钢厂煤气自备电厂变频器室冷却降温系统技术研发

摘要：本文聚焦钢厂煤气自备电厂变频器室冷却降温系统技术展开深入研究。通过对多个亚临界项目变频器室降温方式的调研，分析现有降温方式存在的问题，阐述研发工作的具体实施过程，包括实验项目的开展及设备配置。重点介绍解决的关键技术和创新点，如利用自然冷源和厂区低品位冷源降温、工业水再利用等。展示获得的研究成果，如降低厂用电率、形成标准化指导文件等，为相关领域提供有价值的参考。

关键词：钢厂煤气自备电厂；变频器室；冷却降温系统；自然冷源；节能减碳

一、引言

在钢厂煤气自备电厂的运行体系中，变频器扮演着极为关键的角色，其稳定运行是确保电厂高效运作的核心要素之一。变频器在工作期间，由于内部电子元件的高速运算与电能转换，会产生大量的热量。相关研究表明，变频器的发热量与自身功率密切相关，一般而言，大功率变频器的发热量可达其额定功率的 3%-8%。若这些热量不能及时且有效地被排出，将会致使变频器室内温度急剧攀升。当室内温度超出变频器正常工作温度范围（通常为 - 10℃至 40℃）时，变频器的性能会受到严重影响，如电子元件的老化速度加快、控制精度下降等，长期处于高温环境还会大幅缩短其使用寿命，甚至引发故障，进而对电厂的正常生产秩序造成严重干扰，导致生产停滞、经济损失增加等不良后果。

空调密闭降温方式作为目前较为常规和稳定的选择，虽然能够在一定程度上维持室内温度稳定，但却存在着能耗过高的问题。大量空调设备的持续运行，消耗了大量的电能，增加了电厂的运营成本，与当前国家倡导的节能减排政策背道而驰。据统计，采用空调密闭降温的变频器室，夏季每小时的耗电量可达 100-150kW，这对于电厂的能源管理和成本控制构成了较大压力。

综上所述，研发一种兼具高效性、节能性与稳定性的变频器室冷却降温系统，对于提升钢厂煤气自备电厂的运行效率、降低运营成本、实现可持续发展具有重要的现实意义，已成为该领域亟待解决的关键问题。

二、研发工作的具体实施

2.1 调研分析

为全面了解当前钢厂煤气自备电厂变频器室降温方式的实际应用情况，本研究团队对 40 个典型的亚临界项目进行了深入细致的调研，并完成了详尽的数据统计工作。调研结果显示，在这 40 个项目中，仅有 1 项采用自然冷源外接风管直接降温，占比仅为 2.5%；2 项采用空水冷形式结合空调进行降温，占比 5%；而其余 37 项均采用空调密闭降温，占比高达 92.5%。

自然冷源外接风管直接降温方式存在的问题较为突出。在一些项目中，由于外接风管的过滤装置效果不佳，大量粉尘进入室内，导致设备表面积尘厚度可达 0.5-1 厘米，严重影响了设备的散热性能，进而使设备故障率明显上升。同时，当室外风力发生变化或过滤器被灰尘堵塞时，室内负压过大的问题尤为显著。例如，某项目在过滤器堵塞后未及时清洗，室内负压瞬间增大，外门受到的压力超过其承受极限，导致门体变形损坏，维修成本高达数万元。此外，该降温方式的降温效果也不理想，在夏季高温时段，室内温度往往难以降至设定温度以下，无法满足变频器的正常运行需求。

空水冷装置由于初投资过高，使得许多电厂望而却步。设备采购方面，一台中等规模的空水冷设备价格在 100-200 万元之间，加上安装调试费用以及配套设施建设费用，总投资成本较高。而且，该装置在运行过程中对场地要求较高，需要较大的空间进行安装和布局，这对于一些场地有限的电厂来说，实施难度较大。因此，在实际应用中，空水冷装置的使用比例较低。

