利德華福5600kW/10kV無速度傳感器矢量控制高壓變頻器
| 北京利德華福電氣技術有限公司 劉軍祥 呂澤玉 |
摘要：某鋼鐵集團公司燒結分廠為實現節能降耗，降低生產成本，對180m2燒結生產線的主燒結風機進行了變頻節能改造。該設備額定功率為5600kW，配備了同等功率的HARSVERT-VA10/410無速度傳感器矢量控制高壓變頻器一臺。為確保高壓變頻器具有良好的運行環境，避免因溫度過高而導致保護停機，利德華福同時為該高壓變頻器配備了一套獨立的空－水冷卻系統，用于解決設備散熱問題。空－水冷卻系統的運行效果未能達到良好的穩定環境溫度的目的，通過現場實際分析，對冷卻系統進行了改進。
關鍵詞：燒結風機 5600kW高壓變頻器 設備散熱 空水冷系統
一、存在的問題
某鋼鐵集團公司燒結分廠為實現節能降耗，降低生產成本。經研究論證對180m2燒結生產線的主燒結風機進行了變頻節能改造。該設備額定功率為5600kW，配備了同等功率的HARSVERT-VA10/410無速度傳感器矢量控制高壓變頻器一臺。
為確保高壓變頻器具有良好的運行環境，避免因溫度過高而導致保護停機，利德華福同時為該高壓變頻器配備了一套獨立的空－水冷卻系統，用于解決設備散熱問題。
設備安裝投運后，出現高壓變頻器負荷率在80％，采用開放式風道冷卻，室外環境溫度小于28℃時，設備運行溫度能夠維持在變壓器76℃、功率柜33℃以下。而當采用空－水冷卻系統密閉式循環時，高壓變頻器變壓器柜溫度大于113℃、功率柜38℃。從現象來看：空－水冷卻系統的運行效果未能達到良好的穩定環境溫度的目的。鑒于此，對冷卻系統進行了現場實地調查和系統原因分析。 空－水冷卻系統結構原理圖如圖1所示。
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| 圖1：空－水冷卻系統結構原理圖 |
二、冷卻系統工況分析
1.設備選型分析
該項目所配高壓變頻器的額定功率為5600kW、其效率為96％，4％的損失主要以熱量形式散失到環境當中，為保證設備運行安全，設備采用了技術先進、應用成熟、穩定可靠的空－水冷卻系統。該系統具有冷卻功率大、單位熱交換效率高、房間密閉、粉塵進入少、運營成本低、維護量低等特點。
首先，對冷卻裝置的功率選型和配比進行了核實。按照高壓變頻器的最大散熱功率為5600 kW×4％＝224kW。根據設備所處地域氣候溫度以及運行工況，冷卻裝置的設計裕度為1.13。即：冷卻裝置的熱交換功率不小于253.1kW，實際設計安裝冷卻功率為255kW 。其中功率柜配備三臺45kW冷卻裝置，變壓器柜配備兩臺60kW冷卻裝置。冷卻系統設計總冷卻風量100000m3/h，其中3臺20000m3/h的增壓風機與功率柜配套使用。功率柜自身的有效排風量為8臺4300m3/h的風機總排量34400m3/h，實際冷卻系統的配備大于功率柜需求通風量，滿足運行要求。變壓器柜自身的有效排風量為5臺4300m3/h的風機總排量21500m3/h，實際冷卻系統的配備大于變壓柜需求通風量，滿足運行要求。從上述數據可以看出：在冷卻系統的增壓風機部分的設計中充分考慮了系統的有效性和安全性，當柜頂或增壓風機中出現單臺設備故障時，仍可以保證系統具有足夠的通風效能維持系統的穩定。
因此，冷卻系統設備選型和配比正常，不存在問題。
2．風路系統分析
