礦井水處理工程變頻器通風(fēng)空調(diào)冷卻方案分析

王 海 超

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

變頻器主要用于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等電動(dòng)設(shè)備工作頻率的調(diào)節(jié)及平穩(wěn)啟動(dòng)，從而有效降低設(shè)備能耗，防止設(shè)備直接啟動(dòng)時(shí)瞬間產(chǎn)生的較大電流損壞電機(jī)。變頻器可廣泛應(yīng)用于冶金、煤炭、電力、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域。

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

1 變頻器冷卻方式

根據(jù)室外環(huán)境溫度、空氣質(zhì)量、變頻器規(guī)格參數(shù)等因素，設(shè)計(jì)選擇適合的變頻器冷卻方案。目前常用的變頻器風(fēng)冷冷卻方式有直流通風(fēng)冷卻、分體空調(diào)密閉冷卻、空氣—水降溫通風(fēng)冷卻等。

1.1 直流通風(fēng)冷卻

室外冷風(fēng)經(jīng)組合式風(fēng)機(jī)箱(內(nèi)含進(jìn)風(fēng)段、過濾段、風(fēng)機(jī)段)進(jìn)入室內(nèi)，對變頻器冷卻后由變頻器柜自帶排風(fēng)機(jī)排至室外。嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的變頻器室，宜在變頻器柜體的排風(fēng)罩或排風(fēng)管上設(shè)置室內(nèi)排風(fēng)口，以便冬季利用變頻器散熱來維持室內(nèi)溫度，具體布置如圖1所示。

直流通風(fēng)冷卻方式主要利用室外空氣對變頻器降溫，當(dāng)夏季室外溫度過高時(shí)，應(yīng)使用分體空調(diào)輔助降溫。該冷卻方式在室外通風(fēng)計(jì)算溫度較低、空氣質(zhì)量好的地區(qū)，冷卻效果好、節(jié)能效果顯著。

直流通風(fēng)冷卻方式系統(tǒng)簡單，但受室外空氣溫度的影響不能準(zhǔn)確控制室內(nèi)溫度，溫度上下波動(dòng)較大，對變頻器使用壽命有一定影響。當(dāng)設(shè)備室外取風(fēng)處空氣質(zhì)量較差時(shí)，變頻器柜與通風(fēng)設(shè)備上過濾網(wǎng)需要定期清理，避免因?yàn)V網(wǎng)堵塞導(dǎo)致通風(fēng)不暢，從而使柜體溫度過高，導(dǎo)致變頻器超溫故障。因系統(tǒng)運(yùn)行能耗較低、設(shè)備初始投資也較少，該冷卻方式仍在被廣泛應(yīng)用于一些項(xiàng)目中。

1.2 分體空調(diào)密閉冷卻

變頻器散出熱量直接散至室內(nèi)，由布置于房間柜式分體空調(diào)機(jī)組進(jìn)行降溫?？照{(diào)機(jī)組制冷量根據(jù)變頻器發(fā)熱量進(jìn)行選擇，其冷卻過程如圖2所示。

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

1.3 空氣—水降溫通風(fēng)冷卻

當(dāng)有工業(yè)循環(huán)水或冷水可以利用時(shí)，可以利用空氣—水降溫通風(fēng)方式對變頻器降溫。變頻器產(chǎn)生的熱空氣通過風(fēng)管送至空氣—水降溫通風(fēng)機(jī)組，經(jīng)表冷器冷卻后送回變頻器室。當(dāng)工業(yè)循環(huán)水溫度不高于33 ℃時(shí)，該冷卻方式基本可保證室內(nèi)環(huán)境溫度低于40 ℃[2]。在夏季室外空調(diào)濕球溫度較低時(shí)，循環(huán)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(fēng)冷卻，空氣—水降溫通風(fēng)冷卻方式空氣循環(huán)為室內(nèi)封閉循環(huán)，可為變頻器提供較好的室內(nèi)環(huán)境。與分體空調(diào)密閉冷卻相比，該冷卻方式運(yùn)行能耗較低，是一種節(jié)能、環(huán)保的冷卻方式。當(dāng)所在項(xiàng)目有工業(yè)循環(huán)水可以利用時(shí)，該冷卻方式僅需投入一套組合式空調(diào)機(jī)組，系統(tǒng)的初始投資較低。當(dāng)無工業(yè)循環(huán)水或冷水可以利用時(shí)，也可由變頻器廠家整體配套冷卻水系統(tǒng)，但系統(tǒng)初投資會(huì)有所增加。

空氣—水降溫通風(fēng)冷卻方式具有安裝方便、運(yùn)行安全可靠、操作簡單、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，被逐漸推廣使用。

空氣—水降溫通風(fēng)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(xiàng)目蒸發(fā)潔凈間高壓變頻器冷卻通風(fēng)設(shè)計(jì)為例，蒸汽壓縮機(jī)的高壓變頻器所帶負(fù)載功率為2 500 kW。根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)，變頻器柜總散熱量約為87.5 kW，變頻器柜自帶風(fēng)機(jī)額定排風(fēng)量為40 800 m3/h，變頻器使用環(huán)境溫度宜為5 ℃～40 ℃，排風(fēng)溫度要求不超過50 ℃。

