高压大功率变频器的两种冷却方式比较
北京利德华福电气技术有限公司 刘军祥 河北大唐国际唐山热电有限公司 夏俊利
一、问题的提出
随着高压大功率变频器在各行各业得到广泛的应用，关于高压变频器在应用中带来的系统安全、设备稳定性等应用问题也越来越多的倍受关注。众多的设备提供商和行业客户充分的意识到，只有解决好高压变频器应用中的系统控制、工艺优化、环境控制、安全防护等问题，才能切实保障系统安全、提高设备稳定性。而解决好高压大功率变频器的运行环境控制则是保障设备稳定和安全运行的重要环节之一。
二、两种冷却方式的比较
为了提高高压大功率变频器的应用稳定性，解决好变频器环境散热问题。目前常用的办法是：密闭式空调冷却。该方法主要是为变频器提供一个固定的具有隔热保温效果的房间，根据变频器的发热量和房间面积大小计算出空调的制冷量，从而配备一定数量的空调。同时，考虑以下几方面的因素：
①空调制冷总量需要有一定的设计裕度，保证最恶劣工况下的冷却能力；
②尽量平均分配制冷量选择同等规格的空调，便于维护、维修；
③选用品质好、服务及时的工业级产品。
以一台1000kW的凝结泵高压变频器为例，该设备需要安装于环境温度在10～43℃的汽机房内，海拔小于1000m。为了能够保证设备良好的运行环境，需要提供一间7600×3500×3200(长×宽×高)的房间，便于维修运行。
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变频器室内的冷热风循环情况如下图所示。变频器从柜体的正面吸入空气，经柜顶风机将变频器内部的热量带走排到室内。从而在变频器室上部形成一个温度偏高、压力偏高的气旋涡流区，在变频器的正面部分形成一个偏负压区。在运行中，变频器功率柜正面上部区域实际上是吸入刚排出的热风进行冷却，形成气流短路风不能达到有效的冷却效果。空调通常采用下进上出风结构，从而与变频器在一定程度上形成了“抢风”现象，这就是“混合循环区”。在这个区域变频器吸入的空气不完全是空调降温后的冷空气，空调的降温处理也没有把变频器排出的热空气全部降温，从而导致了整个冷却系统的运行效率低下。这是造成冷却系统效率低，能耗水平高的根本原因。
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众所周知：目前8000kW以下的产品均采用强迫式空－空冷却方式，变频器对运行环境温度通常要求在0～40℃，环境粉尘含量低于950ppm。过高的温度会造成变频器温度过热保护而跳闸，粉尘含量过高导致变频器通风滤网更换清洗维护量过高，增加维护费用。因此，采用何种冷却方式和系统结构至关重要。
为了解决高压变频器的运行环境冷却和控制问题，根据客户提出的思路，借鉴了大功率高压电动机的空－水冷却热交换装置的方式进行设备冷却，实现高压大功率变频器设备的运行环境温度控制。从而，提高系统安全可靠性、降低运营成本。鉴于，高压大功率电机冷却均采用背负式或侧装式密封连接结构实现电动机热量的散失和降温控制，该系统采用了侧装结构通过风道与设备本体热风出口连接。具体的连接原理如下图所示。
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a） 设备安装简单、快捷。整体式的结构组件安装于变频器室外，室内采用风道与变频器柜顶排气口直接连接，整体结构紧凑，便于安装。
b） 设备使用寿命长，故障率低，性能可靠。由于热交换装置采用完全机械结构设计，较空调等电力、电子设备而言具有明显的安全、可靠性，具有较高的使用寿命。如果一旦冷却系统出现水路系统故障，则可关闭进出水阀门；通过风路管道系统设置的上下风门，可以直接将热风外排到室外，吸入冷风实现开放式循环，从而大大提高了变频器安全、可靠性。
c） 运营成本低。空－水热交换装置的运营成本是同等热交换功率空调冷却方式的1/5~1/6。冷却电耗指标远远低于空调冷却，避免了能源节约的二次浪费。
d） 变频器维护量低，环境卫生。由于房间密闭，空－水热交换装置与变频器室形成密闭式循环风进行设备冷却，具有粉尘进入量小，环境温、湿度稳定等特点。滤网清洗周期有原来的15～30天延长到2～3个月以上，大大减轻了现场设备维护量和人力成本。
e） 冷却风机冗余结构配置。系统中采用的增压风机设计风压、风量均大于变频柜顶风机的风压、风量排放值，当变频器柜顶或增压风机出现问题时不会影响系统的冷却效果。
