摘要：某鋼鐵集團公司燒結(jié)分廠為實現(xiàn)節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本，對180m2燒結(jié)生產(chǎn)線的主燒結(jié)風(fēng)機進行了變頻節(jié)能改造。該設(shè)備額定功率為5600kW，配備了同等功率的HARSVERT-VA10/410無速度傳感器矢量控制高壓變頻器一臺。為確保高壓變頻器具有良好的運行環(huán)境，避免因溫度過高而導(dǎo)致保護停機，利德華福同時為該高壓變頻器配備了一套獨立的空－水冷卻系統(tǒng)，用于解決設(shè)備散熱問題。空－水冷卻系統(tǒng)的運行效果未能達(dá)到良好的穩(wěn)定環(huán)境溫度的目的，通過現(xiàn)場實際分析，對冷卻系統(tǒng)進行了改進。
關(guān)鍵詞：燒結(jié)風(fēng)機 5600kW高壓變頻器 設(shè)備散熱 空水冷系統(tǒng)
一、存在的問題
某鋼鐵集團公司燒結(jié)分廠為實現(xiàn)節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本。經(jīng)研究論證對180m2燒結(jié)生產(chǎn)線的主燒結(jié)風(fēng)機進行了變頻節(jié)能改造。該設(shè)備額定功率為5600kW，配備了同等功率的HARSVERT-VA10/410無速度傳感器矢量控制高壓變頻器一臺。
為確保高壓變頻器具有良好的運行環(huán)境，避免因溫度過高而導(dǎo)致保護停機，利德華福同時為該高壓變頻器配備了一套獨立的空－水冷卻系統(tǒng)，用于解決設(shè)備散熱問題。
設(shè)備安裝投運后，出現(xiàn)高壓變頻器負(fù)荷率在80％，采用開放式風(fēng)道冷卻，室外環(huán)境溫度小于28℃時，設(shè)備運行溫度能夠維持在變壓器76℃、功率柜33℃以下。而當(dāng)采用空－水冷卻系統(tǒng)密閉式循環(huán)時，高壓變頻器變壓器柜溫度大于113℃、功率柜38℃。從現(xiàn)象來看：空－水冷卻系統(tǒng)的運行效果未能達(dá)到良好的穩(wěn)定環(huán)境溫度的目的。鑒于此，對冷卻系統(tǒng)進行了現(xiàn)場實地調(diào)查和系統(tǒng)原因分析。
空－水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。
圖1：空－水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖二、冷卻系統(tǒng)工況分析
1.設(shè)備選型分析
該項目所配高壓變頻器的額定功率為5600kW、其效率為96％，4％的損失主要以熱量形式散失到環(huán)境當(dāng)中，為保證設(shè)備運行安全，設(shè)備采用了技術(shù)先進、應(yīng)用成熟、穩(wěn)定可靠的空－水冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有冷卻功率大、單位熱交換效率高、房間密閉、粉塵進入少、運營成本低、維護量低等特點。
首先，對冷卻裝置的功率選型和配比進行了核實。按照高壓變頻器的最大散熱功率為5600 kW×4％＝224kW。根據(jù)設(shè)備所處地域氣候溫度以及運行工況，冷卻裝置的設(shè)計裕度為1.13。即：冷卻裝置的熱交換功率不小于253.1kW，實際設(shè)計安裝冷卻功率為255kW 。其中功率柜配備三臺45kW冷卻裝置，變壓器柜配備兩臺60kW冷卻裝置。冷卻系統(tǒng)設(shè)計總冷卻風(fēng)量100000m3/h，其中3臺20000m3/h的增壓風(fēng)機與功率柜配套使用。功率柜自身的有效排風(fēng)量為8臺4300m3/h的風(fēng)機總排量34400m3/h，實際冷卻系統(tǒng)的配備大于功率柜需求通風(fēng)量，滿足運行要求。變壓器柜自身的有效排風(fēng)量為5臺4300m3/h的風(fēng)機總排量21500m3/h，實際冷卻系統(tǒng)的配備大于變壓柜需求通風(fēng)量，滿足運行要求。從上述數(shù)據(jù)可以看出：在冷卻系統(tǒng)的增壓風(fēng)機部分的設(shè)計中充分考慮了系統(tǒng)的有效性和安全性，當(dāng)柜頂或增壓風(fēng)機中出現(xiàn)單臺設(shè)備故障時，仍可以保證系統(tǒng)具有足夠的通風(fēng)效能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。
因此，冷卻系統(tǒng)設(shè)備選型和配比正常，不存在問題。
2．風(fēng)路系統(tǒng)分析
為分析系統(tǒng)出現(xiàn)冷卻效果問題的原因，在現(xiàn)場首先對風(fēng)路循環(huán)部分進行了實際測量和數(shù)據(jù)分析。從而驗證風(fēng)機的實際風(fēng)量、風(fēng)壓等運行指標(biāo)是否符合要求。利用風(fēng)壓風(fēng)速測量裝置對現(xiàn)場功率柜及變壓器柜的柜門入口、應(yīng)急風(fēng)道排風(fēng)口、冷卻裝置室內(nèi)排風(fēng)口位置的風(fēng)速分別進行了多點測量。通過實測數(shù)據(jù)對開放式通風(fēng)冷卻和密閉式循環(huán)冷卻的循環(huán)風(fēng)量情況進行比對分析。
