高壓大功率變頻器的兩種冷卻方式比較
北京利德華福電氣技術有限公司 劉軍祥 河北大唐國際唐山熱電有限公司 夏俊利
一、問題的提出
隨著高壓大功率變頻器在各行各業得到廣泛的應用，關于高壓變頻器在應用中帶來的系統安全、設備穩定性等應用問題也越來越多的倍受關注。眾多的設備提供商和行業客戶充分的意識到，只有解決好高壓變頻器應用中的系統控制、工藝優化、環境控制、安全防護等問題，才能切實保障系統安全、提高設備穩定性。而解決好高壓大功率變頻器的運行環境控制則是保障設備穩定和安全運行的重要環節之一。
二、兩種冷卻方式的比較
為了提高高壓大功率變頻器的應用穩定性，解決好變頻器環境散熱問題。目前常用的辦法是：密閉式空調冷卻。該方法主要是為變頻器提供一個固定的具有隔熱保溫效果的房間，根據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。同時，考慮以下幾方面的因素：
①空調制冷總量需要有一定的設計裕度，保證最惡劣工況下的冷卻能力；
②盡量平均分配制冷量選擇同等規格的空調，便于維護、維修；
③選用品質好、服務及時的工業級產品。
以一臺1000kW的凝結泵高壓變頻器為例，該設備需要安裝于環境溫度在10～43℃的汽機房內，海拔小于1000m。為了能夠保證設備良好的運行環境，需要提供一間7600×3500×3200(長×寬×高)的房間，便于維修運行。
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變頻器室內的冷熱風循環情況如下圖所示。變頻器從柜體的正面吸入空氣，經柜頂風機將變頻器內部的熱量帶走排到室內。從而在變頻器室上部形成一個溫度偏高、壓力偏高的氣旋渦流區，在變頻器的正面部分形成一個偏負壓區。在運行中，變頻器功率柜正面上部區域實際上是吸入剛排出的熱風進行冷卻，形成氣流短路風不能達到有效的冷卻效果。空調通常采用下進上出風結構，從而與變頻器在一定程度上形成了“搶風”現象，這就是“混合循環區”。在這個區域變頻器吸入的空氣不完全是空調降溫后的冷空氣，空調的降溫處理也沒有把變頻器排出的熱空氣全部降溫，從而導致了整個冷卻系統的運行效率低下。這是造成冷卻系統效率低，能耗水平高的根本原因。
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眾所周知：目前8000kW以下的產品均采用強迫式空－空冷卻方式，變頻器對運行環境溫度通常要求在0～40℃，環境粉塵含量低于950ppm。過高的溫度會造成變頻器溫度過熱保護而跳閘，粉塵含量過高導致變頻器通風濾網更換清洗維護量過高，增加維護費用。因此，采用何種冷卻方式和系統結構至關重要。
為了解決高壓變頻器的運行環境冷卻和控制問題，根據客戶提出的思路，借鑒了大功率高壓電動機的空－水冷卻熱交換裝置的方式進行設備冷卻，實現高壓大功率變頻器設備的運行環境溫度控制。從而，提高系統安全可靠性、降低運營成本。鑒于，高壓大功率電機冷卻均采用背負式或側裝式密封連接結構實現電動機熱量的散失和降溫控制，該系統采用了側裝結構通過風道與設備本體熱風出口連接。具體的連接原理如下圖所示。
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a） 設備安裝簡單、快捷。整體式的結構組件安裝于變頻器室外，室內采用風道與變頻器柜頂排氣口直接連接，整體結構緊湊，便于安裝。
b） 設備使用壽命長，故障率低，性能可靠。由于熱交換裝置采用完全機械結構設計，較空調等電力、電子設備而言具有明顯的安全、可靠性，具有較高的使用壽命。如果一旦冷卻系統出現水路系統故障，則可關閉進出水閥門；通過風路管道系統設置的上下風門，可以直接將熱風外排到室外，吸入冷風實現開放式循環，從而大大提高了變頻器安全、可靠性。
c） 運營成本低。空－水熱交換裝置的運營成本是同等熱交換功率空調冷卻方式的1/5~1/6。冷卻電耗指標遠遠低于空調冷卻，避免了能源節約的二次浪費。
d） 變頻器維護量低，環境衛生。由于房間密閉，空－水熱交換裝置與變頻器室形成密閉式循環風進行設備冷卻，具有粉塵進入量小，環境溫、濕度穩定等特點。濾網清洗周期有原來的15～30天延長到2～3個月以上，大大減輕了現場設備維護量和人力成本。
e） 冷卻風機冗余結構配置。系統中采用的增壓風機設計風壓、風量均大于變頻柜頂風機的風壓、風量排放值，當變頻器柜頂或增壓風機出現問題時不會影響系統的冷卻效果。
