安健辰 苗杰

摘 要：采油平台上所使用的变频器大多数为风冷型设备，“高功率密度水冷中压变频系统”是通过采用中压小电流及水循环高效冷却方案，提高单位体积的变频设备功率，从而实现高功率密度变频系统，有效降低尺寸和重量。相比原有中、低压系统，该变频系统具有设备功率大、尺寸小、重量轻的优点，且在远距离传输与控制方面有较大的优势。能很大程度上节约基建成本及维护成本。文章介绍了水冷变频设备的工艺、系统组成及布局。

关键词：水冷;采油平台;中压变频系统

1 引言

目前，采油平台上所使用的变频器大多数为风冷型设备，为了防止设备在使用过程中被盐雾及潮湿环境所腐蚀，需要为其建造专用电气间，尽量使变频器应用环境达到理想状态。由于风冷型变频设备体积较大，增加了海上平台的建设面积，建造成本投入较大。

“高功率密度水冷中压变频系统”是通过采用中压小电流及水循环高效冷却方案，提高单位体积的变频设备功率，从而实现高功率密度变频系统，有效降低尺寸和重量。相比原有中、低压系统，该变频系统具有设备功率大、尺寸小、重量轻的优点，且在远距离传输与控制方面有较大的优势。能很大程度上节约基建成本及维护成本。

2 水冷工艺介绍

2.1 概述

現市面上的变频器散热方式主要有自然冷却、强迫风冷和水冷，国内的变频器散热方式以水冷为主。但随着国内工业的发展，变频器容量的不断提高，变频器使用工况的日益复杂，散热器面积、环境温度、变频器使用环境、风机体积与噪音等多方面原因影响了风冷变频器的冷却效果。

半导体器件在大功率使用的情况下，会产生较多的热量，存在同样情况的还有系统内的移相变压器，这两个部分所产生的热量，在工作时会导致元器件过热，若散热措施不恰当，不能把热量及时带出系统外，会导致系统内元器件的温升高于其标准使用要求的温升，进而使器件性能降低，甚至损坏元器件。所以在变频器的结构设计中，尽可能的考虑温升的影响，通过设计散热方式，使变频器的温升降至最低，从而保护元器件。

2.2 工作原理

水冷系统适用于大功率电气设备，其构成有去离子系统、动力系统、换热系统、稳压系统、补水系统和控制系统，水冷系统的循环介质一般采用采用纯净水，或比热容更大的乙二醇，水水换热器负责把系统的热量交换到大气中。由于循环介质在完全密闭条件下工作，工作过程中避免了纯净水或乙二醇的蒸发损失，同时也便于系统内的防锈防垢。

主循环泵驱动纯净水或比热容更大的乙二醇，以恒定的流速通过功率单元散热器，带走系统产生的热量;系统内的循环介质在升温后沿主管回路进入换热器，在换热器内完成热量交换;冷却后的循环介质流至进口，完成热交换过程。

PLC根据实时采集的供水温度控制电动三通阀的开度，以此达到精确控温的目的。控制系统根据实时工况自动监控运行各电机及传感器单元。

2.3 热负荷计算

变频器在运行过程中要产生一定的功耗，一般为其容量的3～5%。其中移相变压器约占45%，整流及逆变约占48%，控制系统、主回路电缆与铜排等约占7%。为使大功率变频器使用于恶劣环境，尤其是要求整机外形尺寸小，结构紧凑，节省空间的大功率传动变流器，非常适合使用水冷冷却方案。水冷扇热换热效率高，换热系数达到3500W/（m2·℃），散热效果好。变频器可以不受空间限制，因为配水管道不存在传输距离的限制，且体积小。另外水冷系统能将变频器系统温度降至室温以下，所以也不受室温限制。

（1）冷却水流量。根据经验并考虑适当裕量， 1kW变频器功耗产生的热量，需要水泵的循环水量为6L/min，而变频器的功耗为其容量的3～5%，以5%计，可得水泵流量与容量关系为：

水泵流量=变频器容量×5%×6

若变频器设计容量为800kW。

水泵流量=800×5%×6=240L/min

据此，选择流量大于计算值的循环水泵，可选择额定流量为15m3/h，型号为CR15的水泵。

（2）冷却系统管道计算。管道系统和阀门主要包括快速接头、管道、各种功能阀门（流量控制阀）、过滤器、其它管接头及密封件等。

管道的尺寸（如直径、长度等），应根据冷却液的流速来确定：

其中，Qv为水流量（m3/h）;U为水流速（m/s）;D为管道直径（mm）。可计算管道的直径。系统的管道材料，考虑到冷却介质特殊要求，全部采用无缝不锈钢管，局部用聚胺脂管。

若采用CR15水泵，流量15m3/h，流速选择2.3m/s，管道直径应为48mm，选择DN50管道。

（3）冷却水进出水温度。水冷系统的主要是将发热元器件产生的热量与冷却液充分交换。为了确保器件的发热表面在被液体冷却时能把所耗散的热量尽量全部带走，冷却水进水温度必须处于一个合理的区间。

冷却系统需要确定如下参数：冷却液体流量，冷却液体进口温度，系统的热耗散功率，现场提供的最高进水温度Tin_max。

其中Tout为冷却液体出口温度（℃）;Tin为冷却液体进口温度（℃）;Q为系统发热总耗散功率（kW）;ρ为液体的密度（kg/m3）;V为冷却液体流量（m3/h）;CP为冷却液体的比热容（kJ/kg.k）。

计算冷却液体出口最高温度Tout_max。这个是非常重要的，如果Tout_max大于系统的可允许范围，那么必然有一部分组件将发生发热问题。

若现场现场提供的最高温度为42℃，取Cp为3.8kJ/kg.k， 现场出水温度Tout为44.6℃。

3 系统组成与布局

（1）变频系统布置在集装箱内部，一台集装箱内部放置两套独立的变频系统。

（2）整机系统采用水冷散热方案，集装箱与室外无空气交互，实现高防护等级，可以将系统放置在平台甲板上，无需单独建造变频器室，节约基建及维护成本。

（3）每套变频系统由移相整流变压器、水冷功率部分、控制系统、水冷系统及辅助散热系统等组成。

（4）每套变频系统的功率部分由6组功率单元组成;每相由两组功率单元级联输出。每组功率单元为2X700VAC输入，1X1400VAC三电平输出，两组功率单元级联最大支持4.16kV输出。

（5）为了实现系统的高防护等级需求，功率单元采用水冷散热方式，具备功率密度大，体积小等特点;同时变压器系统采用风水冷解决方案，即通过风水换热器把变压器损耗热量通过水冷系统冷却。

（6）每套系统配置一套去离子水冷处理系统，为系统提供冷却源。其系统布局如下：

a）两套变频系统独立布置在20英尺标准集装箱内，两套之间用可靠绝缘系统隔离，实现两套系统单独维护及保证其安全性。

b）水冷系统与控制系统前后布局，实现系统空间有效利用。

c）集装箱后部放置水冷系统水管，正面放置电气部分，实现水电分离布局，提高系统可靠性及可维护性。

参考文献：

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[2]李振智，唐周怀，龚兴云等.变频器在潜油电泵井上的应用[J].钻采工艺，2001（03）：45-47，58.

[3]张文义，刘宏达.电器原理[M].哈尔滨工程大学出版社，2017.