（1）當(dāng)只打開高壓變頻器柜頂風(fēng)機時，對功率柜門和變壓器柜門、應(yīng)急排風(fēng)口、冷卻裝置排風(fēng)口的風(fēng)速進行了多點測量平均數(shù)據(jù)如下：
從數(shù)據(jù)中顯示：單獨運行柜頂風(fēng)機采用密閉式循環(huán)冷卻方式時，循環(huán)風(fēng)道和空－水冷卻裝置增加了風(fēng)路阻力，降低了設(shè)備有效通風(fēng)量。在開放式冷卻方式運行時，柜體入風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到1.40以上即可滿足變頻自身的通風(fēng)冷卻需求。
（2）當(dāng)只打開冷卻系統(tǒng)增壓風(fēng)機采用密閉式循環(huán)冷卻時，功率柜門和變壓器柜門、冷卻裝置排風(fēng)口的風(fēng)速測試數(shù)據(jù)如下：
從數(shù)據(jù)中顯示：單獨使用密閉式循環(huán)冷卻，其有效通風(fēng)量和風(fēng)速能夠達(dá)到柜體自身冷卻風(fēng)量的要求。
（3）當(dāng)高壓變頻器柜頂風(fēng)機和冷卻系統(tǒng)增壓風(fēng)機同時運行時，功率柜門和變壓器柜門、冷卻裝置排風(fēng)口的風(fēng)速測試數(shù)據(jù)如下：
從數(shù)據(jù)中顯示：在高壓變頻器柜頂風(fēng)機和密閉式冷卻系統(tǒng)風(fēng)機全部打開，處于正常運行時，系統(tǒng)的冷卻通風(fēng)量完全滿足高壓變頻器運行要求。
根據(jù)伯努利方程得出的風(fēng)速－風(fēng)壓關(guān)系，風(fēng)的動壓 WP=0.5•ro•V² （其中WP為風(fēng)壓[kN/m²]，ro為空氣密度[kg/m³]，V為風(fēng)速[m/s]）；流量Q=S×V（其中Q為風(fēng)cf量[m3/s]，S為面積[m2], V為風(fēng)速[m/s]）。冷卻系統(tǒng)采用密閉式循環(huán)冷卻的有效通風(fēng)量和風(fēng)壓指標(biāo)完全能夠達(dá)到柜體自身冷卻風(fēng)量的要求。
由此可見，在風(fēng)壓、風(fēng)量相當(dāng)，高壓變頻器自身運行溫度不同，與高壓變頻器吸入的冷卻空氣溫度有關(guān)。如果吸入的循環(huán)空氣溫度過高也不能達(dá)到預(yù)期冷卻效果。因此，考慮冷卻系統(tǒng)的熱交換能力沒有能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求，把高壓變頻器熱量有效帶走，而是排回室內(nèi)的循環(huán)風(fēng)溫度偏高所致。
3.水路分析
經(jīng)過對現(xiàn)場冷卻系統(tǒng)水路系統(tǒng)的實際調(diào)查，目前現(xiàn)場各參數(shù)技術(shù)條件與設(shè)計要求值之間的對比見下表：
由上表測得的數(shù)據(jù)可知：空－水冷卻系統(tǒng)在現(xiàn)場的實際運行指標(biāo)并未能達(dá)到預(yù)期使用要求?？眨鋮s裝置是通過冷卻水流過交換管內(nèi)部與熱風(fēng)之間實現(xiàn)熱傳遞，達(dá)到換熱目的。空－水冷卻裝置熱交換量主要依靠流速和水量實現(xiàn)熱交換效率和熱交換功率，當(dāng)流速降低時，冷卻水與熱空氣的交換效率就會下降；而水量降低則使得空－水冷卻裝置不能達(dá)到預(yù)期的熱交換功率。
在項目設(shè)計時，要求進水壓力0.25MPa、回水壓力0.1MPa、水溫33℃，冷卻水總流量68t/h。按照無縫管的阻力系數(shù)0.2計算，至少需要φ133管道。而現(xiàn)場實際采用的管道截面積只有設(shè)計要求的44.4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用需求。 管徑小、壓力低是導(dǎo)致空水冷卻裝置沒有達(dá)到額定冷卻功率的根本原因，致使房間內(nèi)熱量累積引起高壓變頻器在密閉時冷卻條件下反而比開放式冷卻的效果差。
三、改進措施
為改善冷卻裝置的冷卻水流速，達(dá)到冷卻裝置的設(shè)計運行指標(biāo)，提高現(xiàn)有系統(tǒng)的熱交換功率，需要對冷卻系統(tǒng)的供水壓力、循環(huán)流量等進行改進。具體措施是：在冷卻水泵房母管至高壓變頻器冷卻系統(tǒng)的支管路出口處增加一臺增壓泵，提高供水工作壓力，使得空冷裝置的入口側(cè)供給壓力達(dá)到0.25MPa以上，滿足設(shè)計要求。經(jīng)計算，增壓泵的揚程需要大于60m。將泵房至冷卻系統(tǒng)母管管徑更換為φ133管道。改善現(xiàn)有管路情況下的供水流量，達(dá)到運行需要。
四、結(jié)束語
通過改造，冷卻系統(tǒng)在高壓變頻器運行負(fù)荷率80％以上情況下的實際環(huán)境溫度和工作溫度得到明顯改善。高壓變頻器變壓器柜的最高溫度76℃、功率柜的溫度28℃，完全符合高壓變頻器變壓器柜溫度小于95℃、功率柜的溫度小于40℃的運行環(huán)境要求。實踐證明，對冷卻系統(tǒng)的運行工況分析準(zhǔn)確、改進措施有效。在冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用中，確保各項指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于運行要求是系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期冷卻效果的重要因素。
