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題，提出了運用PLC控制系統(tǒng)進行變頻器風(fēng)道散熱模式與強制風(fēng)冷模式智能切換的解決方案，在解決問題的同時還達到了節(jié)能降耗效果，為企業(yè)節(jié)省了運行成本。

關(guān)鍵詞：變頻器；散熱方式；智能切換方法；長輸液體管道

長輸液體管道通過安裝中壓變頻器實現(xiàn)管道輸送壓力和流量的調(diào)節(jié)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(diào)速系統(tǒng)效率比較高，但是在實際運行中仍然會產(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?qū)е缕淦骷�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(yīng)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題，并提出可行解決方案，實現(xiàn)了變頻器散熱方式智能自動切換和企業(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(yīng)當(dāng)維持在0 ℃～40 ℃，最佳溫度為25℃。由于設(shè)備功率升高將帶來熱量指數(shù)級增長，因此需要采取安全高效的散熱措施。

1.2  濕度

濕氣進入變頻器后將會附著在設(shè)備元件表面，導(dǎo)致設(shè)備絕緣性降低。而其與變頻器內(nèi)部粉塵混合形成結(jié)塊后，將使設(shè)備線路板出現(xiàn)短路故障，限制設(shè)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，同時應(yīng)限制碳粉、金屬顆粒、硫化物等導(dǎo)電性、腐蝕性粉塵進入設(shè)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，運行時變頻器頂部散熱風(fēng)機將變頻器內(nèi)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圍冷風(fēng)被吸進變頻器進行熱量置換[4]。為了減少整個風(fēng)道系統(tǒng)阻力，散熱風(fēng)道采用正方形結(jié)構(gòu)及懸掛方式，室外風(fēng)道向下彎曲防雨，并設(shè)置隔離過濾網(wǎng)和防塵網(wǎng)防止粉塵、雜物、飛鳥等進入。為保證室內(nèi)氣壓平衡，需對墻面增開進風(fēng)通道，并設(shè)自垂百葉和防塵網(wǎng)防止粉塵、雜物、飛鳥等進入。具體布置需考慮因壓力損失而引起的系統(tǒng)風(fēng)量損失。此種方式造價及運行成本低，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(dǎo)致非正常事故停車，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。另外要求環(huán)境溫度不能超過35℃。因此此種方式僅適用在現(xiàn)場灰塵較少，周圍空氣潔凈，季節(jié)環(huán)境溫度不超過35℃的某些地區(qū)。

2.2  強制風(fēng)冷方式

強制風(fēng)冷方式通過安裝匹配的空調(diào)進行強制制冷達到降溫目的。該方式能讓室外與室內(nèi)氣流完全阻斷，在密閉窗戶的隔斷下，最大限度阻止外界帶電顆粒粉塵進入變頻器室，保證了變頻器內(nèi)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(diào)對應(yīng)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(nèi)空調(diào)匹數(shù)為31÷2.324＝13.3 P，即采用強制風(fēng)冷方式時變頻室內(nèi)需配置1臺10 P、1臺5 P工業(yè)空調(diào)，為增加可靠性外加１臺10 P備用。正常運行時，總量為15 P的兩臺空調(diào)每小時運行耗電量為45 kW，每小時運行費用為0.9×45＝40.5元，按每年運行8個月算，每年運行費用約為24萬元，外加每年維檢修費用2萬元，一年運行維護成本至少26萬元。由此可知，該方式存在運行維護成本費用較高的問題。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(fù)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)過降溫的冷風(fēng)經(jīng)風(fēng)道回到室內(nèi)。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系統(tǒng)組成，系統(tǒng)工藝復(fù)雜，需要定期維護，循環(huán)系統(tǒng)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，會帶來嚴(yán)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(jié)合，運用PCL控制系統(tǒng)，實現(xiàn)變頻器根據(jù)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切換的目的。

