水泥廠高壓變頻室冷卻方式的選擇
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臺(tái)泥水泥（英德）有限公司???????
包生提
廣州能環(huán)電氣機(jī)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(shè)備，對(duì)環(huán)境要求比較嚴(yán)格。風(fēng)水冷系統(tǒng)的應(yīng)用可以很好的解決高壓變頻器在運(yùn)行中的散熱和防塵問(wèn)題，為高壓變頻節(jié)能改造中降低冷卻系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)安全可靠性，提供重要的可借鑒經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：風(fēng)水冷系統(tǒng)；高壓變頻器；散熱；節(jié)能
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0 引言
臺(tái)泥水泥（英德）公司#1－#４生產(chǎn)線窯頭配有8臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻器，自投運(yùn)以來(lái)，取得了明顯的節(jié)能降耗效果。由于高壓變頻器應(yīng)用中的設(shè)備散熱和運(yùn)行環(huán)境問(wèn)題成為直接影響變頻器自身運(yùn)行可靠性和機(jī)組安全穩(wěn)定的重要因素。而且，隨著變頻器裝機(jī)容量和功率的增加，其輔助冷卻系統(tǒng)的投資和運(yùn)營(yíng)成本也逐漸成為項(xiàng)目實(shí)施不可小覷的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。采取配套適用的高壓變頻專用冷卻系統(tǒng)，對(duì)提高設(shè)備安全穩(wěn)定性能、降低輔助冷卻系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)高壓變頻節(jié)能項(xiàng)目收益最大化，具有積極意義。
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1 系統(tǒng)配置
臺(tái)泥水泥（英德）公司#1－#４生產(chǎn)線窯頭風(fēng)機(jī)變頻器由西門子公司生產(chǎn)的3550KW和2550KW變頻器各1臺(tái)安裝在一個(gè)房間內(nèi)、共四個(gè)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(tái)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)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(zhǎng)期穩(wěn)定和可靠地運(yùn)行，對(duì)變頻器的安裝環(huán)境作如下要求：最低環(huán)境溫度-5℃，最高環(huán)境溫度40℃，工作環(huán)境的溫度變化應(yīng)不大于5℃/h。
當(dāng)變頻器滿負(fù)荷工作時(shí)，其總損耗（轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚┘s為系統(tǒng)額定功率的4%，比如1000kW變頻器滿負(fù)荷工作時(shí)，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(nèi)，將會(huì)使室內(nèi)溫度迅速升高，嚴(yán)重影響變頻器的正常運(yùn)行。因此，應(yīng)考慮配備相應(yīng)的散熱設(shè)備。
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2 高壓變頻冷卻方式
2.1 直排熱風(fēng)式式冷卻
采用直排熱風(fēng)式的散熱方案（其示意圖如圖2所示），將變頻器產(chǎn)生的熱風(fēng)經(jīng)風(fēng)道引至室外，然后將室外自然風(fēng)經(jīng)變頻室濾網(wǎng)引至變頻室對(duì)變頻器進(jìn)行冷卻；此方案具有經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性不高，特別是在南方夏天高溫高濕的環(huán)境下散熱效果會(huì)大幅下降；另外，水泥廠環(huán)境比較惡劣，空氣中粉塵含量高，對(duì)變頻器中的電子元器件是一種威脅，高速含塵的風(fēng)通過(guò)風(fēng)道極易造成風(fēng)道內(nèi)空氣過(guò)濾棉堵塞，造成變頻器內(nèi)形成負(fù)壓，不利于散熱，同時(shí)增加更換空氣過(guò)濾棉的頻度。
圖2
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2.2 空調(diào)冷卻
本文以臺(tái)泥水泥（英德）公司#1生產(chǎn)線窯頭變頻室為例，#1生產(chǎn)線窯頭變頻室內(nèi)安裝有3550KW和2550KW變頻器各1臺(tái)。變頻器發(fā)熱根據(jù)運(yùn)行工況選擇，最大發(fā)熱量為變頻器額定功率的4%，如果使用空調(diào)冷卻，則發(fā)熱量可按照變頻器額定功率的2%進(jìn)行估算。
根據(jù)上述原則#1生產(chǎn)線窯頭變頻器總發(fā)熱量為（3550KW＋2550KW）×2%＝122 kW
按照房間實(shí)用面積計(jì)算空間，單獨(dú)空間制冷所需的空調(diào)容量，一般每平方米可以按照150瓦特計(jì)算。初步估算#1生產(chǎn)線窯頭變頻室空間制冷量為180×150＝27 kW
空調(diào)總體的制冷量＝變頻器的發(fā)熱量＋空間制冷所需的制冷量＝122KW＋27kW＝149 kW???
