礦井水處理工程變頻器通風空調冷卻方案分析

王 海 超

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

變頻器主要用于風機、水泵、壓縮機等電動設備工作頻率的調節及平穩啟動，從而有效降低設備能耗，防止設備直接啟動時瞬間產生的較大電流損壞電機。變頻器可廣泛應用于冶金、煤炭、電力、石油化工等工業領域。

變頻器在降低了電動設備功耗的同時，仍有2%～4%左右功耗轉換成熱量。為了確保變頻器正常運行及使用壽命，須將這些熱量及時排除。變頻器正常工作使用環境溫度一般為5 ℃～40 ℃，其對安裝環境的空氣潔凈度也有很高的要求，一般要求環境污染等級不超過2級[1]。變頻器室室內環境溫度、空氣質量是變頻器安全、長期穩定運行的重要因素。

1 變頻器冷卻方式

根據室外環境溫度、空氣質量、變頻器規格參數等因素，設計選擇適合的變頻器冷卻方案。目前常用的變頻器風冷冷卻方式有直流通風冷卻、分體空調密閉冷卻、空氣—水降溫通風冷卻等。

1.1 直流通風冷卻

室外冷風經組合式風機箱(內含進風段、過濾段、風機段)進入室內，對變頻器冷卻后由變頻器柜自帶排風機排至室外。嚴寒、寒冷地區的變頻器室，宜在變頻器柜體的排風罩或排風管上設置室內排風口，以便冬季利用變頻器散熱來維持室內溫度，具體布置如圖1所示。

直流通風冷卻方式主要利用室外空氣對變頻器降溫，當夏季室外溫度過高時，應使用分體空調輔助降溫。該冷卻方式在室外通風計算溫度較低、空氣質量好的地區，冷卻效果好、節能效果顯著。

直流通風冷卻方式系統簡單，但受室外空氣溫度的影響不能準確控制室內溫度，溫度上下波動較大，對變頻器使用壽命有一定影響。當設備室外取風處空氣質量較差時，變頻器柜與通風設備上過濾網需要定期清理，避免因濾網堵塞導致通風不暢，從而使柜體溫度過高，導致變頻器超溫故障。因系統運行能耗較低、設備初始投資也較少，該冷卻方式仍在被廣泛應用于一些項目中。

1.2 分體空調密閉冷卻

變頻器散出熱量直接散至室內，由布置于房間柜式分體空調機組進行降溫。空調機組制冷量根據變頻器發熱量進行選擇，其冷卻過程如圖2所示。

由于變頻器對運行環境溫度、潔凈度要求較高，分體空調密閉冷卻方式被逐漸推廣使用。在各種室外環境溫度下，分體空調密閉冷卻方式都可以將房間溫度維持在設定溫度，溫度波動很小，房間溫度分布很均勻。系統冷卻過程為室內封閉循環，可以避免室外污染空氣進入房間，適合應用于風沙大、空氣惡劣的室外環境。該冷卻方式系統初始投資較高，且空調運行能耗較大，室外溫度較低時，仍需消耗大量電能來維持室內環境溫度，造成了不必要的能量的浪費。

1.3 空氣—水降溫通風冷卻

當有工業循環水或冷水可以利用時，可以利用空氣—水降溫通風方式對變頻器降溫。變頻器產生的熱空氣通過風管送至空氣—水降溫通風機組，經表冷器冷卻后送回變頻器室。當工業循環水溫度不高于33 ℃時，該冷卻方式基本可保證室內環境溫度低于40 ℃[2]。在夏季室外空調濕球溫度較低時，循環冷卻水可獲得更低溫度，空氣冷卻效果較好。

相比較于直流通風冷卻，空氣—水降溫通風冷卻方式空氣循環為室內封閉循環，可為變頻器提供較好的室內環境。與分體空調密閉冷卻相比，該冷卻方式運行能耗較低，是一種節能、環保的冷卻方式。當所在項目有工業循環水可以利用時，該冷卻方式僅需投入一套組合式空調機組，系統的初始投資較低。當無工業循環水或冷水可以利用時，也可由變頻器廠家整體配套冷卻水系統，但系統初投資會有所增加。

空氣—水降溫通風冷卻方式具有安裝方便、運行安全可靠、操作簡單、維護工作量小等優點，被逐漸推廣使用。

空氣—水降溫通風冷卻過程示意圖見圖3。

2 案例分析

以榆林市巴拉素礦井水處理項目蒸發潔凈間高壓變頻器冷卻通風設計為例，蒸汽壓縮機的高壓變頻器所帶負載功率為2 500 kW。根據廠家提供數據，變頻器柜總散熱量約為87.5 kW，變頻器柜自帶風機額定排風量為40 800 m3/h，變頻器使用環境溫度宜為5 ℃～40 ℃，排風溫度要求不超過50 ℃。

