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          管道研究

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          液體管道ACS1000中壓變頻器散熱方式智能切換方法

          來源:《管道保護》2022年第4期 作者:趙志濤 李建軍 武鍇 周煒彬 杜永峰 時間:2022-8-16 閱讀:

          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控制系統進行變頻器風道散熱模式與強制風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能降耗效果,為企業節省了運行成本。

          關鍵詞: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,但是在實際運行中仍然會產生 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題,并提出可行解決方案,實現了變頻器散熱方式智能自動切換和企業降本增效。

          1  變頻器工作環境要求

          1.1  溫度

          ACS1000中壓變頻器工作溫度是運行控制關鍵,其運行環境溫度應當維持在0 ℃~40 ℃,最佳溫度為25℃。由于設備功率升高將帶來熱量指數級增長,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,將使設備線路板出現短路故障,限制設備散熱性能[3]。變頻器工作環境濕度為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

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

          2  變頻器散熱方式及不足

          2.1  風道散熱方式

          風道散熱方式通常在變頻器頂部風道口安裝一套風道散熱裝置,運行時變頻器頂部散熱風機將變頻器內部變壓器及功率單元散發的熱量吸出并沿風道排至室外,在風機抽力作用下變頻器周圍冷風被吸進變頻器進行熱量置換[4]。為了減少整個風道系統阻力,散熱風道采用正方形結構及懸掛方式,室外風道向下彎曲防雨,并設置隔離過濾網和防塵網防止粉塵、雜物、飛鳥等進入。為保證室內氣壓平衡,需對墻面增開進風通道,并設自垂百葉和防塵網防止粉塵、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風量損失。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致非正常事故停車,嚴重影響安全生產。另外要求環境溫度不能超過35℃。因此此種方式僅適用在現場灰塵較少,周圍空氣潔凈,季節環境溫度不超過35℃的某些地區。

          2.2  強制風冷方式

          強制風冷方式通過安裝匹配的空調進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,即采用強制風冷方式時變頻室內需配置1臺10 P、1臺5 P工業空調,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。在一些環境較惡劣,夏季環境溫度較高而變頻器功率較小的場合可采用此種風冷方式。

          2.3  空—水冷卻方式

          空—水冷卻方式將變頻器散出的熱風經風道由風機推送至室外,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,經過降溫的冷風經風道回到室內。該方式散熱效率高,但維持水冷需要循環泵、去離子水處理和補水裝置等多個系統組成,系統工藝復雜,需要定期維護,循環系統工作壓力高,容易發生泄漏,一旦泄漏,作為冷卻介質的水不具備絕緣性,會帶來嚴重安全隱患[6]。一般用在發熱量小、環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

          經多方面考量,最終嘗試將風道散熱方式與強制風冷方式相結合,運用PCL控制系統,實現變頻器根據環境狀況在風道散熱方式和強制風冷方式之間智能自動切換的目的。

          3.1  散熱系統組成及功能

          該變頻器散熱系統如圖 1所示。其中變頻器集風罩與變頻器頂部排風口無縫銜接的同時也可以緩沖風機的振動,將變頻器內部散發的熱量排出;彎頭出風道,通過U型支架懸掛在屋頂上,用來連接變頻器集風罩與三通連接管,圓弧的圓形角可以為30°~45°,使風道里的熱風流通更順暢;三通連接管,通過U型支架懸掛在屋頂上,與彎頭出風道相連,作為水平出風道與旁路風道的連接件;水平出風道,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;出風道電動風閥,安裝在三通連接管與水平出風道的連接處,可控制出風道的開閉;旁路風道,安裝在三通連接管上,垂直于水平出風道,作為散熱通道,將熱風散發在室內,出口處加裝防塵和過濾裝置,工作時啟動工業空調進行強制降溫;旁路風道電動風閥,安裝在三通連接管與旁路風道的連接處,可控制出風道的開閉;電動通風百葉,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,其通風空洞大小要根據變頻器出風量確定,防止過小室內呈負壓狀態,其通風空洞洞口處設置可拆卸G2版式加強筋式過濾器,作為可控制開閉的進風口;工業空調,作為室內降溫之用;室外溫濕度儀、PM10監測儀分別用來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風閥、電動通風百葉、工業空調的開閉,完成散熱模式的切換。除部件1采用帆布材質外,部件2、3、4、5、6、7采用不銹鋼材質。為了確保防塵效果,上述防塵及過濾裝置應每月至少一次更換防塵棉、清洗過濾裝置等維護保養。



          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, PLC控制系統默認為采取強制風冷模式,此時打開旁路風道電動風閥、工業空調,同時關閉出風道電動風閥、電動通風百葉。

          (2)PLC控制系統通過室外溫濕度儀、PM 10監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/m3三個設定條件。

          (3)如滿足上述設定條件,則打開電動通風百葉,同時開啟出風道電動風閥,關閉旁路風道電動風閥、工業空調,將強制風冷模式切換至風道散熱模式;如任一條件不滿足,則將風道散熱模式切換至強制風冷模式。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切換方法已在蘭成原油管道甘肅段投入使用,經過半年運行驗證,實現了以下設定目標。

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

          (2)運用PLC控制系統,可以根據環境情況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。經計算,1臺中壓變頻器每年運行強制風冷模式的時間可以減少4個月,年均節省費用約12萬元。

           

          參考文獻:

          [1]韓飛,楊斌.高壓變頻器散熱系統設計分析[J].山東工業技術,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,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,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].環境技術,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,2021,40(06):73-80.


          作者簡介:趙志濤,1987年生,本科,畢業于東北林業大學,工程師,蘭州輸油氣分公司臨洮作業區副經理,現主要從事長輸管道生產運行及安全管理工作。聯系方式:18189699971,715557742@qq.com。

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