空調(diào)容量的確定原則為：按照變頻器的發(fā)熱量和控制室環(huán)境實(shí)用面積來(lái)選擇空調(diào)的容量。
空調(diào)配置功率：其用量約為149÷2.5（制冷比）＝60匹。
2.3 風(fēng)水冷系統(tǒng)冷卻
風(fēng)水冷卻系統(tǒng)是一種利用高效、環(huán)保、節(jié)能的冷卻系統(tǒng)，其應(yīng)用技術(shù)在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。從變頻器出來(lái)的熱風(fēng)，經(jīng)過(guò)風(fēng)管連接到內(nèi)有固定水冷管的散熱器中，散熱器中通過(guò)溫度低于33℃的冷水，熱風(fēng)經(jīng)過(guò)散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風(fēng)從散熱片吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，保證變頻器控制室內(nèi)的環(huán)境溫度不高于40℃。主要由增壓風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、冷卻器、智能控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。
安裝風(fēng)-水冷散熱裝置，要求必須在密閉環(huán)境中，為了提高冷卻效果，安放設(shè)備的空間盡可能小。流入風(fēng)-水冷散熱裝置的水為工業(yè)循環(huán)水，為保護(hù)設(shè)備，要求循環(huán)水的PH值為中性，且無(wú)腐蝕損壞銅鐵的雜質(zhì)，進(jìn)水的水壓一般為0.1～0.5Mpa，進(jìn)水溫度≤33℃。
根據(jù)變頻器的發(fā)熱參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定選用BPFL-60型水冷器和T35-1.5KW增壓風(fēng)機(jī)各4臺(tái)作為#1生產(chǎn)線窯頭變頻室冷卻系統(tǒng)的主要設(shè)備，風(fēng)水冷示意圖如圖3所示：
圖3
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風(fēng)-水冷散熱裝置整體安裝于高壓變頻器電氣室墻外，采用風(fēng)道與變頻器的柜頂排氣口直接連接，提高了冷卻器的設(shè)備運(yùn)行效率，能夠?qū)ψ冾l器排出的熱氣直接降溫處理。同時(shí)，避免冷卻水管線在高壓室內(nèi)布局容易出現(xiàn)破裂后漏水危及高壓設(shè)備運(yùn)行安全的嚴(yán)重事故發(fā)生。在風(fēng)-水冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，為了防止風(fēng)-水冷散熱裝置出口側(cè)凝露冷風(fēng)帶水排入室內(nèi)，對(duì)風(fēng)-水冷散熱裝置的出風(fēng)口、風(fēng)速等指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；保證良好的排壓情況下，運(yùn)行安全穩(wěn)定。由于風(fēng)-水散熱系統(tǒng)是閉式循環(huán)，徹底解決了變頻室外空氣濕度大、粉塵多對(duì)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(xiàng)目 |
直排熱風(fēng)式式冷卻 |
空調(diào)制冷冷卻 |
風(fēng)-水冷裝置冷卻 |
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可靠、穩(wěn)定性 |
可靠性差、受環(huán)境影響 |
可靠穩(wěn)定，不受外界環(huán)境影響 |
可靠穩(wěn)定，不受外界環(huán)境影響 |
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經(jīng)濟(jì)性 |
投資成本低、運(yùn)行成本非常低 |
投資成本較高、運(yùn)行成本高 |
投資成本較高、運(yùn)行成本低 |
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運(yùn)行環(huán)境 |
受外界環(huán)境粉塵影響 |
環(huán)境粉塵少 |
環(huán)境粉塵少 |
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維護(hù) |
維護(hù)周期短、一般一周維護(hù)一次 |
維護(hù)周期中等，室外機(jī)需經(jīng)常清洗 |
維護(hù)周期長(zhǎng)，一般半年至一年對(duì)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(jìn)水30℃、壓力0.2 Mpa、出風(fēng)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(yùn)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(fēng)機(jī) |
163.8 |
196.5 |
49.87 |
51.7 |
53.3 |
46.2 |
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#1線窯尾風(fēng)機(jī) |
124.9 |
149.8 |
47.30 |
62 |
65.1 |
64.8 |
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4 ?年運(yùn)行費(fèi)用統(tǒng)計(jì)
4.1?