2.1 直流通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)選型及分析

為了保證變頻器室安全穩(wěn)定運(yùn)行，將夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度設(shè)定為35 ℃[2]，考慮到設(shè)計(jì)溫度較高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量相較變頻器發(fā)熱量小，取變頻器柜進(jìn)風(fēng)溫度等于室外空氣溫度。榆林市夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度為28 ℃，低于設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)選用兩臺22 500 m3/h組合式風(fēng)機(jī)箱，設(shè)備布置如圖1所示。

校核變頻器排風(fēng)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(fēng)機(jī)組額定排風(fēng)量，m3/s；TP為變頻器柜排風(fēng)溫度，℃；TS為變頻器柜進(jìn)風(fēng)溫度，℃。

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

2.2 分體空調(diào)密閉冷卻選型及分析

基于變頻器室空調(diào)需常年制冷的特點(diǎn)，要求空調(diào)系統(tǒng)在室外溫度較低或較高時(shí)仍能具有較高的制冷能力。常規(guī)分體空調(diào)制冷工況的室外進(jìn)風(fēng)溫度運(yùn)行區(qū)間為20 ℃～40 ℃。當(dāng)室外溫度低于10 ℃，空調(diào)室外機(jī)冷凝器冷凝溫度過低，蒸發(fā)溫度也較低，導(dǎo)致蒸發(fā)器容易結(jié)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(diào)室外計(jì)算溫度-19.3 ℃，為了保證在室外低溫環(huán)境下空調(diào)機(jī)組的正常工作，根據(jù)變頻器總散熱量，設(shè)計(jì)選用4臺10P降溫變頻空調(diào)機(jī)，設(shè)備布置如圖2所示?？照{(diào)機(jī)組適應(yīng)室外環(huán)境溫度運(yùn)行區(qū)間為-25 ℃～45 ℃，為了保證不同室外溫度空調(diào)機(jī)的制冷效率，壓縮機(jī)采用了變頻控制。空調(diào)室外風(fēng)機(jī)具有調(diào)速功能，在室外溫度較低時(shí)，通過降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)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(fēng)冷卻選型及分析

根據(jù)變頻器總散熱量及維持房間正壓，設(shè)計(jì)選用兩臺22 500 m3/h、制冷量為50 kW組合式空氣處理機(jī)組。夏季工業(yè)循環(huán)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(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度21.5 ℃，干球溫度32.2 ℃。降溫通風(fēng)冷卻機(jī)組送風(fēng)溫度一般高于冷卻水供水溫度5 ℃以上，可知降溫通風(fēng)系統(tǒng)溫度可控制在37.2 ℃以下。

對比以上三種冷卻方式的設(shè)計(jì)選型及分析，考慮當(dāng)?shù)叵募臼彝鉁囟容^低，水處理項(xiàng)目室外工作環(huán)境空氣品質(zhì)較好及節(jié)能環(huán)保等綜合因素，在項(xiàng)目中選用了直接通風(fēng)冷卻方式。

3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析

針對上述案例，對比分析直流通風(fēng)冷卻、分體空調(diào)密閉冷卻、空氣—水降溫通風(fēng)冷卻三種冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性。從表1可以看出，直流通風(fēng)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(diào)密閉冷卻方式每年可節(jié)約電量167 040 kWh，按照當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.65元/kWh計(jì)算，年總成本可節(jié)約10.86萬元。表1中空氣—水降溫通風(fēng)冷卻系統(tǒng)初投資是考慮變頻器廠家自帶冷卻水系統(tǒng)情況下估算，當(dāng)所在工程有循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可以利用時(shí)，僅需設(shè)置一套末端冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)初始投資預(yù)估僅7萬元左右。表中空氣—水降溫通風(fēng)冷卻方式耗電功率15 kW為末端空調(diào)機(jī)組額定功率，10 kW為冷卻水泵及冷卻風(fēng)機(jī)功率，相比分體空調(diào)密閉冷卻每年可節(jié)省電量109 440 kWh，每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用7.11萬元。

表1 三種冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性對比

4 結(jié)語

在夏季室外空氣溫度相對較低、空氣潔凈度較好的地區(qū)，直流通風(fēng)冷卻方式的冷卻效果較好，可使變頻器安全、穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行能耗也較低，節(jié)能效果顯著。

分體空調(diào)密閉冷卻方式在控制室內(nèi)溫度、潔凈度方面最為理想，但系統(tǒng)初投資較大、運(yùn)行能耗較高。

當(dāng)有循環(huán)冷卻水可以利用時(shí)，在夏季空調(diào)濕球溫度較低時(shí)，空氣—水降溫通風(fēng)冷卻方式冷卻效果更佳。該冷卻方式經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性優(yōu)勢明顯，既可以很好的控制變頻器室內(nèi)空氣溫度、潔凈度，系統(tǒng)初投資、運(yùn)行成本也相對較低。