赵志涛 李建军 武锴 周炜彬 杜永峰

西南管道兰州输油气分公司

摘要：以ACS1000中压变频器为例，分析了长输液体管道使用的中压变频器三种散热方式及其存在的问题，提出了运用PLC控制系统进行变频器风道散热模式与强制风冷模式智能切换的解决方案，在解决问题的同时还达到了节能降耗效果，为企业节省了运行成本。

关键词：变频器；散热方式；智能切换方法；长输液体管道

长输液体管道通过安装中压变频器实现管道输送压力和流量的调节是较为理想的工作方式，中压变频的电压等级为3 kV、6 kV、10 kV。虽然中压变频器调速系统效率比较高，但是在实际运行中仍然会产生 2%～4% 的热量损耗[1]，温度变化影响中压变频器工作性能或导致其器件永久损坏[2]。为控制变频器运行温度选择其散热方式非常重要。本文以兰成原油管道应用的电压等级为3 kV的ACS1000中压变频器为例，分析了其散热方式及其存在的问题，并提出可行解决方案，实现了变频器散热方式智能自动切换和企业降本增效。

1  变频器工作环境要求

1.1  温度

ACS1000中压变频器工作温度是运行控制关键，其运行环境温度应当维持在0 ℃～40 ℃，最佳温度为25℃。由于设备功率升高将带来热量指数级增长，因此需要采取安全高效的散热措施。

1.2  湿度

湿气进入变频器后将会附着在设备元件表面，导致设备绝缘性降低。而其与变频器内部粉尘混合形成结块后，将使设备线路板出现短路故障，限制设备散热性能[3]。变频器工作环境湿度为5%～95%，不允许冷凝。在腐蚀气体中最大允许相对湿度为60%。

1.3  粉尘浓度

变频器工作环境粉尘浓度要求PM10小于60 ug/m3，同时应限制碳粉、金属颗粒、硫化物等导电性、腐蚀性粉尘进入设备室。

2  变频器散热方式及不足

2.1  风道散热方式

风道散热方式通常在变频器顶部风道口安装一套风道散热装置，运行时变频器顶部散热风机将变频器内部变压器及功率单元散发的热量吸出并沿风道排至室外，在风机抽力作用下变频器周围冷风被吸进变频器进行热量置换[4]。为了减少整个风道系统阻力，散热风道采用正方形结构及悬挂方式，室外风道向下弯曲防雨，并设置隔离过滤网和防尘网防止粉尘、杂物、飞鸟等进入。为保证室内气压平衡，需对墙面增开进风通道，并设自垂百叶和防尘网防止粉尘、杂物、飞鸟等进入。具体布置需考虑因压力损失而引起的系统风量损失。此种方式造价及运行成本低，但容易将空气中大量灰尘吸入变频器，造成功率单元频繁损坏导致非正常事故停车，严重影响安全生产。另外要求环境温度不能超过35℃。因此此种方式仅适用在现场灰尘较少，周围空气洁净，季节环境温度不超过35℃的某些地区。

2.2  强制风冷方式

强制风冷方式通过安装匹配的空调进行强制制冷达到降温目的。该方式能让室外与室内气流完全阻断，在密闭窗户的隔断下，最大限度阻止外界带电颗粒粉尘进入变频器室，保证了变频器内功率单元等重要电子元器件的洁净，不易引起功率单元等损坏，从而减少变频器维修量[5]。目前ACS1000变频器就采用该散热方式。通常，1 P空调对应制冷量为2.324 kW，计算得出额定总发热量为31 kW的ACS1000变频器的室内空调匹数为31÷2.324＝13.3 P，即采用强制风冷方式时变频室内需配置1台10 P、1台5 P工业空调，为增加可靠性外加１台10 P备用。正常运行时，总量为15 P的两台空调每小时运行耗电量为45 kW，每小时运行费用为0.9×45＝40.5元，按每年运行8个月算，每年运行费用约为24万元，外加每年维检修费用2万元，一年运行维护成本至少26万元。由此可知，该方式存在运行维护成本费用较高的问题。在一些环境较恶劣，夏季环境温度较高而变频器功率较小的场合可采用此种风冷方式。

2.3  空—水冷却方式

空—水冷却方式将变频器散出的热风经风道由风机推送至室外，室外安装由铜铝复合翘片制成散热片的空水冷却器，由冷却水直接将变频器散失的热量带走，经过降温的冷风经风道回到室内。该方式散热效率高，但维持水冷需要循环泵、去离子水处理和补水装置等多个系统组成，系统工艺复杂，需要定期维护，循环系统工作压力高，容易发生泄漏，一旦泄漏，作为冷却介质的水不具备绝缘性，会带来严重安全隐患[6]。一般用在发热量小、环境温度不高的小容量变频装置中。