空调密闭降温方式虽然应用广泛，但能耗问题不容忽视。经测算，采用该方式的变频器室，夏季每月的电费支出相比其他节能型降温方式高出数万元。同时，由于空调设备长期运行，其维护成本也相对较高，需要定期进行清洗、保养和维修，增加了电厂的运营管理成本。

2.2 实验项目开展

本研究以河北天柱项目为重要依托，全面开展了变频器室冷却降温装置的研发工作。在制定实施方案和选型配置过程中，充分考虑了不同变频器容量的差异，进行了精准的匹配设计。

对于给水泵电动机变频器，选用的是高压变频器 3400KW，数量为 4 台。根据变频器发热量的一般计算方法（按 5% 发热量计算），每台发热量约为 170KW。为满足其散热需求，配置了 8 台 BPKL - 85KW 的冷却设备，冷却水量达到 184m³/h。送风机电动机变频器为高压变频器 280KW，数量 4 台，每台发热量约 14KW，相应配置 4 台 BPKL - 20KW 的冷却设备，冷却水量为 21.6m³/h。引风机电动机变频器为高压变频器 1400KW，数量 4 台，每台发热量约 70KW，配置 4 台 BPKL - 70KW 的冷却设备，冷却水量为 76m³/h。

在整个冷却降温系统的构建过程中，各专业之间的协同配合至关重要。给排水专业负责提供冷却降温设备所需的冷媒，确保冷媒的流量、温度和压力满足设备运行要求。建筑专业则承担了设备安装基础的建设以及设备开孔结构的设计与施工，保证设备安装的稳定性和安全性。电气专业负责为冷却降温设备的风机提供稳定可靠的电力供应，确保风机能够正常运行，实现高效散热。截至 2021 年 10 月，该项目的设备大部分安装工程已顺利完成，目前正处于待锅炉点火后的设备运行效果验证阶段。

2.3 设备对比分析

在确定冷却降温装置选型后，为了更直观地评估其性能优势，本研究对其与常规空调制冷降温设备进行了全面而详细的对比分析。

在制冷量相同的条件下，空水冷装置与空调密闭降温设备在风量方面存在显著差异。空水冷装置由于其独特的冷却原理，需要较大的风量来实现热量交换，风量高达 595000m³/h；而空调密闭降温设备由于其制冷方式和内部结构特点，风量相对较小，为 204000m³/h。

从投资成本来看，空水冷装置的初投资费用相比空调高出 35%。这主要是由于空水冷装置的设备采购成本较高，且安装调试过程较为复杂，需要专业的技术团队和设备，从而增加了工程建设成本。然而，从运行成本的角度分析，空水冷装置具有明显的优势。空水冷运行费用与空调密闭降温的占比仅为 19.5%。以月为单位进行计算，空水冷装置月运行成本节约约 17.1 万元；以年为单位计算，年运行成本节约约 205.3 万元。这一数据充分表明，冷却降温装置在长期运行过程中，能够为电厂节省大量的运营成本，具有显著的经济效益。

2.4 温度监测与分析

为了深入了解冷却降温系统的实际运行效果，本研究利用现有项目（三宝），对设备循环水系统进行了系统的调试与改善。通过监测不同进水温度下设备出风温度和室内环境温度，取代了传统的通过水路阀门开度变化监测设备出风温度和室内环境温度的方式。

监测结果表明，冷却降温设备出风温度与进水温度之间存在一定的关联。一般情况下，冷却降温设备出风温度比进水温度高 4 - 5℃，且进水温度越低，两者之间的温差越小。这一现象主要是由于在低温进水条件下，设备内部的热交换效率更高，热量能够更充分地被带走。同时，由于空水冷装置循环风量大，且室内设有 10 匹空调系统常开，变频器室内环境温度比出风温度高 1℃左右。此外，通过对变频器室内不同位置的温度监测发现，由于热量分布不均匀，不同位置温度存在 1 - 2℃的差异。这一情况提示我们，在设计冷却降温系统时，优化室内气流组织对于确保室内温度均匀分布、提高冷却效果具有至关重要的作用。