為分析系統出現冷卻效果問題的原因，在現場首先對風路循環部分進行了實際測量和數據分析。從而驗證風機的實際風量、風壓等運行指標是否符合要求。利用風壓風速測量裝置對現場功率柜及變壓器柜的柜門入口、應急風道排風口、冷卻裝置室內排風口位置的風速分別進行了多點測量。通過實測數據對開放式通風冷卻和密閉式循環冷卻的循環風量情況進行比對分析。
（1）當只打開高壓變頻器柜頂風機時，對功率柜門和變壓器柜門、應急排風口、冷卻裝置排風口的風速進行了多點測量平均數據如下：
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（2）當只打開冷卻系統增壓風機采用密閉式循環冷卻時，功率柜門和變壓器柜門、冷卻裝置排風口的風速測試數據如下：
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根據伯努利方程得出的風速－風壓關系，風的動壓 WP=0.5?ro?V2 （其中WP為風壓[kN/m2]，ro為空氣密度[kg/m3]，V為風速[m/s]）；流量Q=S×V（其中Q為風cf量[m3/s]，S為面積[m2], V為風速[m/s]）。冷卻系統采用密閉式循環冷卻的有效通風量和風壓指標完全能夠達到柜體自身冷卻風量的要求。
由此可見，在風壓、風量相當，高壓變頻器自身運行溫度不同，與高壓變頻器吸入的冷卻空氣溫度有關。如果吸入的循環空氣溫度過高也不能達到預期冷卻效果。因此，考慮冷卻系統的熱交換能力沒有能夠達到預期設計要求，把高壓變頻器熱量有效帶走，而是排回室內的循環風溫度偏高所致。
3.水路分析
經過對現場冷卻系統水路系統的實際調查，目前現場各參數技術條件與設計要求值之間的對比見下表：
| 序號 | 測試參數名稱 | 設計要求值 | 實際測量值 | 判斷結果 |
| 1 | 進水溫度 | ≤33℃ | 26℃ | 符合要求 |
| 2 | 進水工作壓力 | ≥0.25MPa | 0.05MPa | 嚴重偏小 |
| 3 | 回水壓力 | ≤0.12MPa | 0.02MPa | 符合要求 |
| 4 | 給水母管管徑 | ≥Φ133 | Φ89 | 嚴重偏小 |
在項目設計時，要求進水壓力0.25MPa、回水壓力0.1MPa、水溫33℃，冷卻水總流量68t/h。按照無縫管的阻力系數0.2計算，至少需要φ133管道。而現場實際采用的管道截面積只有設計要求的44.4%，遠遠低于使用需求。 管徑小、壓力低是導致空水冷卻裝置沒有達到額定冷卻功率的根本原因，致使房間內熱量累積引起高壓變頻器在密閉時冷卻條件下反而比開放式冷卻的效果差。
三、改進措施
為改善冷卻裝置的冷卻水流速，達到冷卻裝置的設計運行指標，提高現有系統的熱交換功率，需要對冷卻系統的供水壓力、循環流量等進行改進。具體措施是：在冷卻水泵房母管至高壓變頻器冷卻系統的支管路出口處增加一臺增壓泵，提高供水工作壓力，使得空冷裝置的入口側供給壓力達到0.25MPa以上，滿足設計要求。經計算，增壓泵的揚程需要大于60m。將泵房至冷卻系統母管管徑更換為φ133管道。改善現有管路情況下的供水流量，達到運行需要。
四、結束語
通過改造，冷卻系統在高壓變頻器運行負荷率80％以上情況下的實際環境溫度和工作溫度得到明顯改善。高壓變頻器變壓器柜的最高溫度76℃、功率柜的溫度28℃，完全符合高壓變頻器變壓器柜溫度小于95℃、功率柜的溫度小于40℃的運行環境要求。實踐證明，對冷卻系統的運行工況分析準確、改進措施有效。在冷卻系統的應用中，確保各項指標達到或優于運行要求是系統能否達到預期冷卻效果的重要因素。