该系统设备整体安装于高压变频器室墙外，避免冷却水管线在高压室内布局容易出现破裂后漏水危及高压设备运行安全的严重事故发生。在空－水热交换装置的设计当中，为了防止装置出口侧凝露带水排入室内，对装置的出风口、风速等指标进行设计计算；保证良好的排压情况下，运行安全稳定。同时，冷却系统提供风机、空－水冷却装置的故障报警检测点与变频器连接，通过综合报警信号远传至DCS。完整的冷却系统解决方案，为主要设备的运行安全提供可靠保障。
三、应用案例
该项技术在大唐国际电力集团下属某电厂2×300MW机组一次风机变频器冷却改造项目中与客户合作得到实际应用。两台机组在6.9m层一高压室安装4台（1400kW/6kV）一次风机变频器，运行满负荷电流167A，每台变频器柜顶冷却风机循环总风量16000m3/h。
采用空调冷却时，以单台变频器按变频器额定功率1400kW，运行效率96％进行计算：变频器的最大散热功率为1400×4％＝56kW。考虑到房间的空间尺寸，以及变频器室的系统热交换不能为1等情况，空调的最小设计裕度为1.25倍。即：空调的热交换功率不小于70kW，则4台变频器一共需要安装了12P空调10台，每台空调制冷量28kW，空调能效比为2.5:1，额定功耗11.6kW×10＝116kW。以每台空调3万元计算，总投资30万元。
籍此，运行中空调始终处于全开情况。夏季机组高负荷期，变频器室空调全开下，仍不能维持环境温度在40℃以内，危机设备运行安全，且二次能源浪费严重。为此，经过充分调研、论证后，决定对变频器室的空调冷却系统进行改造，采用运营成本和可靠性高的空－水冷却系统。
该热交换装置，按变频器的最大散热功率1400×4％＝56kW，并根据房间的空间尺寸，考虑到极限运行情况下的发热量和交换效率的因素计算空－水冷却装置的设计裕度为1.1倍。即：热交换装置功率不小于61.6kW，实际选用的热交换装置功率为63kW。那么，4台一次风机变频器需配置4台63kW的空－水冷却装置，初步投资29万元。
设备投运后，经过30天的运行数据统计，变频器在正常运行时，详细运行参数如下：
| 参数名称 | 参数值 | 参数名称 | 参数值 |
| 冷却器进水温度（℃） | 27 | 冷却器回水温度（℃） | 30 |
| 冷却器进水压力（MPa） | 0.3 | 冷却器回水压力（MPa） | 0.25 |
| 环境温度（℃） | 25 | 变频器室室温（℃） | 28 |
| 变频器功率柜温度（℃） | 28 | 变频器变压器柜温度（℃） | 57 |
通过以上数据表明：采用空水冷却后变频器室内的温度得到有效控制，冷却总耗电功率仅为17.2kW，能耗水平大大降低。空调器出留有4台作为备用外，其余设备挪作他用，资源得到合理分配利用。
按年运行8000小时，当地电价按0.3元/度电计算，由上表数据可得出，空－水冷年耗电量为Q1=17.2*8000=137600度≈13.8万度，而空调制冷方案年耗电量为Q2=116*8000=928000度≈92.8万度，则采用空－水冷年耗电量可节省79万度，折合约23.7万元。考虑到空调制冷方案的年维护费用，则采用空－水冷一年可节约24万元。
四、结束语
通过对两种冷却系统方案的分析、论证，对两种方案在设备选型、功能、维护等指标进行综合对比，各项指标的数据对比情况汇总如下：
| 序号 | 技术指标 | 4×1400kW一次风机变频器室 | |
| 1 | 冷却方案 | 空调制冷方案 | 空－水冷热交换方案 |
| 2 | 变频器额定散热功率 | 224kW | 224kW |
| 3 | 额定冷却功率 | 280kW | 252kW |
| 4 | 设备安装数量 | 10台 | 4套 |
| 5 | 设计余量系数 | 1.25 | 1.1 |
| 6 | 旁路处理方式（设备故障） | 无 | 可通过室外开放式循环冷却 |
| 7 | 平均无故障运行时间 | 10000小时 | 50000小时 |
| 8 | 设备维修要求 | 设备复杂 | 结构简单 |
| 9 | 冷却电耗指标 | 116kW | 17.2kW |
| 10 | 单位冷却运营成本 | 0.124元/kW | 0.02元/kW |
通过对两种方案的比较可以看出：采用空－水热交换装置方案具有良好的综合性价比优势，更适合于电厂一次风机变频器冷却改造项目冷却系统工程，可节约大量的投资成本和运行费用，符合系统化节能、环保的要求。
此次冷却项目的成功应用，为提高高压变频节能项目的整体系统化节能水平，降低项目总投资，避免能源二次浪费等方面起到了积极作用。为解决大功率、超大功率、高密度变频器设备散热问题提供了一种有效的解决途径。
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