采用空調(diào)冷卻的費(fèi)用
??? 根據(jù)
⑴ 年耗電費(fèi)＝60×0.735×8000（h）×0.4元/度＝14.11萬(wàn)元。
⑵ 設(shè)備費(fèi)用約15萬(wàn)元/臺(tái)。
4.2?
采用風(fēng)水冷系統(tǒng)冷卻的費(fèi)用
???????
根據(jù)2.3的分析，主要費(fèi)用有：
⑴ 年耗電量＝4臺(tái)×1.5kw×8000（h）×0.4元/度＝1.9萬(wàn)元；
⑵ 設(shè)備費(fèi)用（含現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試費(fèi)）約為30萬(wàn)元；
⑶ 循環(huán)水費(fèi)用則依現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定，用量有限。
5? 總結(jié)
我們可以看出采用風(fēng)水冷系統(tǒng)的電費(fèi)只占空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用的13% ，即該系統(tǒng)比空調(diào)制冷節(jié)能87%，而建成完整空水冷系統(tǒng)的費(fèi)用與空調(diào)兩年的運(yùn)行費(fèi)用基本相當(dāng)（實(shí)際費(fèi)用依工程量不同有所增減），另外，即使用風(fēng)水冷系統(tǒng)冷卻，如果設(shè)計(jì)、選型不合理，也達(dá)不到滿意的冷卻效果。
因此高壓變頻等大功率熱源設(shè)備的冷卻系統(tǒng)可依據(jù)各企業(yè)情況確定：
⑴ 直排熱風(fēng)式適應(yīng)于市政供水、燃?xì)獍l(fā)電等運(yùn)行環(huán)境粉塵少、變頻容量小的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)；
⑵ 空調(diào)制冷法適應(yīng)于原有中央空調(diào)或工業(yè)空調(diào)，而且有足夠余量的企業(yè)；
⑶ 風(fēng)水冷系統(tǒng)則非常適合自有循環(huán)冷卻水的企業(yè)（如：電廠、鋼鐵廠、水泥廠），而且變頻總?cè)萘吭酱笤浇?jīng)濟(jì)；
⑷ 對(duì)于冶煉、礦山、煤炭等沒(méi)有專用循環(huán)冷卻水或水量不足的企業(yè)，可以由風(fēng)水冷系統(tǒng)廠家做專門設(shè)計(jì)，以達(dá)到相應(yīng)制冷效果。
作者簡(jiǎn)介：包生提? 男? 工程師? 臺(tái)泥水泥（英德）有限公司? 設(shè)備部副處長(zhǎng)
陳勝文（1973-）男 工程師、高級(jí)技師，專業(yè)從事電氣設(shè)備制冷設(shè)計(jì)、成套、安裝。就職廣州能環(huán)電氣機(jī)械科技有限公司，電話：020-39237846