高压变频器冷却系统分析及优化

（福建省福能龙安热电有限公司 福建宁德 355208）

0 引言

变频器具有节能、调速平稳、对电网影响小的优点，广泛运用于电力生产企业。变频器内电气元件较多，结构复杂，对运行的环境条件要求较高。变频器运行过程中会产生大量的热量，必须解决其散热问题。一般变频器厂家要求工作环境温度在0～40 ℃范围内，相对湿度不得超过80%［1］，尘污染粒径小于100 μm，浓度小于0.3 mg/m3。结合某热电厂现场实际，通过对常用的内循环空气冷却、外循环空气冷却、空-水冷却等3种变频器冷却方式分析比较，在实际优化改造过程中采用具有节省系统制冷能耗、提高变频器冷却效果、优化室内空气洁净度等优点的空-水冷却方式，取得了较理想的效果。

1 热电厂高压变频器冷却系统现状及存在问题

1.1 热电厂高压变频器冷却系统的现状

某热电厂高压变频器的冷却采用外循环空气冷却的方式，通过变频器顶部的风扇将变频器产生的热量排至变频器室外，变频器室内形成负压，外部新鲜风流通过换气窗通风滤网进入变频器室内，夏天高温时段使用室内空调辅助进行调节室内温度。热电厂变频器使用情况统计，详见表1。

表1 变频器使用情况统计表

1.2 热电厂高压变频器冷却系统存在的问题

热电厂地处南方沿海地区，空气潮湿、含盐量高且夏季气温高，加上燃煤机组运行过程中灰渣产生的粉尘较大。现有的变频器采用外循环空气冷却方式，运行过程中存在在以下问题。

（1）变频器室内粉尘大，造成变频器电气元件上积尘较大；

（2）变频器室内湿度受天气影响较大，尤其是梅雨季节大量潮湿空气进入变频器室内，对变频器运行环境造成影响；

（3）变频器室靠近机组排水槽，周围空气常年因水蒸气蒸发湿度大，大量潮湿的新风进入变频器室内，可能造成变频器内部电弧放电，击穿元器件［3］；

（4）沿海地区含盐量高的空气进入变频器内会造成变频器元件被腐蚀，影响使用寿命；

（5）夏季空气温度高达38 ℃，外循环大量风量进入变频器室内，加之变频器运行产生大量热量，需要室内空调辅助制冷，否则可能造成变频器功率单元超温。

1.3 变频器运行中存在故障

以锅炉二次风机变频器为例，热电厂一号锅炉二次风机变频器于2018 年4 月B7 功率单元出现故障，检查功率电源发现电子元件上积尘较厚，且故障点有电击穿痕迹；2019 年6月同一变频器A7 功率单元出现故障，检查后发现故障模块不仅有积尘还有存在印刷电路板被腐蚀的现象。两次故障都表明变频器室内粉尘大、潮湿、含盐高是造成变频器故障的主要原因，加之变频器长时间不间断运行，不具备清扫的条件，变频器运行存在隐患，威胁机组运行安全。

2 冷却方式对比分析与选择

2.1 冷却方式的分析

参考目前各电厂高压变频器冷却系统冷却方式，对外循环空气冷却方式、内循环空气冷却方式、空-水冷却方式［2］进行对比分析，从冷却方式安全可靠性、技术先进性、经济合理性的分析比较，详见表2。其中，为了减少多台变频器运行干扰对比分析，计算数据以一号锅炉二次风机变频器为例。

2.2 运行经济性计算

（1）外循环空冷方式原则上不需要通过空调制冷进行冷却，但在实际运行过程中，夏季空气温度达35 ℃以上时需要空调辅助制冷降低室内温度，且因为变频器换风量较大，空调基本属于满负荷运行，根据统计分析2018—2020 年度平均值，得知空调需要运行时长为600 h 左右。

