趙志濤 李建軍 武鍇 周煒彬 杜永峰

西南管道蘭州輸油氣分公司

摘要：以ACS1000中壓變頻器為例，分析了長(cháng)輸液體管道使用的中壓變頻器三種散熱方式及其存在的問(wèn)題，提出了運用PLC控制系統進(jìn)行變頻器風(fēng)道散熱模式與強制風(fēng)冷模式智能切換的解決方案，在解決問(wèn)題的同時(shí)還達到了節能降耗效果，為企業(yè)節省了運行成本。

關(guān)鍵詞：變頻器；散熱方式；智能切換方法；長(cháng)輸液體管道

長(cháng)輸液體管道通過(guò)安裝中壓變頻器實(shí)現管道輸送壓力和流量的調節是較為理想的工作方式，中壓變頻的電壓等級為3 kV、6 kV、10 kV。雖然中壓變頻器調速系統效率比較高，但是在實(shí)際運行中仍然會(huì )產(chǎn)生 2%～4% 的熱量損耗[1]，溫度變化影響中壓變頻器工作性能或導致其器件永久損壞[2]。為控制變頻器運行溫度選擇其散熱方式非常重要。本文以蘭成原油管道應用的電壓等級為3 kV的ACS1000中壓變頻器為例，分析了其散熱方式及其存在的問(wèn)題，并提出可行解決方案，實(shí)現了變頻器散熱方式智能自動(dòng)切換和企業(yè)降本增效。

1  變頻器工作環(huán)境要求

1.1  溫度

ACS1000中壓變頻器工作溫度是運行控制關(guān)鍵，其運行環(huán)境溫度應當維持在0 ℃～40 ℃，最佳溫度為25℃。由于設備功率升高將帶來(lái)熱量指數級增長(cháng)，因此需要采取安全高效的散熱措施。

1.2  濕度

濕氣進(jìn)入變頻器后將會(huì )附著(zhù)在設備元件表面，導致設備絕緣性降低。而其與變頻器內部粉塵混合形成結塊后，將使設備線(xiàn)路板出現短路故障，限制設備散熱性能[3]。變頻器工作環(huán)境濕度為5%～95%，不允許冷凝。在腐蝕氣體中最大允許相對濕度為60%。

1.3  粉塵濃度

變頻器工作環(huán)境粉塵濃度要求PM10小于60 ug/m3，同時(shí)應限制碳粉、金屬顆粒、硫化物等導電性、腐蝕性粉塵進(jìn)入設備室。

2  變頻器散熱方式及不足

2.1  風(fēng)道散熱方式

風(fēng)道散熱方式通常在變頻器頂部風(fēng)道口安裝一套風(fēng)道散熱裝置，運行時(shí)變頻器頂部散熱風(fēng)機將變頻器內部變壓器及功率單元散發(fā)的熱量吸出并沿風(fēng)道排至室外，在風(fēng)機抽力作用下變頻器周?chē)�冷風(fēng)被吸進(jìn)變頻器進(jìn)行熱量置換[4]。為了減少整個(gè)風(fēng)道系統阻力，散熱風(fēng)道采用正方形結構及懸掛方式，室外風(fēng)道向下彎曲防雨，并設置隔離過(guò)濾網(wǎng)和防塵網(wǎng)防止粉塵、雜物、飛鳥(niǎo)等進(jìn)入。為保證室內氣壓平衡，需對墻面增開(kāi)進(jìn)風(fēng)通道，并設自垂百葉和防塵網(wǎng)防止粉塵、雜物、飛鳥(niǎo)等進(jìn)入。具體布置需考慮因壓力損失而引起的系統風(fēng)量損失。此種方式造價(jià)及運行成本低，但容易將空氣中大量灰塵吸入變頻器，造成功率單元頻繁損壞導致非正常事故停車(chē)，嚴重影響安全生產(chǎn)。另外要求環(huán)境溫度不能超過(guò)35℃。因此此種方式僅適用在現場(chǎng)灰塵較少，周?chē)�空氣潔凈，季節環(huán)境溫度不超過(guò)35℃的某些地區。