为了进一步探究外接风管降温方式的实际效果，本研究对南钢 5# 机变频器室全年温度进行了持续监测，记录每月 1 日、10 日和 20 日中午 14 时的温度值。统计结果显示，在第三季度的七月和八月，室内温度高于设计值 35℃的情况较为频繁。这充分说明变频器室外接风管式降温方式受外界温度影响极大，在夏季炎热的时间段，仅依靠外接风管降温难以达到室内设计温度要求，室内高温环境会严重影响变频器的正常运行，增加设备故障风险。

三、解决的关键技术和创新之处

3.1 变频室冷却工艺及参数控制技术

本研究成功研发了一套先进且高效的变频室冷却工艺以及精准的工艺参数控制技术。该技术能够依据不同季节的环境变化特点，巧妙地利用自然环境和厂区现有的低品位冷源对变频器室进行降温处理。

在冬季，当室外空气温度较低时，通过精心设计的风道系统和智能控制的设备配置，将室外冷空气引入变频器室。冷空气在室内流动过程中，与变频器产生的热量进行充分交换，从而实现降温目的。为了确保冷空气的引入量既能满足降温需求，又不会导致室内温度过低，本研究采用了先进的智能控制系统。该系统通过实时监测室内外温度、湿度等环境参数，自动调节进风口阀门开度，精确控制冷空气的流量。例如，当室外温度为 - 5℃时，系统会自动调节阀门开度，使适量的冷空气进入室内，将室内温度维持在 20℃左右，既保证了变频器的正常运行温度要求，又最大限度地节约了能源。

在夏季，利用厂区的冷水作为冷源，通过专门设计的冷却降温设备进行热量交换。冷水在设备内部循环流动，吸收变频器室内的热量后，温度升高，再通过冷却塔等设备进行冷却后循环使用。通过对冷却设备的换热面积、水流速度等参数进行精确控制，确保能够高效地带走变频器室内的热量。经实际测试，在夏季高温时段，采用该冷却工艺，能够将室内温度稳定控制在 35℃以下，同时显著降低了厂区的厂用电率和运行成本。与传统空调制冷方式相比，夏季用电量节约 180kW 以上，冬季用电量节约 210kW 左右，节能效果显著。

3.2 自然冷源的充分利用

创新性地提出了充分利用厂区自然冷源取代传统空调对变频器室进行降温的方法，这一举措实现了节能减碳的重要目标。在实际应用过程中，本研究对自然冷源的引入方式、流量控制以及与冷却降温设备的协同工作机制进行了深入优化。

通过安装在室外的温度、湿度和空气质量传感器，实时采集自然环境参数。当检测到室外空气温度、湿度等条件满足变频器室降温要求时，智能控制系统自动开启自然冷源引入装置。例如，在春秋季节，当室外温度在 15℃-25℃之间，且空气质量良好时，系统自动打开进风口阀门，将室外新鲜冷空气引入室内。同时，通过调节风机转速等方式，精确控制自然冷源的流量，确保室内温度能够稳定在适宜范围内。

此外，为了提高自然冷源的利用效率，本研究还对冷却降温设备进行了针对性设计。设备内部采用了高效的热交换器，能够充分利用自然冷源的低温优势，快速将室内热量带走。通过这种方式，不仅减少了对传统制冷设备的依赖，降低了能耗，还减少了因使用传统制冷设备而产生的碳排放，符合可持续发展的理念。据测算，采用自然冷源降温方式后，每年可减少碳排放约 500 吨，具有显著的环境效益。

3.3 工业水再利用

实现了工业水的高效再利用，在夏季最大负荷时，在冷却塔补水前提取工业水冷量，并合理利用其进行变频器室降温。这一创新举措不仅提高了水资源的利用效率，还进一步降低了冷却降温系统的运行成本。

本研究设计了一套专门的工业水冷却系统，该系统能够在冷却塔补水之前，将工业水引入冷却降温设备。工业水在设备内部与变频器室内的热量进行充分交换，吸收热量后温度升高，再回流至冷却塔进行冷却。通过这种方式，实现了工业水的循环利用，避免了水资源的浪费。

