大功率变频器空水冷却器的研发.docx

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1、企业技术开发项目设计书项目名称高压大功率变频器空水冷却器的研发企业名称家港市恒强冷却设备企业法人（签名）建锋项目负责人林建忠02项目起止时间2013 年 01 月至 2014 年 12 月填报日期2013年 9月 6日省科技厅 2006 年制一、立项依据在高压大功率变频器应用中， 国客户除少数有专用机房外， 大多为了降低成本，将变频器直接安装于工业现场。工作现场是灰尘大、温度高，在南方还有湿度大的问题。对于线缆行业还有金属粉尘，在瓷、印染等行业还有腐蚀性气体和粉尘，在煤矿等场合，还有防爆的要求等等。尤其是对大功率变频器的冷却环境特别重要。随着高压大功率的变频器在火力发电企业的广泛的应用， 关于

2、高压大功率变频器在应用中带来的系统安全、 设备稳定性等应用问题越来越多地受到关注， 在使用过程中充分的意识到，只有解决高压变频器中的系统控制、工艺优化，环境控制、安全防护等问题，才能切实保障系统安全、设备稳定。而解决好高压大功率变频器的运行环境控制，解决好变频器本体的散热问题是解决问题的重要环节。高压大功率变频器国普偏采用密闭空调冷却方式。该办法主要为变频器提供一个固定的具有隔热保温的房间，依据变频器的发热量和面积大小计算出空调的制冷剂，从而配备一定数量的空调。 同时房间建筑面积的过大增加了空调的冷却负荷，由于变频器的排出的热风不能被空调全部吸入冷却，因此，造成系统效率低。引起节约能源的二次浪

3、费。当变频器的功率达到2500KW以上时，采用该种运行冷却方式的系统投资和运行费用将非常高，空调设备的可靠性和运行安全系数也直接影响变频器的稳定运行，因此对冷却系统提出更高的要求。现在高压变频器空水冷却器也逐渐运行到该冷却系统中。目前该项目系统的研发具有良好的综合性价优势， 更适合于高压大功率变频器的运行，冷却系统可以节约大量的投资和运行费用，符合系统优化节能、环保的要求。该项目的运用实现了高压大功率变频器设备的运行环境温度的控制，从而，提高系统安全可靠性，降低运行成本。该项技术目前处于国领先水平，随着国环保节能的需要，必将大量运用高压变频器，尤其是高压发电企业的控制需要，因此该项目具有广阔的

4、发展前景。其次，本项目的成功实施，为企业实现转型升级提供了强力支撑，项目技术的进一步完善和量产，有望成为公司新的利润增长点和竞争着力点，为企业进一步做强做大奠定良好基础；二、本项目开发的容和目的1项目主要容、目标及关键技术高压大功率变频器对运行环境温度通常要求在 040，环境粉尘含量低于950ppm。过高的温度会造成变频器温度过热保护而跳闸，粉尘含量过高或环境湿度及盐雾过大导致变频器通风滤网更换清洗维护量过高， 增加维护费用。因此，采用何种冷却方式和系统结构至关重要。空 -水冷却系统是一种利用高效、环保、节能的冷却系统，其应用技术在国处于领先地位。 在电力行业的高压大功率变频应用中得到广泛的推

5、广应用。 该系统由于其采用完全机械结构设计， 较空调等电力、电子设备而言具有明显的安全、可靠性。项目关键技术：(1) 现场能 够提 供的 工业 冷却 水温 33 ，且 能够提 供的 入口 水压在0.250.35MPa之间，回水压力在0.080.15MPa 之间；(2)能够提供必要的冷却水量，变频器空-水冷却系统需要的循环冷却水量为37.4t/h。(单套空 -水冷却系统 )；(3)需要为变频器配备独立的密闭式房屋，且房屋具有 10cm 以上的保温层或隔热措施；(4)房屋净高不小于3.5m；在房屋的长度方向或后部具有与房屋长度相当，宽度不小于 2.0m 的施工和安装场地；(5)现场能够提供两路38

