韦志新

（芜湖华衍水务有限公司，安徽芜湖 241000）

1 变频器室概况及外循环存在的问题

1.1 变频器室概况

华东某水厂的建设规模为每天15 万吨，变频室的平面尺寸为18×8 m，高4.5 m，室内空间约648 m3，室内布置有400 kW、800 kW 高压软启柜各1 台，施耐德ATV1200-1000-A100、ATV1200-500-A100 高压变频控制柜各1 台，无功补偿柜2 台。主要发热设备为2 台变频器（图1，图2）。

图1 变频室设备布置

图2 高压变频装置组成

改造前的冷却方式为每台高压变频器装有3 台轴流风机，轴流风机出风口加装通风管道至室外，通风管出口设置滤网，防止蚊虫等进入，变频室的一面墙设置百叶窗并装有防蚊虫纱窗，通过内外循环，降低室内温度，保证设备正常运行。

1.2 现有散热方式及优缺点

变频器使用环境要求：40 ℃＞温度＞0 ℃，温度变化＜5 ℃/h，建议环境温度控制在25 ℃左右。湿度＜95%（20 ℃），相对湿度的变化率每小时不超过5%，避免结露。空气中不能有较大灰尘、腐蚀性（爆炸性）气体、导电粉尘，环境粉尘含量低于950×10-6。每台变频器由24 个功率单元组成，两台共48 个功率单元。水厂2015年7 月正式投产，在运行3 年半后，功率单元频繁出现光纤、欠压、过压、过流等故障。后经变频器供应商现场检测和返厂检测，主要原因为功率单元感光元器件氧化导致的故障。初步分析与设备运行环境有关，工厂周边分布有火力发电厂、钢铁厂、造纸厂等，对环境空气质量有一定的影响。加之变频室采用的是外循环方式，导致运行过程中室外空气进入到室内，所以是否可以考虑将外循环改成内循环。

2 散热方案探讨

通常室内散热降温方式有风机及风道换热、空调降温、水冷或空冷降温。

2.1 空调

2.1.1 制冷量测算

高压变频器的发热部件主要为整流变压器和功率单元，发热量与运行工况有关，随着频率的升高发热量相应增加，根据产品说明书，最大发热量为变频器额定功率的4%，一般按额定功率的2%～4%进行估算。结合水厂的运行实际，按高压变频器额定功率的3%的估算，即发热量分别为12 kW 和24 kW，两台合计36 kW。房间空间制冷量约20 kW，因此空调总制冷量为56 kW。只有大型工业空调才能满足制冷量要求。

2.1.2 空调降温的利弊

（1）优点：房间封闭，室内外空气通过空调流通，可以充分保证室内空气及环境清洁。同时，如果空气湿度较高，还可以启用除湿模式运行，保证设备在干燥环境运行。

（2）缺点：考虑到单台空调的可靠性及制冷量，至少要配置2 台以上，因此采购成本较高，后期运行电费也较高，由于是连续运行，制冷剂的消耗也相对较快。

2.2 风机（现有散热方式）

单台GFD410-155N 冷却风机的流量为3000 m3/h，两台变频器共设置6 台风机。在每台机柜上安装一个风道，将变频器产生的热量排放到室外，房间的进风是通过墙体的百叶窗，由变频器室的进风口不断补充冷风，对整个系统进行冷却。风机散热优点：设备采购成本低，运行费用较低，可靠性较高，散热效果较好。风机散热缺点：噪声大、对运行环境要求高，如果现场比较脏，灰尘比较大将直接影响变频器使用寿命。而且没有除湿功能，对江南潮湿多雨地区使用尤为不利。

2.3 水（空）冷散热

水空冷却系统是一种环保、高效、节能的冷却系统，在国内外有着广泛的运用。其工作原理如图3 所示：风机出来的热风，经过风管连接到散热器，散热器中通过温度较低（一般要求低于28 ℃）的冷水，热风经过换热管后，将热量传递给冷水，变成冷风从散热片吹出，热量被冷却水带走，保证了室温恒定。

图3 水（空）冷散热的工作原理

对安装环境及冷却水的要求：环境密闭，冷却水无腐蚀性，pH 值为中性，温度≤30 ℃、压力≥0.2 MPa，流量≥20 m3/h。换热器的维护简单易行，一般1 年维护1 次。

3 改造方案比选

3.1 3 种散热方式对比

3.1.1 风机及风道（现有运行方式）

这种散热方式通过近4 年的运行，陆续发现了一些问题，两台变频器共有48 个功率单元，近一年已陆续维修和更换了约1/4，维修和更换费用近30 万元。

3.1.2 风冷空调

根据上文计算的制冷总量56 kW，由于制冷量很大，一般的风冷空调很难满足散热要求，加之设备采购成本及运行成本高。

3.1.3 水冷空调

水冷空调是利用换热降温原理，冷却水温度越低、水量和水压越高，降温效果越好，因此，具有降温和除湿双重功能。

水冷空调的优点：

（1）成本小，效能大。水冷空调相对其他空调产品，其成本较小，另外，水冷空调每小时送冷风量达18 000 m3，且风压大、送风远。制冷效果不受天气炎热影响，天气越热制冷效果越好。

（2）节能环保。水冷空调的运行成本低，每小时仅需用电1 kW，而与常用空调相比，水空调夏季可节能15%～40%，冬季可节能40%～50%。另外，它没有使用氟利昂类的物质，对环境无污染，属于环保型产品。

（3）功能多样。水冷空调集通风、防尘、除味、降温于一体，能保证室内的舒适。还具备了换气的功能，无形间增加空气含氧量，有利于人体健康。

水冷空调的缺点：

（1）在使用时是通过水蒸发，这个水一般是自来水。如果使用时间长，容易滋生细菌。这会导致日常维护比较麻烦。所以，在对空调进行维修保养时，要注意对水管进行定期清洗，以提高使用效果及寿命。

（2）由于水冷式空调在使用时要用到水，所以可能会存在漏水隐患。这样，要用心对空调进行日常检修，对零件仔细进行保养更换。

（3）热交换过程是空气→冷媒→水→空气，因为是间接换热，所以运行效率比较低。

3.2 改造方案确定

通过以上分析比选，在自来水厂，冷却水量、水压、水质满足的情况下，综合改造成本、运行成本，最终确定由变频器风道散热的外循环改为水冷空调的内循环。

3.3 方案的实施

（1）变频器室封闭。拆除现有百叶窗，加装隔热防爆玻璃。对6 个变频器风机风道进行拆除，并对穿墙处进行密封。

（2）水冷空调选型。根据制冷量和现场布置情况，决定采用东元（TECO）L62TDFB 型单元式水冷机组。主要参数如下：制冷量62 kW，功率17 kW，风量9000 m3/h，制冷能效比3.5 W/W。

（3）水冷空调安装调试。由厂家指导，设备就位，电源线（380 V）布置，进出水管铺设，调试运行。

4 运行效果分析

全部改造成本约8 万元，含设备采购、电源电缆、进出水管、变频室及风道密封等。从2019 年5 月改造完成运行至今，变频器运行良好。室内温度基本上控制在26 ℃左右，湿度≤40%，夏季日耗电量约50 kW·h，冬季日耗电量约30 kW·h，年电耗约1.5×104kW·h，运行费用约1 万元。由于冷却水回用到清水池，所以用水成本可忽略不计。由于变频器运行环境得到了改善，变频器故障率下降了80%。通过改造每年可为该水厂节约变频器维修费用10 多万元。