2.2  強制風(fēng)冷方式

強制風(fēng)冷方式通過(guò)安裝匹配的空調進(jìn)行強制制冷達到降溫目的。該方式能讓室外與室內氣流完全阻斷，在密閉窗戶(hù)的隔斷下，最大限度阻止外界帶電顆粒粉塵進(jìn)入變頻器室，保證了變頻器內功率單元等重要電子元器件的潔凈，不易引起功率單元等損壞，從而減少變頻器維修量[5]。目前ACS1000變頻器就采用該散熱方式。通常，1 P空調對應制冷量為2.324 kW，計算得出額定總發(fā)熱量為31 kW的ACS1000變頻器的室內空調匹數為31÷2.324＝13.3 P，即采用強制風(fēng)冷方式時(shí)變頻室內需配置1臺10 P、1臺5 P工業(yè)空調，為增加可靠性外加１臺10 P備用。正常運行時(shí)，總量為15 P的兩臺空調每小時(shí)運行耗電量為45 kW，每小時(shí)運行費用為0.9×45＝40.5元，按每年運行8個(gè)月算，每年運行費用約為24萬(wàn)元，外加每年維檢修費用2萬(wàn)元，一年運行維護成本至少26萬(wàn)元。由此可知，該方式存在運行維護成本費用較高的問(wèn)題。在一些環(huán)境較惡劣，夏季環(huán)境溫度較高而變頻器功率較小的場(chǎng)合可采用此種風(fēng)冷方式。

2.3  空—水冷卻方式

空—水冷卻方式將變頻器散出的熱風(fēng)經(jīng)風(fēng)道由風(fēng)機推送至室外，室外安裝由銅鋁復合翹片制成散熱片的空水冷卻器，由冷卻水直接將變頻器散失的熱量帶走，經(jīng)過(guò)降溫的冷風(fēng)經(jīng)風(fēng)道回到室內。該方式散熱效率高，但維持水冷需要循環(huán)泵、去離子水處理和補水裝置等多個(gè)系統組成，系統工藝復雜，需要定期維護，循環(huán)系統工作壓力高，容易發(fā)生泄漏，一旦泄漏，作為冷卻介質(zhì)的水不具備絕緣性，會(huì )帶來(lái)嚴重安全隱患[6]。一般用在發(fā)熱量小、環(huán)境溫度不高的小容量變頻裝置中。

3  散熱方式智能切換方法

經(jīng)多方面考量，最終嘗試將風(fēng)道散熱方式與強制風(fēng)冷方式相結合，運用PCL控制系統，實(shí)現變頻器根據環(huán)境狀況在風(fēng)道散熱方式和強制風(fēng)冷方式之間智能自動(dòng)切換的目的。

3.1  散熱系統組成及功能

該變頻器散熱系統如圖 1所示。其中變頻器集風(fēng)罩與變頻器頂部排風(fēng)口無(wú)縫銜接的同時(shí)也可以緩沖風(fēng)機的振動(dòng)，將變頻器內部散發(fā)的熱量排出；彎頭出風(fēng)道，通過(guò)U型支架懸掛在屋頂上，用來(lái)連接變頻器集風(fēng)罩與三通連接管，圓弧的圓形角可以為30°～45°，使風(fēng)道里的熱風(fēng)流通更順暢；三通連接管，通過(guò)U型支架懸掛在屋頂上，與彎頭出風(fēng)道相連，作為水平出風(fēng)道與旁路風(fēng)道的連接件；水平出風(fēng)道，通過(guò)U型支架懸掛在屋頂上，與三通連接管，作為散熱通道一直延伸至室外屋檐下，室外部分呈45°圓弧狀向下彎曲，并加裝防塵和過(guò)濾裝置，防灰塵雜物、防雨防潮；出風(fēng)道電動(dòng)風(fēng)閥，安裝在三通連接管與水平出風(fēng)道的連接處，可控制出風(fēng)道的開(kāi)閉；旁路風(fēng)道，安裝在三通連接管上，垂直于水平出風(fēng)道，作為散熱通道，將熱風(fēng)散發(fā)在室內，出口處加裝防塵和過(guò)濾裝置，工作時(shí)啟動(dòng)工業(yè)空調進(jìn)行強制降溫；旁路風(fēng)道電動(dòng)風(fēng)閥，安裝在三通連接管與旁路風(fēng)道的連接處，可控制出風(fēng)道的開(kāi)閉；電動(dòng)通風(fēng)百葉，一臺安裝在墻體上部，另一臺呈對稱(chēng)狀安裝在另一面墻體下部，其通風(fēng)空洞大小要根據變頻器出風(fēng)量確定，防止過(guò)小室內呈負壓狀態(tài)，其通風(fēng)空洞洞口處設置可拆卸G2版式加強筋式過(guò)濾器，作為可控制開(kāi)閉的進(jìn)風(fēng)口；工業(yè)空調，作為室內降溫之用；室外溫濕度儀、PM10監測儀分別用來(lái)監測室外空氣的溫濕度和PM10濃度，并上傳至PLC控制系統；PCL控制系統采集室外空氣溫濕度及PM10濃度后，按設定的邏輯控制各電動(dòng)風(fēng)閥、電動(dòng)通風(fēng)百葉、工業(yè)空調的開(kāi)閉，完成散熱模式的切換。除部件1采用帆布材質(zhì)外，部件2、3、4、5、6、7采用不銹鋼材質(zhì)。為了確保防塵效果，上述防塵及過(guò)濾裝置應每月至少一次更換防塵棉、清洗過(guò)濾裝置等維護保養。