6、0VAC/3PH 电源，变频器室的电源需求容量为11kw；(6)冷却水水质要求无悬浮物沉积，pH 值偏碱性 7.2。2、技术创新设备安装简单、快捷。整体式的结构组件安装于变频器室外，室采用风道与变频器柜顶排气口直接连接，使得整个空-水冷却系统结构紧凑，便于安装。(1)设备使用寿命长，故障率低，性能可靠。由于空-水冷却系统采用完全机械结构设计，较空调等电力、电子设备而言具有明显的安全、可靠性，具有较高的使用寿命。如果一旦冷却系统出现水路系统故障，则可关闭进出水阀门；通过风路管道系统设置的上下风门，可以直接将热风外排到室外， 吸入冷风实现开放式循环，从而大大提高了变频器安全、可靠性；(2)运营成本

7、低。空 -水冷却系统的运营成本是同等热交换功率空调冷却方式的 1/41/5。冷却电耗指标远远低于空调冷却，避免了能源节约的二次浪费；(3)变频器维护量低， 环境卫生。由于房间密闭， 冷却系统与变频器室形成密闭式循环风进行设备冷却，具有粉尘进入量小，环境温、湿度稳定等特点。滤网清洗周期有原来的1530 天延长到 23 个月以上，大大减轻了现场设备维护量和人力成本；(4)冷却风机冗余结构配置。空-水冷却系统中采用的增压风机设计风压、风量均大于变频柜顶风机的风压、风量排放值， 当变频器柜顶或增压风机出现问题时不会影响系统的冷却效果。3、主要技术指标或经济指标冷却系统作为变频器柜外的附属装置，能够保证

8、变频器功率柜始终处于2535运行环境，大幅度延长滤网更换周期减少现场维护量。不需要为变频器再独立建筑房屋，变压器柜采用开放式冷却，具体结构如图3 所示。强制冷却装置与变频器功率柜一体化设计，附着于功率柜顶部。 制冷压缩机组安装于变频器附近，允许运行环境温度在45以。实际应用中冷却方式的比较序号项目空调冷却空-水冷却1变频器容量2×2× 1400KW1400KW2额定散热功率112KW112KW3冷却功率设计140KW130KW4设计余量系数1.251.175设备安装数量5 台1 套6冗余设计无电源、风路、设备冗余7设备安装方式需单独布置整体施工安装8旁路处理方式无可开放式通

9、风冷却9运行成本 (0.37 元0.198 元0.024 元/KW/度)/KW10空间尺寸11700mm×11000mm×3600mm4000mm11滤网清洗周期715 天3045 天12平均无故障运行7000h50000hv时间通过以上分析比较一次风机变频装置采用空-水冷却方式非常经济，在设计方面充分考虑了设备故障、热交换介质泄露、风路应急旁路、操作简便、可维护维修等安全防护措施， 虽然采用该冷却系统在设备一次性投资上较空调设备略有提高，但相比空调冷却方式，通常系统运行23 年节约的电费即可收回投资。另变频装置安装在炉后相对粉尘度较高，通过风机自循环结构， 减少粉尘吸入变

10、频室。该项目具有一定的社会效益；本项目的成功研制和未来批量化应用，可有效促进国电力控制中高压大功率变频器的大规模运用， 提高电力国产装备水平， 减小对国外电力设备的过度依赖；二、 研究试验方法、技术路线以及工艺流程1、 研究实验方法：其主要原理是： 将变频器的热风通过风道直接通过空冷装置进行热交换， 由冷却水直接将变频器散失的热量带走； 经过降温的冷风排回至室。 空冷装置通过冷水温度低于 33，即可以保证热风经过散热片后，将变频器室的环境温度控制在 40以下满足变频器对环境运行的要求。从而，保证了变频器室良好的运行环境。冷却水与循环风完全分离，水管线在变频室外与高压设备明确分离，确保高压设备室

11、不会受到防水、绝缘破坏等安全威胁和事故。同时，由于房间密闭，变频器利用室的循环风进行设备冷却， 具有粉尘度低，维护量小的特点；减少了环境对变频器功率柜、控制柜运行稳定的不利影响。空-水冷却系统结构管理图如图 3：2、技术路线图：四、工作基础和条件1、 承担单位概况（人员、资产、业务与管理状况） ，拥有知识产权状况（包括本项目已有知识产权状况）；承担单位家港市恒强冷却设备成立于1999 年， 2012 年被认定为省高新技术企业。公司长期致力于各类电机、轴承、泵的空- 空、空 - 水、氢 - 水、油 - 水冷却器的技术开发和产品生产，积累了丰富的设计制造经验。近年来，公司紧随国家产业结构调整和升级

