水泥廠高壓變頻室冷卻方式的選擇
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臺泥水泥（英德）有限公司???????
包生提
廣州能環電氣機械科技有限公司??? 陳勝文
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摘要：高壓變頻器屬于大型電子設備，對環境要求比較嚴格。風水冷系統的應用可以很好的解決高壓變頻器在運行中的散熱和防塵問題，為高壓變頻節能改造中降低冷卻系統能耗，提高系統安全可靠性，提供重要的可借鑒經驗。
關鍵詞：風水冷系統；高壓變頻器；散熱；節能
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0 引言
臺泥水泥（英德）公司#1－#４生產線窯頭配有8臺風機變頻器，自投運以來，取得了明顯的節能降耗效果。由于高壓變頻器應用中的設備散熱和運行環境問題成為直接影響變頻器自身運行可靠性和機組安全穩定的重要因素。而且，隨著變頻器裝機容量和功率的增加，其輔助冷卻系統的投資和運營成本也逐漸成為項目實施不可小覷的一個重要環節。采取配套適用的高壓變頻專用冷卻系統，對提高設備安全穩定性能、降低輔助冷卻系統的運營成本，實現高壓變頻節能項目收益最大化，具有積極意義。
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1 系統配置
臺泥水泥（英德）公司#1－#４生產線窯頭風機變頻器由西門子公司生產的3550KW和2550KW變頻器各1臺安裝在一個房間內、共四個房間，主要由以下三部分組成：控制柜、功率柜、變壓器柜。其外形如圖1所示。高壓變頻器使用多臺離心風機進行散熱。
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圖1
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一般情況下，為了變頻器能長期穩定和可靠地運行，對變頻器的安裝環境作如下要求：最低環境溫度-5℃，最高環境溫度40℃，工作環境的溫度變化應不大于5℃/h。
當變頻器滿負荷工作時，其總損耗（轉變為熱量）約為系統額定功率的4%，比如1000kW變頻器滿負荷工作時，損耗約為40kW。如此大的熱量如果全部排放到安裝變頻器的室內，將會使室內溫度迅速升高，嚴重影響變頻器的正常運行。因此，應考慮配備相應的散熱設備。
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2 高壓變頻冷卻方式
2.1 直排熱風式式冷卻
采用直排熱風式的散熱方案（其示意圖如圖2所示），將變頻器產生的熱風經風道引至室外，然后將室外自然風經變頻室濾網引至變頻室對變頻器進行冷卻；此方案具有經濟、簡單的優點，缺點是對環境的適應性不高，特別是在南方夏天高溫高濕的環境下散熱效果會大幅下降；另外，水泥廠環境比較惡劣，空氣中粉塵含量高，對變頻器中的電子元器件是一種威脅，高速含塵的風通過風道極易造成風道內空氣過濾棉堵塞，造成變頻器內形成負壓，不利于散熱，同時增加更換空氣過濾棉的頻度。
圖2
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2.2 空調冷卻
本文以臺泥水泥（英德）公司#1生產線窯頭變頻室為例，#1生產線窯頭變頻室內安裝有3550KW和2550KW變頻器各1臺。變頻器發熱根據運行工況選擇，最大發熱量為變頻器額定功率的4%，如果使用空調冷卻，則發熱量可按照變頻器額定功率的2%進行估算。
根據上述原則#1生產線窯頭變頻器總發熱量為（3550KW＋2550KW）×2%＝122 kW
按照房間實用面積計算空間，單獨空間制冷所需的空調容量，一般每平方米可以按照150瓦特計算。初步估算#1生產線窯頭變頻室空間制冷量為180×150＝27 kW
空調總體的制冷量＝變頻器的發熱量＋空間制冷所需的制冷量＝122KW＋27kW＝149 kW???