3  散热方式智能切换方法

经多方面考量，最终尝试将风道散热方式与强制风冷方式相结合，运用PCL控制系统，实现变频器根据环境状况在风道散热方式和强制风冷方式之间智能自动切换的目的。

3.1  散热系统组成及功能

该变频器散热系统如图 1所示。其中变频器集风罩与变频器顶部排风口无缝衔接的同时也可以缓冲风机的振动，将变频器内部散发的热量排出；弯头出风道，通过U型支架悬挂在屋顶上，用来连接变频器集风罩与三通连接管，圆弧的圆形角可以为30°～45°，使风道里的热风流通更顺畅；三通连接管，通过U型支架悬挂在屋顶上，与弯头出风道相连，作为水平出风道与旁路风道的连接件；水平出风道，通过U型支架悬挂在屋顶上，与三通连接管，作为散热通道一直延伸至室外屋檐下，室外部分呈45°圆弧状向下弯曲，并加装防尘和过滤装置，防灰尘杂物、防雨防潮；出风道电动风阀，安装在三通连接管与水平出风道的连接处，可控制出风道的开闭；旁路风道，安装在三通连接管上，垂直于水平出风道，作为散热通道，将热风散发在室内，出口处加装防尘和过滤装置，工作时启动工业空调进行强制降温；旁路风道电动风阀，安装在三通连接管与旁路风道的连接处，可控制出风道的开闭；电动通风百叶，一台安装在墙体上部，另一台呈对称状安装在另一面墙体下部，其通风空洞大小要根据变频器出风量确定，防止过小室内呈负压状态，其通风空洞洞口处设置可拆卸G2版式加强筋式过滤器，作为可控制开闭的进风口；工业空调，作为室内降温之用；室外温湿度仪、PM10监测仪分别用来监测室外空气的温湿度和PM10浓度，并上传至PLC控制系统；PCL控制系统采集室外空气温湿度及PM10浓度后，按设定的逻辑控制各电动风阀、电动通风百叶、工业空调的开闭，完成散热模式的切换。除部件1采用帆布材质外，部件2、3、4、5、6、7采用不锈钢材质。为了确保防尘效果，上述防尘及过滤装置应每月至少一次更换防尘棉、清洗过滤装置等维护保养。

图 1 变频器散热系统示意图

3.2  散热方式智能切换方法

（1）变频器运行时， PLC控制系统默认为采取强制风冷模式，此时打开旁路风道电动风阀、工业空调，同时关闭出风道电动风阀、电动通风百叶。

（2）PLC控制系统通过室外温湿度仪、PM 10监测仪实时采集室外空气的温度、湿度、PM 10浓度，并逻辑判断是否同时满足室外温度低于30℃、湿度低于90％且PM 10浓度低于50 ug/m3三个设定条件。

（3）如满足上述设定条件，则打开电动通风百叶，同时开启出风道电动风阀，关闭旁路风道电动风阀、工业空调，将强制风冷模式切换至风道散热模式；如任一条件不满足，则将风道散热模式切换至强制风冷模式。设定条件可以根据运行工况调整。

4  结论      

该散热方式智能自动切换方法已在兰成原油管道甘肃段投入使用，经过半年运行验证，实现了以下设定目标。

（1）在环境条件较好时，变频器运行风道散热模式，以节省能源；在环境恶劣时运行强制风冷模式，通过空调换热以减少粉尘、潮气的侵入，延长变频器的使用寿命。

（2）运用PLC控制系统，可以根据环境情况24小时不间断智能自动切换变频器散热方式，无需人工操作。经计算，1台中压变频器每年运行强制风冷模式的时间可以减少4个月，年均节省费用约12万元。

参考文献：

[1]韩飞，杨斌.高压变频器散热系统设计分析[J].山东工业技术，2017 (03)：252.

[2]王丹，毛承雄，范澍，等.高压变频器散热系统的设计[J].电力电子技术，2005 (39)：115-117.

[3]汪华.中压变频器在成品油管道增输工程中的应用[J].中国设备工程，2018 (24)：137-138.

[4]刘照辉，虞顶飞.基于大功率高压变频器散热系统的应用探讨[J].电工技术，2022 (02)：126-128.

[5]余建宏.某中压变频器系统可靠性模型及预计案例分析[J].环境技术，2020，38(5)：68-73.

[6]石华林，熊斌，刘作坤，等.高压变频器功率模块相变散热研究[J].电工电能新技术，2021，40(06)：73-80.

作者简介：赵志涛，1987年生，本科，毕业于东北林业大学，工程师，兰州输油气分公司临洮作业区副经理，现主要从事长输管道生产运行及安全管理工作。联系方式：18189699971，715557742@qq.com。