12、的步伐，在核电、风电、船舶用电机冷却领域加大了产品开发力度，先后开发出了“ 3.6MW风力发电机用空 - 空冷却器”、“核电泵用油冷却器”、“6MW10级风力发电机空 - 水冷却器”等多个科技含量高、附加值大的高新技术产品。成功为 ABB（中国）、电机股份等知名电机生产商配套。 2012 年公司建立了市大型特种高压电机冷却器工程技术研究中心，研发实力得到进一步提升。2012 年公司总资产达到2992 万元，其中固定资产原值1214 万元，销售收入 4625 万元，净利润 205 万元，上交税收 362 万元。在国外市场普遍不景气的大环境下依然取得了不俗业绩。公司职工总人数 108 人，其专以上

13、学历人员 37 人，占职工总数的 35%，研发人员 22 人，其中高级工程师 2 人，中级工程师 5 人，专业涉及流体力学、机械、电气、换热等领域，团队研发能力较强。为进一步增强公司的研发实力，公司与理工大学建立了长期稳定的友好合作关系，充分调动和整合公司外资源，占领国电机冷却技术及装备制高点。近三年，公司累计投入研发经费 841 万元，占三年销售收入的比重达到 7.4%。公司建立了规的现代企业管理制度。于 2001 年通过了 ISO9001：2000 质量管理体系认证，并于 2011 年升级为 2008 版； 2008 年通过了 ISO14000环境管理体系认证证书和 GB/T28001-2

14、001职业健康安全管理体系认证， 2010 年通过了 EJ/T9001-2005 标准核工业质量管理体系认证和日本船级社的 NK认证，实现了精细化管理。三年来，公司先后申请 6 件发明专利 ,6 件实用新型专利，其中分别有 2 件发明与 5 件实用新型获得授权， 4 件发明目前还处于实审阶段，专利清单见下表：序号专利号 / 申请号专利类型申请日专利名称法律状态冷却器中钛冷却管与散1ZL32发明10.05.19热片及钛管板的固定连授权接工艺2ZL23发明10.05.19套片式换热器的散热片授权3ZL3.3实用新型10.05.19底板上有凸台及弧形凸授权起层的散热片4ZL3.6实用新型10.05.

15、19冷却器用冷却管授权5ZL4.7实用新型10.05.19冷却器用管箱授权6ZL1.8实用新型10.05.19底板上有锯齿状结构及授权凸台的散热片7ZL5.6实用新型10.05.19底板上有锯齿状结构及授权弧形凸起层的散热片808发明10.05.19底板上有凸台及弧形凸实审起层的散热片988发明10.05.19底板上有锯齿状结构及实审弧形凸起层的散热片1099发明10.05.19底板上有锯齿状结构及实审凸台的散热片1134发明10.05.19冷却器用冷却管实审2、 本项目现有的研究工作基础 （包括与本项目研究有关的主要论文、专著情况，小试或中试成果情况，现有装备条件等）;公司联合理工大学，通过

16、对高压大功率变频器空水冷却器的高效换热技术、空冷器冗余通风的检测等关键技术进行联合攻关，成功制得一套高压大功率变频器空水冷却器样机。该项目空水冷却器经华电热电#3 炉 A、B 组测试，完全符合技术要求，技术指标达到了国领先水平。公司目前的硬件和软件基础公司占地 20000 ，其中厂房面积 15000 ，办公及实验、检测用面积 3000。2012 年成立了市大型高压电机冷却器工程技术研究中心，拥有硬度试验机、噪声测试仪、油漆测厚仪、远红测温仪、气密性试验等各类较为先进的检测仪器设备，具备热工性能实验、风洞测试、振动测试、拉脱实验、密封测试、无损检测、物化检测等功能的试验， 基本满足大型高压电机冷