空調容量的確定原則為：按照變頻器的發熱量和控制室環境實用面積來選擇空調的容量。
空調配置功率：其用量約為149÷2.5（制冷比）＝60匹。
2.3 風水冷系統冷卻
風水冷卻系統是一種利用高效、環保、節能的冷卻系統，其應用技術在國內處于領先地位。從變頻器出來的熱風，經過風管連接到內有固定水冷管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的冷水，熱風經過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風從散熱片吹出，熱量被循環冷卻水帶走，保證變頻器控制室內的環境溫度不高于40℃。主要由增壓風機、風道、冷卻器、智能控制系統等設備組成。
安裝風-水冷散熱裝置，要求必須在密閉環境中，為了提高冷卻效果，安放設備的空間盡可能小。流入風-水冷散熱裝置的水為工業循環水，為保護設備，要求循環水的PH值為中性，且無腐蝕損壞銅鐵的雜質，進水的水壓一般為0.1～0.5Mpa，進水溫度≤33℃。
根據變頻器的發熱參數及現場實際情況，決定選用BPFL-60型水冷器和T35-1.5KW增壓風機各4臺作為#1生產線窯頭變頻室冷卻系統的主要設備，風水冷示意圖如圖3所示：
圖3
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風-水冷散熱裝置整體安裝于高壓變頻器電氣室墻外，采用風道與變頻器的柜頂排氣口直接連接，提高了冷卻器的設備運行效率，能夠對變頻器排出的熱氣直接降溫處理。同時，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。在風-水冷散熱系統的設計當中，為了防止風-水冷散熱裝置出口側凝露冷風帶水排入室內，對風-水冷散熱裝置的出風口、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。由于風-水散熱系統是閉式循環，徹底解決了變頻室外空氣濕度大、粉塵多對變頻器的影響。
2.4 高壓變頻器冷卻方式比較
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方式 項目 |
直排熱風式式冷卻 |
空調制冷冷卻 |
風-水冷裝置冷卻 |
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可靠、穩定性 |
可靠性差、受環境影響 |
可靠穩定，不受外界環境影響 |
可靠穩定，不受外界環境影響 |
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經濟性 |
投資成本低、運行成本非常低 |
投資成本較高、運行成本高 |
投資成本較高、運行成本低 |
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運行環境 |
受外界環境粉塵影響 |
環境粉塵少 |
環境粉塵少 |
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維護 |
維護周期短、一般一周維護一次 |
維護周期中等，室外機需經常清洗 |
維護周期長，一般半年至一年對換熱本體清洗一次 |
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3 效果檢查
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水冷器進水30℃、壓力0.2 Mpa、出風32℃，變頻室室溫33℃ ，室外溫度35 ℃
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變頻器 |
輸入電流（A） |
輸出電流（A） |
運行頻率 （Hz） |
變壓器三相繞組溫度（℃） |
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A相 |
B相 |
C相 |
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#1線高溫風機 |
163.8 |
196.5 |
49.87 |
51.7 |
53.3 |
46.2 |
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#1線窯尾風機 |
124.9 |
149.8 |
47.30 |
62 |
65.1 |
64.8 |
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4 ?年運行費用統計
4.1?
采用空調冷卻的費用
??? 根據
⑴ 年耗電費＝60×0.735×8000（h）×0.4元/度＝14.11萬元。
⑵ 設備費用約15萬元/臺。
4.2?
采用風水冷系統冷卻的費用
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根據2.3的分析，主要費用有：
⑴ 年耗電量＝4臺×1.5kw×8000（h）×0.4元/度＝1.9萬元；
⑵ 設備費用（含現場安裝調試費）約為30萬元；
⑶ 循環水費用則依現場實際情況而定，用量有限。
5? 總結
我們可以看出采用風水冷系統的電費只占空調運行費用的13% ，即該系統比空調制冷節能87%，而建成完整空水冷系統的費用與空調兩年的運行費用基本相當（實際費用依工程量不同有所增減），另外，即使用風水冷系統冷卻，如果設計、選型不合理，也達不到滿意的冷卻效果。
因此高壓變頻等大功率熱源設備的冷卻系統可依據各企業情況確定：
⑴ 直排熱風式適應于市政供水、燃氣發電等運行環境粉塵少、變頻容量小的應用現場；
⑵ 空調制冷法適應于原有中央空調或工業空調，而且有足夠余量的企業；
⑶ 風水冷系統則非常適合自有循環冷卻水的企業（如：電廠、鋼鐵廠、水泥廠），而且變頻總容量越大越經濟；
⑷ 對于冶煉、礦山、煤炭等沒有專用循環冷卻水或水量不足的企業，可以由風水冷系統廠家做專門設計，以達到相應制冷效果。
作者簡介：包生提? 男? 工程師? 臺泥水泥（英德）有限公司? 設備部副處長
陳勝文（1973-）男 工程師、高級技師，專業從事電氣設備制冷設計、成套、安裝。就職廣州能環電氣機械科技有限公司，電話：020-39237846