該系統設備整體安裝于高壓變頻器室墻外，避免冷卻水管線在高壓室內布局容易出現破裂后漏水危及高壓設備運行安全的嚴重事故發生。在空－水熱交換裝置的設計當中，為了防止裝置出口側凝露帶水排入室內，對裝置的出風口、風速等指標進行設計計算；保證良好的排壓情況下，運行安全穩定。同時，冷卻系統提供風機、空－水冷卻裝置的故障報警檢測點與變頻器連接，通過綜合報警信號遠傳至DCS。完整的冷卻系統解決方案，為主要設備的運行安全提供可靠保障。
三、應用案例
該項技術在大唐國際電力集團下屬某電廠2×300MW機組一次風機變頻器冷卻改造項目中與客戶合作得到實際應用。兩臺機組在6.9m層一高壓室安裝4臺（1400kW/6kV）一次風機變頻器，運行滿負荷電流167A，每臺變頻器柜頂冷卻風機循環總風量16000m3/h。
采用空調冷卻時，以單臺變頻器按變頻器額定功率1400kW，運行效率96％進行計算：變頻器的最大散熱功率為1400×4％＝56kW。考慮到房間的空間尺寸，以及變頻器室的系統熱交換不能為1等情況，空調的最小設計裕度為1.25倍。即：空調的熱交換功率不小于70kW，則4臺變頻器一共需要安裝了12P空調10臺，每臺空調制冷量28kW，空調能效比為2.5:1，額定功耗11.6kW×10＝116kW。以每臺空調3萬元計算，總投資30萬元。
籍此，運行中空調始終處于全開情況。夏季機組高負荷期，變頻器室空調全開下，仍不能維持環境溫度在40℃以內，危機設備運行安全，且二次能源浪費嚴重。為此，經過充分調研、論證后，決定對變頻器室的空調冷卻系統進行改造，采用運營成本和可靠性高的空－水冷卻系統。
該熱交換裝置，按變頻器的最大散熱功率1400×4％＝56kW，并根據房間的空間尺寸，考慮到極限運行情況下的發熱量和交換效率的因素計算空－水冷卻裝置的設計裕度為1.1倍。即：熱交換裝置功率不小于61.6kW，實際選用的熱交換裝置功率為63kW。那么，4臺一次風機變頻器需配置4臺63kW的空－水冷卻裝置，初步投資29萬元。
設備投運后，經過30天的運行數據統計，變頻器在正常運行時，詳細運行參數如下：
| 參數名稱 | 參數值 | 參數名稱 | 參數值 |
| 冷卻器進水溫度（℃） | 27 | 冷卻器回水溫度（℃） | 30 |
| 冷卻器進水壓力（MPa） | 0.3 | 冷卻器回水壓力（MPa） | 0.25 |
| 環境溫度（℃） | 25 | 變頻器室室溫（℃） | 28 |
| 變頻器功率柜溫度（℃） | 28 | 變頻器變壓器柜溫度（℃） | 57 |
通過以上數據表明：采用空水冷卻后變頻器室內的溫度得到有效控制，冷卻總耗電功率僅為17.2kW，能耗水平大大降低。空調器出留有4臺作為備用外，其余設備挪作他用，資源得到合理分配利用。
按年運行8000小時，當地電價按0.3元/度電計算，由上表數據可得出，空－水冷年耗電量為Q1=17.2*8000=137600度≈13.8萬度，而空調制冷方案年耗電量為Q2=116*8000=928000度≈92.8萬度，則采用空－水冷年耗電量可節省79萬度，折合約23.7萬元。考慮到空調制冷方案的年維護費用，則采用空－水冷一年可節約24萬元。
四、結束語
通過對兩種冷卻系統方案的分析、論證，對兩種方案在設備選型、功能、維護等指標進行綜合對比，各項指標的數據對比情況匯總如下：
| 序號 | 技術指標 | 4×1400kW一次風機變頻器室 | |
| 1 | 冷卻方案 | 空調制冷方案 | 空－水冷熱交換方案 |
| 2 | 變頻器額定散熱功率 | 224kW | 224kW |
| 3 | 額定冷卻功率 | 280kW | 252kW |
| 4 | 設備安裝數量 | 10臺 | 4套 |
| 5 | 設計余量系數 | 1.25 | 1.1 |
| 6 | 旁路處理方式（設備故障） | 無 | 可通過室外開放式循環冷卻 |
| 7 | 平均無故障運行時間 | 10000小時 | 50000小時 |
| 8 | 設備維修要求 | 設備復雜 | 結構簡單 |
| 9 | 冷卻電耗指標 | 116kW | 17.2kW |
| 10 | 單位冷卻運營成本 | 0.124元/kW | 0.02元/kW |
通過對兩種方案的比較可以看出：采用空－水熱交換裝置方案具有良好的綜合性價比優勢，更適合于電廠一次風機變頻器冷卻改造項目冷卻系統工程，可節約大量的投資成本和運行費用，符合系統化節能、環保的要求。
此次冷卻項目的成功應用，為提高高壓變頻節能項目的整體系統化節能水平，降低項目總投資，避免能源二次浪費等方面起到了積極作用。為解決大功率、超大功率、高密度變頻器設備散熱問題提供了一種有效的解決途徑。