圖 1 變頻器散熱系統示意圖

3.2  散熱方式智能切換方法

（1）變頻器運行時(shí)， PLC控制系統默認為采取強制風(fēng)冷模式，此時(shí)打開(kāi)旁路風(fēng)道電動(dòng)風(fēng)閥、工業(yè)空調，同時(shí)關(guān)閉出風(fēng)道電動(dòng)風(fēng)閥、電動(dòng)通風(fēng)百葉。

（2）PLC控制系統通過(guò)室外溫濕度儀、PM 10監測儀實(shí)時(shí)采集室外空氣的溫度、濕度、PM 10濃度，并邏輯判斷是否同時(shí)滿(mǎn)足室外溫度低于30℃、濕度低于90％且PM 10濃度低于50 ug/m3三個(gè)設定條件。

（3）如滿(mǎn)足上述設定條件，則打開(kāi)電動(dòng)通風(fēng)百葉，同時(shí)開(kāi)啟出風(fēng)道電動(dòng)風(fēng)閥，關(guān)閉旁路風(fēng)道電動(dòng)風(fēng)閥、工業(yè)空調，將強制風(fēng)冷模式切換至風(fēng)道散熱模式；如任一條件不滿(mǎn)足，則將風(fēng)道散熱模式切換至強制風(fēng)冷模式。設定條件可以根據運行工況調整。

4  結論      

該散熱方式智能自動(dòng)切換方法已在蘭成原油管道甘肅段投入使用，經(jīng)過(guò)半年運行驗證，實(shí)現了以下設定目標。

（1）在環(huán)境條件較好時(shí)，變頻器運行風(fēng)道散熱模式，以節省能源；在環(huán)境惡劣時(shí)運行強制風(fēng)冷模式，通過(guò)空調換熱以減少粉塵、潮氣的侵入，延長(cháng)變頻器的使用壽命。

（2）運用PLC控制系統，可以根據環(huán)境情況24小時(shí)不間斷智能自動(dòng)切換變頻器散熱方式，無(wú)需人工操作。經(jīng)計算，1臺中壓變頻器每年運行強制風(fēng)冷模式的時(shí)間可以減少4個(gè)月，年均節省費用約12萬(wàn)元。

參考文獻：

[1]韓飛，楊斌.高壓變頻器散熱系統設計分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017 (03)：252.

[2]王丹，毛承雄，范澍，等.高壓變頻器散熱系統的設計[J].電力電子技術(shù)，2005 (39)：115-117.

[3]汪華.中壓變頻器在成品油管道增輸工程中的應用[J].中國設備工程，2018 (24)：137-138.

[4]劉照輝，虞頂飛.基于大功率高壓變頻器散熱系統的應用探討[J].電工技術(shù)，2022 (02)：126-128.

[5]余建宏.某中壓變頻器系統可靠性模型及預計案例分析[J].環(huán)境技術(shù)，2020，38(5)：68-73.

[6]石華林，熊斌，劉作坤，等.高壓變頻器功率模塊相變散熱研究[J].電工電能新技術(shù)，2021，40(06)：73-80.

作者簡(jiǎn)介：趙志濤，1987年生，本科，畢業(yè)于東北林業(yè)大學(xué)，工程師，蘭州輸油氣分公司臨洮作業(yè)區副經(jīng)理，現主要從事長(cháng)輸管道生產(chǎn)運行及安全管理工作。聯(lián)系方式：18189699971，715557742@qq.com。