3.1  散熱系統(tǒng)組成及功能

該變頻器散熱系統(tǒng)如圖 1所示。其中變頻器集風(fēng)罩與變頻器頂部排風(fēng)口無縫銜接的同時也可以緩沖風(fēng)機的振動，將變頻器內(nèi)部散發(fā)的熱量排出；彎頭出風(fēng)道，通過U型支架懸掛在屋頂上，用來連接變頻器集風(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，并加裝防塵和過濾裝置，防灰塵雜物、防雨防潮；出風(fēng)道電動風(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(nèi)，出口處加裝防塵和過濾裝置，工作時啟動工業(yè)空調(diào)進行強制降溫；旁路風(fēng)道電動風(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)道的開閉；電動通風(fēng)百葉，一臺安裝在墻體上部，另一臺呈對稱狀安裝在另一面墻體下部，其通風(fēng)空洞大小要根據(jù)變頻器出風(fēng)量確定，防止過小室內(nèi)呈負(fù)壓狀態(tài)，其通風(fēng)空洞洞口處設(shè)置可拆卸G2版式加強筋式過濾器，作為可控制開閉的進風(fēng)口；工業(yè)空調(diào)，作為室內(nèi)降溫之用；室外溫濕度儀、PM10監(jiān)測儀分別用來監(jiān)測室外空氣的溫濕度和PM10濃度，并上傳至PLC控制系統(tǒng)；PCL控制系統(tǒng)采集室外空氣溫濕度及PM10濃度后，按設(shè)定的邏輯控制各電動風(fēng)閥、電動通風(fēng)百葉、工業(yè)空調(diào)的開閉，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，上述防塵及過濾裝置應(yīng)每月至少一次更換防塵棉、清洗過濾裝置等維護保養(yǎng)。

圖 1 變頻器散熱系統(tǒng)示意圖

3.2  散熱方式智能切換方法

（1）變頻器運行時， PLC控制系統(tǒng)默認(rèn)為采取強制風(fēng)冷模式，此時打開旁路風(fēng)道電動風(fēng)閥、工業(yè)空調(diào)，同時關(guān)閉出風(fēng)道電動風(fēng)閥、電動通風(fēng)百葉。

（2）PLC控制系統(tǒng)通過室外溫濕度儀、PM 10監(jiān)測儀實時采集室外空氣的溫度、濕度、PM 10濃度，并邏輯判斷是否同時滿足室外溫度低于30℃、濕度低于90％且PM 10濃度低于50 ug/m3三個設(shè)定條件。

（3）如滿足上述設(shè)定條件，則打開電動通風(fēng)百葉，同時開啟出風(fēng)道電動風(fēng)閥，關(guān)閉旁路風(fēng)道電動風(fēng)閥、工業(yè)空調(diào)，將強制風(fēng)冷模式切換至風(fēng)道散熱模式；如任一條件不滿足，則將風(fēng)道散熱模式切換至強制風(fēng)冷模式。設(shè)定條件可以根據(jù)運行工況調(diào)整。

4  結(jié)論      

該散熱方式智能自動切換方法已在蘭成原油管道甘肅段投入使用，經(jīng)過半年運行驗證，實現(xiàn)了以下設(shè)定目標(biāo)。

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

（2）運用PLC控制系統(tǒng)，可以根據(jù)環(huán)境情況24小時不間斷智能自動切換變頻器散熱方式，無需人工操作。經(jīng)計算，1臺中壓變頻器每年運行強制風(fēng)冷模式的時間可以減少4個月，年均節(jié)省費用約12萬元。

參考文獻：

[1]韓飛，楊斌.高壓變頻器散熱系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的設(shè)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(yīng)用[J].中國設(shè)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(tǒng)的應(yīng)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(tǒng)可靠性模型及預(yù)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(qū)副經(jīng)理，現(xiàn)主要從事長輸管道生產(chǎn)運行及安全管理工作。聯(lián)系方式：18189699971，715557742@qq.com。