水冷卻系統 | BLH-CK-105 | 1套 |
| 序號 | 性能 | 參數 |
| 1 | 額定熱交換功率(kW) | 50+55 |
| 2 | 外型尺寸(mm) | 1200×950（長×寬） |
| 3 | 耗水量（m3/h） | 30.1 |
| 4 | 工作水壓（Mpa） | 0.25～0.35Mpa, |
| 5 | 工作水溫（℃） | ≤33 |
| 6 | 出風溫度（℃） | ≤40 |
按照高壓變頻器額定功率2240kW，運行效率96％進行計算：2240kW的高壓變頻器的最大散熱功率為，2240×4％＝89.6kW。由于該系統將高壓變頻器排出的熱風全部通過空水冷卻裝置實現了熱交換，然后將冷風排回室內，因此，其風路循環效率得到極大提高。風路循環效率接近99％。考慮到極限運行情況下的發熱量，以及水溫偏高、系統交換效率等因素，空冷器的設計裕度通常選擇為1.15～1.2倍。以設計裕度1.15進行計算，空冷器的熱交換功率不小于103.04kW/臺，實際選用的空冷器功率為105kW。
2.5系統安裝
現場高壓變頻器室房屋室內尺寸要求為：長10700mm，寬3600mm，高3500mm。具體尺寸及結構平面布局如圖2所示。
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| 圖2：現場高壓變頻器室房屋具體尺寸及結構平面布局 | |
3.1系統介紹
強制密閉式冷卻系統作為高壓變頻器功率柜外的附屬裝置，能夠保證高壓變頻器功率柜始終處于25－35℃運行環境，大幅度延長濾網更換周期，減少現場維護量。不需要為高壓變頻器再獨立建筑房屋，變壓器柜采用開放式冷卻。強制冷卻裝置與高壓變頻器功率柜一體化設計，附著于功率柜頂部。制冷壓縮機組安裝于高壓變頻器附近。
3.2設備供貨范圍
| 序號 | 設備名稱 | 型號及規格 | 數量 |
| 1 | 強制密閉式冷卻裝置 | BLH-CM-56 | 1臺 |
| 序號 | 性能 | 參數 |
| 1 | 額定制冷量(kW) | 56 |
| 2 | 額定輸入功率(kW) | 22.4 |
| 3 | 工作電源(V) | 380VAC/3PH，2路 |
| 4 | 電流頻率(Hz) | 50Hz |
| 5 | 控制溫度（℃） | ≤35 |
| 6 | 循環風量(m3/h) | 2×3500 |
（1）適用于額定功率為1000 kW及以上的高壓變頻器設備自身冷卻。
（2）現場安裝位置受到限制，高壓變頻器需要在廠房中開放空間中布局。環境溫度高，具有粉塵，無明顯漏水、淋雨特征的運行場合。
（3）安裝空間狹小，不能夠建筑房屋的室內環境。
（4）現場能夠提供兩路380VAC/3PH電源。
（5）空間高度大于3.5米。高壓變頻器功率柜前方應有大于695mm的空間，以便于柜門開啟。
3.5強制密閉式冷卻裝置的選配原則
強制密閉式冷卻裝置按照單臺高壓變頻裝置的功率柜為對象進行對等配置。2240kW的變頻器配置的閉式冷卻裝置功率值=2240×2%×1.25（設計裕度）=56kW，實際選用56kW的閉式冷卻裝置。根據閉式冷卻裝置的設計原則，該套冷卻系統僅限于對溫度要求較高的功率柜進行配置。變壓器柜采用開放式冷卻，溫度散失到環境中；允許溫升80K，高溫報警值120℃完全能夠滿足運行安全的要求。
3.6系統安裝
不需要單獨建造房間，有高壓變頻器的安裝位置即可。
4．冷卻方式的比較
| 序號 | 項目 | 空調冷卻方案 | 空－水冷卻方案 | 強制密閉式冷卻方案 |
| 1 | 變頻器裝機容量 | 2240kW | 2240kW | 2240kW |
| 2 | 設備額定散熱功率 | 89.6 kW | 89.6kW | 44.8 kW (僅對功率柜) |
| 3 | 冷卻功率設計能力 | 112kW | 105kW | 56kW |
| 4 | 設計余量系數 | 1.25 | 1.17 | 1.25 |
| 5 | 設備安裝數量 | 4臺 | 1套 | 1臺 |
| 6 | 冗余設計 | 無 | 電源、風路、設備冗余 | 電源、風路、壓機冗余 |
| 7 | 設備安裝方式 | 需單獨布置 | 整體施工安裝 | 與變頻器一體化設計 |
| 8 | 旁路處理方式 | 無 | 可開放式通風冷卻 | 可開放式通風冷卻 |
| 9 | 運行成本(0.37元/度) | 0.198元/kW | 0.024元/kW | 0.105元/kW |
| 10 | 占用空間尺寸 | 11700mm×4000mm | 11000mm×3600mm | 不需要單獨建造房間 |
| 11 | 濾網清洗周期 | 7~15天 | 30～45天 | 30～45天 |
| 12 | 平均無故障運行時間 | 7000h | 50000h | 20000h |
三、結論
以上針對2240kW凝結泵高壓變頻器的冷卻問題進行了技術可行性、安全可靠性、經濟性的綜合分析可以看出：新型冷卻系統(空－水冷卻、強制密閉式冷卻)在設計方面充分考慮了設備故障、熱交換介質泄漏、風路應急旁路、操作簡便、可維護維修等安全防護措施，雖然采用新型冷卻系統在設備一次性投資上較空調設備略有提高，但相比空調冷卻方式，通常系統運行2～3年節約的電費即可收回投資。另外，采用強制密閉冷卻方案還可節約近10萬元的房屋土建費用。
綜上所述，在2240kW凝結泵變頻改造項目中，使用強制密閉式冷卻方案具有占地省，性價比高的優勢，因此，推薦使用此種方案對高壓變頻器進行冷卻。