17、却器的各种检测实验要求。项目合作单位理工大学， 其能源与动力工程学院是目前国从事能源、动力领域人才培养和科学研究工作的重要单位之一。 学院在能源动力装备制造技术、动力机械部流动规律、 高效换热器、 计算流体力学和传热学等方面形成鲜明的研究特色。项目实施具备的人才队伍公司职工总人数 108 人，其专以上学历人员 37 人，占职工总数的 35%，研发人员 22 人，其中高级工程师 2 人，中级工程师 5 人，专业涉及流体力学、机械、电气、换热等领域，团队研发能力较强。为进一步增强公司的研发实力，公司与理工大学建立了长期稳定的友好合作关系， 充分调动和整合公司与高校优势人力资源，占领国电机冷却技术及

18、装备制高点。科技服务管理能力公司先后成立了市大型高压电机冷却器工程技术研究中心， 通过该研发平台，将现有研发、检测、知识产权管理、技术培训等工作进行业务整合与责任细化，增强了了科技服务管理意识，提高了公司整体科技管理水平。本项目实施可能对环境的影响及预防治理方案。本项目实施过程中，没有废气、废液和废渣等“三废”的排放，不存在对周围环境的污染。加工过程中产生的钛削，将通过集中收集，集中销售，回收再利用。因此可以说本项目实施对环境影响基本为零。五、计划进度安排与考核指标工作进度（按半年度分）主要工作容2013年 1月至 2013年 5月市场调研、可行性方案论证、样机试制2013年 6月至 2014

19、年 4月技术进一步研发，产品检测、设备仪器购置、人员培训2014年 5月至 2014年 8月工艺优化、设备安装、调试、专利申请2014 年 9 月至 2014 年 12 月产品技术进一步完善，制定技术标准实现中试生产，项目竣工、验收六、经费预算项目预计总经费265 万元。项目经费支出预算表单位：万元经费支出预算预算数科目2013 年份2014 年份新产品设计费39工艺规程制定费510设备调试费615用于研究开发的原材料、半成品试制费420技术图书资料费22.5中间实验费1.58研究设备及设施折旧费3730 万元以下一次性进费用的用于研究开发的仪器和设备535研究人员工资4560委托其他单位进行

20、科研试制的费用28与技术开发有关的其他费用410合计80.5184.5总计265七、主要（大中型）仪器设备清单名称单价数量总价折旧方法折旧年限车床133 台39直线折旧10胀机22 台6直线折旧10冲床153 台90直线折旧10胀管机13 台3直线折旧3铣床16.52 台33直线折旧10电焊机0.310 台3直线折旧5冲床181 台18直线折旧10模具121 台12直线折旧3液压胀管机151 台15直线折旧3管端密封焊机251 台25直线折旧10八、技术研究开发机构名称及情况家港市恒强冷却设备技术中心和理工大学联合开发。 理工大学是国家重点大学之一，科研项目包括“ 863”计划、“973”基础

21、研究项目、国家自然科学基金等国家级重点项目及省部级科研攻关项目。 学校有国家级重点学科 6 个，机械工业部学科 7 个，国家级科研中心 2 个，其中热能专业已成为学校的排头兵。理工大学已经发展成为一所以理工为主，多学科、开放式的国家大学。家港市恒强冷却设备是中国主要的冷却器生产厂家之一，制造检验设备精良，公司有 160 名员工，技术中心有工程师技术人员九名， （其中四名本科学历，一名硕士学历），公司技术中心长期与国知名科研院校建立合作关系，在冷却器设计、开发方面具有丰富的经验。九.恒强主要研发人员情况单位性别年龄专业职称项目职务林建忠恒强男45机械设计技术总工组长峰标恒强男31热能专业助工副组长陆雪其恒强男48机械设计工程师组员黄国良恒强男46机 械工程师组员晓龙恒强男29机械设计工程师组员小芳恒强女38机械设计工程师组员蔡寿金恒强男42项目管理工程师组员任余庆恒强男47项目管理技 师组员邹圣峰恒强男43项目管理助工组员胡伟恒强男38项目管理助工组员邵树稳恒强男42项目管理技师组员陆 忠恒强男38项目管理助工组员国娟恒强女36项目管理技 师组员纪刚恒强男41项目管理助工组员仕进恒强男38项目管理技师组员胡 东恒强男40项目管理助工组员企业盖章2013年9月2日