摘要：某鋼鐵集團(tuán)公司燒結(jié)分廠為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本，對(duì)180m2燒結(jié)生產(chǎn)線的主燒結(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)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-VA10410無速度傳感器矢量控制高壓變頻器一臺(tái)。為確保高壓變頻器具有良好的運(yùn)行環(huán)境，避免因溫度過高而導(dǎo)致保護(hù)停機(jī)，利德華福同時(shí)為該高壓變頻器配備了一套獨(dú)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(yùn)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(chǎng)實(shí)際分析，對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。
關(guān)鍵詞：燒結(jié)風(fēng)機(jī) 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(tuán)公司燒結(jié)分廠為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本。經(jīng)研究論證對(duì)180m2燒結(jié)生產(chǎn)線的主燒結(jié)風(fēng)機(jī)進(jìn)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-VA10410無速度傳感器矢量控制高壓變頻器一臺(tái)。
為確保高壓變頻器具有良好的運(yùn)行環(huán)境，避免因溫度過高而導(dǎo)致保護(hù)停機(jī)，利德華福同時(shí)為該高壓變頻器配備了一套獨(dú)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(yùn)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(shí)，設(shè)備運(yùn)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(shí)，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(yùn)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(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(xiàng)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(yùn)行安全，設(shè)備采用了技術(shù)先進(jìn)、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(jìn)入少、運(yùn)營成本低、維護(hù)量低等特點(diǎn)。
首先，對(duì)冷卻裝置的功率選型和配比進(jìn)行了核實(shí)。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(yùn)行工況，冷卻裝置的設(shè)計(jì)裕度為1.13。即：冷卻裝置的熱交換功率不小于253.1kW，實(shí)際設(shè)計(jì)安裝冷卻功率為255kW 。其中功率柜配備三臺(tái)45kW冷卻裝置，變壓器柜配備兩臺(tái)60kW冷卻裝置。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)總冷卻風(fēng)量100000m3h，其中3臺(tái)20000m3h的增壓風(fēng)機(jī)與功率柜配套使用。功率柜自身的有效排風(fēng)量為8臺(tái)4300m3h的風(fēng)機(jī)總排量34400m3h，實(shí)際冷卻系統(tǒng)的配備大于功率柜需求通風(fēng)量，滿足運(yùn)行要求。變壓器柜自身的有效排風(fēng)量為5臺(tái)4300m3h的風(fēng)機(jī)總排量21500m3h，實(shí)際冷卻系統(tǒng)的配備大于變壓柜需求通風(fēng)量，滿足運(yùn)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(jī)部分的設(shè)計(jì)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(jī)中出現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備故障時(shí)，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(chǎng)首先對(duì)風(fēng)路循環(huán)部分進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量和數(shù)據(jù)分析。從而驗(yàn)證風(fēng)機(jī)的實(shí)際風(fēng)量、風(fēng)壓等運(yùn)行指標(biāo)是否符合要求。利用風(fēng)壓風(fēng)速測(cè)量裝置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行了多點(diǎn)測(cè)量。通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(jìn)行比對(duì)分析。
（1）當(dāng)只打開高壓變頻器柜頂風(fēng)機(jī)時(shí)，對(duì)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(jìn)行了多點(diǎn)測(cè)量平均數(shù)據(jù)如下：
從數(shù)據(jù)中顯示：單獨(dú)運(yùn)行柜頂風(fēng)機(jī)采用密閉式循環(huán)冷卻方式時(shí)，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(yùn)行時(shí)，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(jī)采用密閉式循環(huán)冷卻時(shí)，功率柜門和變壓器柜門、冷卻裝置排風(fēng)口的風(fēng)速測(cè)試數(shù)據(jù)如下：
從數(shù)據(jù)中顯示：單獨(dú)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(jī)和冷卻系統(tǒng)增壓風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，功率柜門和變壓器柜門、冷卻裝置排風(fēng)口的風(fēng)速測(cè)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(jī)和密閉式冷卻系統(tǒng)風(fēng)機(jī)全部打開，處于正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的冷卻通風(fēng)量完全滿足高壓變頻器運(yùn)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(dòng)壓 WP=0.5?ro?V2 （其中WP為風(fēng)壓[kNm2]，ro為空氣密度[kgm3]，V為風(fēng)速[ms]）；流量Q=S×V（其中Q為風(fēng)cf量[m3s]，S為面積[m2], V為風(fēng)速[ms]）。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(yùn)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(jì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)冷卻系統(tǒng)水路系統(tǒng)的實(shí)際調(diào)查，目前現(xiàn)場(chǎng)各參數(shù)技術(shù)條件與設(shè)計(jì)要求值之間的對(duì)比見下表：
由上表測(cè)得的數(shù)據(jù)可知：空－水冷卻系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)并未能達(dá)到預(yù)期使用要求。空－水冷卻裝置是通過冷卻水流過交換管內(nèi)部與熱風(fēng)之間實(shí)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(shí)現(xiàn)熱交換效率和熱交換功率，當(dāng)流速降低時(shí)，冷卻水與熱空氣的交換效率就會(huì)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(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，要求進(jìn)水壓力0.25MPa、回水壓力0.1MPa、水溫33℃，冷卻水總流量68th。按照無縫管的阻力系數(shù)0.2計(jì)算，至少需要φ133管道。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用的管道截面積只有設(shè)計(jì)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(shí)冷卻條件下反而比開放式冷卻的效果差。
三、改進(jìn)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(jì)運(yùn)行指標(biāo)，提高現(xiàn)有系統(tǒng)的熱交換功率，需要對(duì)冷卻系統(tǒng)的供水壓力、循環(huán)流量等進(jìn)行改進(jìn)。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(tái)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(jì)要求。經(jīng)計(jì)算，增壓泵的揚(yáng)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(yùn)行需要。
四、結(jié)束語
通過改造，冷卻系統(tǒng)在高壓變頻器運(yùn)行負(fù)荷率80％以上情況下的實(shí)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(yùn)行環(huán)境要求。實(shí)踐證明，對(duì)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行工況分析準(zhǔn)確、改進(jìn)措施有效。在冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用中，確保各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于運(yùn)行要求是系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期冷卻效果的重要因素。
