韋志新

（蕪湖華衍水務(wù)有限公司，安徽蕪湖 241000）

1 變頻器室概況及外循環(huán)存在的問題

1.1 變頻器室概況

華東某水廠的建設(shè)規(guī)模為每天15 萬噸，變頻室的平面尺寸為18×8 m，高4.5 m，室內(nèi)空間約648 m3，室內(nèi)布置有400 kW、800 kW 高壓軟啟柜各1 臺(tái)，施耐德ATV1200-1000-A100、ATV1200-500-A100 高壓變頻控制柜各1 臺(tái)，無功補(bǔ)償柜2 臺(tái)。主要發(fā)熱設(shè)備為2 臺(tái)變頻器（圖1，圖2）。

圖1 變頻室設(shè)備布置

圖2 高壓變頻裝置組成

改造前的冷卻方式為每臺(tái)高壓變頻器裝有3 臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口加裝通風(fēng)管道至室外，通風(fēng)管出口設(shè)置濾網(wǎng)，防止蚊蟲等進(jìn)入，變頻室的一面墻設(shè)置百葉窗并裝有防蚊蟲紗窗，通過內(nèi)外循環(huán)，降低室內(nèi)溫度，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

1.2 現(xiàn)有散熱方式及優(yōu)缺點(diǎn)

變頻器使用環(huán)境要求：40 ℃＞溫度＞0 ℃，溫度變化＜5 ℃/h，建議環(huán)境溫度控制在25 ℃左右。濕度＜95%（20 ℃），相對(duì)濕度的變化率每小時(shí)不超過5%，避免結(jié)露。空氣中不能有較大灰塵、腐蝕性（爆炸性）氣體、導(dǎo)電粉塵，環(huán)境粉塵含量低于950×10-6。每臺(tái)變頻器由24 個(gè)功率單元組成，兩臺(tái)共48 個(gè)功率單元。水廠2015年7 月正式投產(chǎn)，在運(yùn)行3 年半后，功率單元頻繁出現(xiàn)光纖、欠壓、過壓、過流等故障。后經(jīng)變頻器供應(yīng)商現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和返廠檢測(cè)，主要原因?yàn)楣β蕟卧泄庠骷趸瘜?dǎo)致的故障。初步分析與設(shè)備運(yùn)行環(huán)境有關(guān)，工廠周邊分布有火力發(fā)電廠、鋼鐵廠、造紙廠等，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量有一定的影響。加之變頻室采用的是外循環(huán)方式，導(dǎo)致運(yùn)行過程中室外空氣進(jìn)入到室內(nèi)，所以是否可以考慮將外循環(huán)改成內(nèi)循環(huán)。

2 散熱方案探討

通常室內(nèi)散熱降溫方式有風(fēng)機(jī)及風(fēng)道換熱、空調(diào)降溫、水冷或空冷降溫。

2.1 空調(diào)

2.1.1 制冷量測(cè)算

高壓變頻器的發(fā)熱部件主要為整流變壓器和功率單元，發(fā)熱量與運(yùn)行工況有關(guān)，隨著頻率的升高發(fā)熱量相應(yīng)增加，根據(jù)產(chǎn)品說明書，最大發(fā)熱量為變頻器額定功率的4%，一般按額定功率的2%～4%進(jìn)行估算。結(jié)合水廠的運(yùn)行實(shí)際，按高壓變頻器額定功率的3%的估算，即發(fā)熱量分別為12 kW 和24 kW，兩臺(tái)合計(jì)36 kW。房間空間制冷量約20 kW，因此空調(diào)總制冷量為56 kW。只有大型工業(yè)空調(diào)才能滿足制冷量要求。

2.1.2 空調(diào)降溫的利弊

（1）優(yōu)點(diǎn)：房間封閉，室內(nèi)外空氣通過空調(diào)流通，可以充分保證室內(nèi)空氣及環(huán)境清潔。同時(shí)，如果空氣濕度較高，還可以啟用除濕模式運(yùn)行，保證設(shè)備在干燥環(huán)境運(yùn)行。

（2）缺點(diǎn)：考慮到單臺(tái)空調(diào)的可靠性及制冷量，至少要配置2 臺(tái)以上，因此采購(gòu)成本較高，后期運(yùn)行電費(fèi)也較高，由于是連續(xù)運(yùn)行，制冷劑的消耗也相對(duì)較快。

2.2 風(fēng)機(jī)（現(xiàn)有散熱方式）

單臺(tái)GFD410-155N 冷卻風(fēng)機(jī)的流量為3000 m3/h，兩臺(tái)變頻器共設(shè)置6 臺(tái)風(fēng)機(jī)。在每臺(tái)機(jī)柜上安裝一個(gè)風(fēng)道，將變頻器產(chǎn)生的熱量排放到室外，房間的進(jìn)風(fēng)是通過墻體的百葉窗，由變頻器室的進(jìn)風(fēng)口不斷補(bǔ)充冷風(fēng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。風(fēng)機(jī)散熱優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備采購(gòu)成本低，運(yùn)行費(fèi)用較低，可靠性較高，散熱效果較好。風(fēng)機(jī)散熱缺點(diǎn)：噪聲大、對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求高，如果現(xiàn)場(chǎng)比較臟，灰塵比較大將直接影響變頻器使用壽命。而且沒有除濕功能，對(duì)江南潮濕多雨地區(qū)使用尤為不利。