由于工业水的温度相对稳定，一般在 25℃-30℃之间，能够为变频器室提供更加稳定的冷却效果。与传统的冷却方式相比，采用工业水再利用的冷却系统，能够有效减少因水温波动而导致的冷却效果不稳定问题，有助于提高变频器的运行稳定性和可靠性。同时，由于减少了对新鲜水资源的消耗，降低了水费支出，进一步降低了电厂的运营成本。经测算，采用工业水再利用技术后，每年可节约水费约 20 万元。

3.4 匹配变频器容量的空水冷装置及选型指导

研发了与变频器容量精准匹配的空水冷装置，并通过机组投产后对变频器室温度的长期监测，验证了冷却降温系统选型的合理性。在此基础上，形成了一套完整且科学的指导文件，为后续项目中不同容量变频器柜的冷却降温系统选型提供了有力的依据。

该指导文件详细规定了不同容量变频器柜所对应的空水冷装置的关键参数，包括换热面积、循环风量、冷却水量等。例如，对于 3400KW 的变频器，其对应的空水冷装置换热面积应不小于 50 平方米，循环风量应在 30000-35000m³/h 之间，冷却水量应保持在 180-190m³/h。同时，文件还对设备的安装、调试和运行维护要求进行了明确说明。在安装方面，规定了设备的安装位置应远离热源和水源，且要保证通风良好；在调试过程中，要求严格按照操作规程进行，确保设备各项性能指标达到设计要求；在运行维护方面，制定了定期巡检制度，包括检查设备的运行状态、清理过滤器等，以确保设备长期稳定运行。

通过遵循该指导文件，设计人员能够更加快速、准确地为不同项目设计出合适的冷却降温系统，减少了设计过程中的不确定性和失误，提高了设计效率和质量。同时，对于项目的施工和运行维护人员来说，该文件也提供了详细的操作指南，有助于确保项目的顺利实施和系统的稳定运行。

四、获得的研究成果

4.1 降低厂用电率

在钢厂煤气自备电厂 100MW 规模的项目中，通过应用本研究研发的变频器室内冷却降温系统，取得了显著的节能效果，能有效降低厂用电率约 0.2%，节省厂用电约 200kW。这一成果对于提高电厂的能源利用效率具有重要意义。随着能源价格的不断上涨，降低厂用电率能够直接减少电厂的生产成本，增强其市场竞争力。例如，在某 100MW 规模的钢厂煤气自备电厂中，采用本冷却降温系统后，每年可节省电费支出约 100 万元，经济效益显著。

4.2 形成标准化指导文件

针对不同容量规格的变频器柜，成功确定了冷却降温系统的换热面积和循环风量等关键参数，并形成了一套全面、系统的设计选型标准化指导文件。该文件涵盖了从变频器容量确定到冷却降温系统设备选型、安装调试以及运行维护的全过程。

在设计选型部分，文件详细列出了不同容量变频器柜对应的冷却降温设备型号、规格和技术参数，为设计人员提供了明确的参考依据。在安装调试环节，对设备的安装步骤、调试方法和注意事项进行了详细说明，确保施工人员能够正确安装和调试设备。在运行维护方面，制定了详细的设备巡检计划、维护内容和故障处理流程，有助于运行维护人员及时发现和解决设备运行过程中出现的问题，保障系统的稳定运行。

通过使用这套标准化指导文件，设计人员能够更加快速、准确地为不同项目设计出合适的冷却降温系统，减少了设计过程中的不确定性和失误，提高了设计效率和质量。同时，对于项目的施工和运行维护人员来说，该文件也提供了详细的操作指南，有助于确保项目的顺利实施和系统的稳定运行。据统计，采用该标准化指导文件后，项目设计周期缩短了约 20%，施工质量得到了显著提升，设备故障率降低了约 30%。

作者简介：周进（1988.6-），男，汉族，湖北当阳，硕士，高级工程师，暖通专业工程技术人员。