2.1 直流通風冷卻設計選型及分析

為了保證變頻器室安全穩定運行，將夏季室內設計溫度設定為35 ℃[2]，考慮到設計溫度較高，圍護結構得熱量相較變頻器發熱量小，取變頻器柜進風溫度等于室外空氣溫度。榆林市夏季通風室外計算溫度為28 ℃，低于設計要求的35 ℃，夏季極端最高溫度38.6 ℃，也滿足廠家不超40 ℃的要求。

為了保證變頻器間的潔凈，房間宜保持正壓，設計選用兩臺22 500 m3/h組合式風機箱，設備布置如圖1所示。

校核變頻器排風溫度，公式[3]如下：

Q=CP×V×(TP-TS)。

其中，Q為變頻器柜總散熱量，kW；CP為空氣比熱容，1.01 kJ/(kg·℃)；ρ為空氣密度，kg/m3；V為送風機組額定排風量，m3/s；TP為變頻器柜排風溫度，℃；TS為變頻器柜進風溫度，℃。

當室外溫度為28 ℃時，變頻器柜排風溫度為34.4 ℃；當室外溫度為38.6 ℃時，變頻器柜排風溫度為44.9 ℃，均滿足廠家的排風溫度小于50 ℃要求。目前，中國大部分地區極端最高溫度均在43 ℃以下[4]，當極端最高溫度為43 ℃時，計算變頻器柜排風溫度為49.4 ℃，說明在各種室外氣候條件下，直流通風冷卻方式均可滿足變頻器的使用要求。

2.2 分體空調密閉冷卻選型及分析

基于變頻器室空調需常年制冷的特點，要求空調系統在室外溫度較低或較高時仍能具有較高的制冷能力。常規分體空調制冷工況的室外進風溫度運行區間為20 ℃～40 ℃。當室外溫度低于10 ℃，空調室外機冷凝器冷凝溫度過低，蒸發溫度也較低，導致蒸發器容易結霜、容易損壞、制冷能力下降。

榆林市年平均溫度8.3 ℃，冬季空調室外計算溫度-19.3 ℃，為了保證在室外低溫環境下空調機組的正常工作，根據變頻器總散熱量，設計選用4臺10P降溫變頻空調機，設備布置如圖2所示。空調機組適應室外環境溫度運行區間為-25 ℃～45 ℃，為了保證不同室外溫度空調機的制冷效率，壓縮機采用了變頻控制。空調室外風機具有調速功能，在室外溫度較低時，通過降低風機轉速，來降低冷凝器換熱效果，從而避免冷凝器溫度過低。

2.3 空氣—水降溫通風冷卻選型及分析

根據變頻器總散熱量及維持房間正壓，設計選用兩臺22 500 m3/h、制冷量為50 kW組合式空氣處理機組。夏季工業循環水溫度一般介于室外干球溫度與濕球溫度之間。榆林市夏季空氣調節室外計算濕球溫度21.5 ℃，干球溫度32.2 ℃。降溫通風冷卻機組送風溫度一般高于冷卻水供水溫度5 ℃以上，可知降溫通風系統溫度可控制在37.2 ℃以下。

對比以上三種冷卻方式的設計選型及分析，考慮當地夏季室外溫度較低，水處理項目室外工作環境空氣品質較好及節能環保等綜合因素，在項目中選用了直接通風冷卻方式。

3 系統經濟分析

針對上述案例，對比分析直流通風冷卻、分體空調密閉冷卻、空氣—水降溫通風冷卻三種冷卻方式的經濟性。從表1可以看出，直流通風冷卻相較其他兩種冷卻方式，初投資最少、年耗電量也最低,相比分體空調密閉冷卻方式每年可節約電量167 040 kWh，按照當地電價0.65元/kWh計算，年總成本可節約10.86萬元。表1中空氣—水降溫通風冷卻系統初投資是考慮變頻器廠家自帶冷卻水系統情況下估算，當所在工程有循環冷卻水系統可以利用時，僅需設置一套末端冷卻系統，系統初始投資預估僅7萬元左右。表中空氣—水降溫通風冷卻方式耗電功率15 kW為末端空調機組額定功率，10 kW為冷卻水泵及冷卻風機功率，相比分體空調密閉冷卻每年可節省電量109 440 kWh，每年可節約運行費用7.11萬元。

表1 三種冷卻方式的經濟性對比

4 結語

在夏季室外空氣溫度相對較低、空氣潔凈度較好的地區，直流通風冷卻方式的冷卻效果較好，可使變頻器安全、穩定運行，運行能耗也較低，節能效果顯著。

分體空調密閉冷卻方式在控制室內溫度、潔凈度方面最為理想，但系統初投資較大、運行能耗較高。

當有循環冷卻水可以利用時，在夏季空調濕球溫度較低時，空氣—水降溫通風冷卻方式冷卻效果更佳。該冷卻方式經濟性、節能性優勢明顯，既可以很好的控制變頻器室內空氣溫度、潔凈度，系統初投資、運行成本也相對較低。