2.3 水（空）冷散熱

水空冷卻系統(tǒng)是一種環(huán)保、高效、節(jié)能的冷卻系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)外有著廣泛的運(yùn)用。其工作原理如圖3 所示：風(fēng)機(jī)出來的熱風(fēng)，經(jīng)過風(fēng)管連接到散熱器，散熱器中通過溫度較低（一般要求低于28 ℃）的冷水，熱風(fēng)經(jīng)過換熱管后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風(fēng)從散熱片吹出，熱量被冷卻水帶走，保證了室溫恒定。

圖3 水（空）冷散熱的工作原理

對(duì)安裝環(huán)境及冷卻水的要求：環(huán)境密閉，冷卻水無腐蝕性，pH 值為中性，溫度≤30 ℃、壓力≥0.2 MPa，流量≥20 m3/h。換熱器的維護(hù)簡(jiǎn)單易行，一般1 年維護(hù)1 次。

3 改造方案比選

3.1 3 種散熱方式對(duì)比

3.1.1 風(fēng)機(jī)及風(fēng)道（現(xiàn)有運(yùn)行方式）

這種散熱方式通過近4 年的運(yùn)行，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些問題，兩臺(tái)變頻器共有48 個(gè)功率單元，近一年已陸續(xù)維修和更換了約1/4，維修和更換費(fèi)用近30 萬元。

3.1.2 風(fēng)冷空調(diào)

根據(jù)上文計(jì)算的制冷總量56 kW，由于制冷量很大，一般的風(fēng)冷空調(diào)很難滿足散熱要求，加之設(shè)備采購(gòu)成本及運(yùn)行成本高。

3.1.3 水冷空調(diào)

水冷空調(diào)是利用換熱降溫原理，冷卻水溫度越低、水量和水壓越高，降溫效果越好，因此，具有降溫和除濕雙重功能。

水冷空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）成本小，效能大。水冷空調(diào)相對(duì)其他空調(diào)產(chǎn)品，其成本較小，另外，水冷空調(diào)每小時(shí)送冷風(fēng)量達(dá)18 000 m3，且風(fēng)壓大、送風(fēng)遠(yuǎn)。制冷效果不受天氣炎熱影響，天氣越熱制冷效果越好。

（2）節(jié)能環(huán)保。水冷空調(diào)的運(yùn)行成本低，每小時(shí)僅需用電1 kW，而與常用空調(diào)相比，水空調(diào)夏季可節(jié)能15%～40%，冬季可節(jié)能40%～50%。另外，它沒有使用氟利昂類的物質(zhì)，對(duì)環(huán)境無污染，屬于環(huán)保型產(chǎn)品。

（3）功能多樣。水冷空調(diào)集通風(fēng)、防塵、除味、降溫于一體，能保證室內(nèi)的舒適。還具備了換氣的功能，無形間增加空氣含氧量，有利于人體健康。

水冷空調(diào)的缺點(diǎn)：

（1）在使用時(shí)是通過水蒸發(fā)，這個(gè)水一般是自來水。如果使用時(shí)間長(zhǎng)，容易滋生細(xì)菌。這會(huì)導(dǎo)致日常維護(hù)比較麻煩。所以，在對(duì)空調(diào)進(jìn)行維修保養(yǎng)時(shí)，要注意對(duì)水管進(jìn)行定期清洗，以提高使用效果及壽命。

（2）由于水冷式空調(diào)在使用時(shí)要用到水，所以可能會(huì)存在漏水隱患。這樣，要用心對(duì)空調(diào)進(jìn)行日常檢修，對(duì)零件仔細(xì)進(jìn)行保養(yǎng)更換。

（3）熱交換過程是空氣→冷媒→水→空氣，因?yàn)槭情g接換熱，所以運(yùn)行效率比較低。

3.2 改造方案確定

通過以上分析比選，在自來水廠，冷卻水量、水壓、水質(zhì)滿足的情況下，綜合改造成本、運(yùn)行成本，最終確定由變頻器風(fēng)道散熱的外循環(huán)改為水冷空調(diào)的內(nèi)循環(huán)。

3.3 方案的實(shí)施

（1）變頻器室封閉。拆除現(xiàn)有百葉窗，加裝隔熱防爆玻璃。對(duì)6 個(gè)變頻器風(fēng)機(jī)風(fēng)道進(jìn)行拆除，并對(duì)穿墻處進(jìn)行密封。

（2）水冷空調(diào)選型。根據(jù)制冷量和現(xiàn)場(chǎng)布置情況，決定采用東元（TECO）L62TDFB 型單元式水冷機(jī)組。主要參數(shù)如下：制冷量62 kW，功率17 kW，風(fēng)量9000 m3/h，制冷能效比3.5 W/W。

（3）水冷空調(diào)安裝調(diào)試。由廠家指導(dǎo)，設(shè)備就位，電源線（380 V）布置，進(jìn)出水管鋪設(shè)，調(diào)試運(yùn)行。

4 運(yùn)行效果分析

全部改造成本約8 萬元，含設(shè)備采購(gòu)、電源電纜、進(jìn)出水管、變頻室及風(fēng)道密封等。從2019 年5 月改造完成運(yùn)行至今，變頻器運(yùn)行良好。室內(nèi)溫度基本上控制在26 ℃左右，濕度≤40%，夏季日耗電量約50 kW·h，冬季日耗電量約30 kW·h，年電耗約1.5×104kW·h，運(yùn)行費(fèi)用約1 萬元。由于冷卻水回用到清水池，所以用水成本可忽略不計(jì)。由于變頻器運(yùn)行環(huán)境得到了改善，變頻器故障率下降了80%。通過改造每年可為該水廠節(jié)約變頻器維修費(fèi)用10 多萬元。