表2 变频器冷却冷却方式比较表

外循环空冷方式全年电量：

式中：Pe为空调电功率，值为10.6 kW；T 为运行时间，取值600h。

（2）内循环空冷方式完全使用空调制冷方式进行，故变频器产生的热量完全需要空调制冷解决。

变频器元件的总发热量［4］：

式中：Pb为变频器功率（容量），值为630；η 为变频器效率，一般为96%。

内循环空冷方式全年电量：

式中：EER 为能耗比，取值2.6；T 为运行时间，取值7 000 h。

（3）根据变频器元件的总发热量25.2 kW，空-水冷却方式选型OZAF-100T-30(30 kW 制冷量)空水冷机，机身风扇功率1.5 kW，接入闭式水系统水流量8 m3/h，折算水流量电功率为1.88 kW。

空气-水冷却方式全年电量：

式中：Pf为风扇功率，取值1.5 kW；Ps为水流量电功率，取值1.88kW；T 为运行时间，取值7 000 h。

2.3 改造方案的选择

经过安全、技术、经济综合比较并根据现场实际情况，认为空-水冷却方式为最佳改造方案，该方案具有以下特点。

2.3.1 密闭冷却，安全性高

整个冷却过程中，风流均在变频器内部循环，减少沿海地区空气潮湿、含盐量高的影响，同时也保证外部粉尘不易进入变频器室内，提高了变频器内电气元件运行的安全性。

2.3.2 技术可靠，稳定性强

改造过程直接购置一体式空-水冷机，经过专业设计的空-水冷机的循环风速、冷却水量、换热面积等参数有很好的适配性，加之设备冷却水源选择清洁、可靠、稳定的机组闭式冷却水，大大保证了冷却效果；为了防止空水冷装置故障造成变频器室无法冷却降温，设置了应急排风口，打开应急排风口后能使用空冷外循环方式进行应急冷却，提高冷却方式的可靠性。

2.3.3 节能减排，经济性好

设备一次性投资后可以长期使用，基本没有日常运行费用；设备冷却水源来自公用系统的闭式水，减少了辅机设备的投入和能耗；设备运行能耗值仅为空冷内循环的1/3，降低了厂用电耗，节约运行成本。

3 改造方案的实施

3.1 空-水冷设备参数及配置

以制冷量30 kW 的空-水冷设备为例，参数及配置见表3。

表3 空-水冷设备参数及配置

3.3 空-水冷设备的改造安装

以某热电厂二次风机变频器室为例（见图1），对变频器室内部两个换气窗以及室外的两个排风口进行封堵，将原有的外循环改为内循环；将两个排风口使用风道进行连接并在中间位置引一条风道与空-水冷器入风口相连；将空-水冷器出风口位置墙面凿穿对接出风口并设置粉尘过滤网；设备冷却水源取自二次风机旁的闭式水进出水母管，因闭式水温26 ℃～28 ℃，水压为0.5 MPa，大于设备水流工作压力，故在设备进口处设置一二次阀门及压力表，二次门用于调整冷却水压力，在设备出水侧安装一道截止门；设备电源取自变频器室空调电源；设备改造到位后原有的空调不拆除，用作应急备用。

3.4 应用效果

某热电厂将二次风机变频器原有的外循环空冷方式改造为空-水冷内循环方式，安装了一套空-水冷设备，充分利用就近的闭式水做完设备冷却水源，使用过程中闭式泵电流无明显增加，水侧循环电耗忽略不计。在使用的半年时间里变频室内温度平稳控制，未出现较大波动的现象，更明显得到改善的是变频器室内的环境的清洁度，给常年运行的变频器内部创造了安全的空气环境。

4 结语

通过分析电厂变频器冷却方式存在的问题的现状，比较分析三种冷却方式的优缺点，选用空-水冷却方式在二次风机变频室上应用，效果较好。采用空-水冷却方式从经济性、安全可靠性、技术先进性都具有推广的意义。考虑电力行业变频器常年运行，改造空-水冷却方式过程需要固定的检修时间段进行，改造前可以尝试将外循环空冷方式改造为内循环空冷方式作为过渡阶段，避免空气洁净度不够对设备运行造成风险。