適合嚴(yán)寒地區(qū)直流換流站外冷卻系統(tǒng)的研究

張 健，何世洋，孫三祥，鄭宗達(dá)

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070;2.甘肅省電力設(shè)計(jì)院，甘肅蘭州 730060)

0 引言

高壓直流輸電技術(shù)廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大功率輸電，海底電纜送電及不同或相同額定頻率交流系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)絡(luò)等方面。換流站是高壓直流輸電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)交直流電力變換的電力工程設(shè)施［1］。換流站中換流器是直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，它的作用是把交流電變換成直流電，或把直流電交換成交流電。而晶閘管可控硅閥是換流器的最基本組成單元。換流閥在運(yùn)行工程中會產(chǎn)生損耗，對晶閘管元件最直接的影響就是導(dǎo)致元件結(jié)溫升高。晶閘管元件的正常工作結(jié)溫允許范圍是60～90℃。為保證換流器按規(guī)定的要求安全可靠地運(yùn)行，必須通過冷卻系統(tǒng)將運(yùn)行結(jié)溫維持在正常的范圍內(nèi)。

閥冷卻器將閥體各元器件的功耗發(fā)熱量排放到閥廳外，保證晶閘管運(yùn)行結(jié)溫在正常范圍內(nèi)，這既要求有足夠的冷卻容量，又要求有較高的可靠性。通常，閥冷卻分為內(nèi)冷卻水系統(tǒng)和外冷卻系統(tǒng)。內(nèi)冷卻水又稱一次循環(huán)水，而換流閥外冷卻系統(tǒng)主要功能是對一次循環(huán)水進(jìn)行冷卻。外冷卻系統(tǒng)的冷卻方式目前有兩種:一種為水冷卻方式，另一種為空氣冷卻方式。

1 水冷卻方式

外冷卻系統(tǒng)采用水冷卻方式時，一般采用蒸發(fā)式冷卻塔進(jìn)行冷卻降溫，其原理如圖1所示。內(nèi)冷卻水系統(tǒng)中的介質(zhì)在換流閥內(nèi)加熱升溫后，由循環(huán)水泵驅(qū)動流入冷卻塔內(nèi)的換熱盤管中，噴淋水泵從外冷水池抽水均勻噴灑到冷卻塔內(nèi)的換熱盤管表面，冷卻塔上設(shè)置的風(fēng)機(jī)，從冷卻塔下側(cè)引入空氣與噴淋水產(chǎn)生劇烈的混合，水汽化吸熱，降低換熱盤管中內(nèi)冷卻水系統(tǒng)的介質(zhì)溫度。噴淋水吸熱后形成的水蒸汽通過風(fēng)機(jī)排至大氣，在此過程中，換熱盤管內(nèi)的冷卻介質(zhì)得到了冷卻，降溫后的冷卻水由循環(huán)水泵再送至換流閥，如此周而復(fù)始地循環(huán)運(yùn)行。

2 空氣冷卻方式

外冷卻系統(tǒng)采用空氣冷卻方式時，一般常用空氣冷卻器，其工作原理如圖2所示。內(nèi)冷卻水系統(tǒng)中的介質(zhì)在換流閥內(nèi)加熱升溫后，由循環(huán)水泵驅(qū)動進(jìn)入室外空氣冷卻器，空氣冷卻器配置主要部件有換熱盤管(帶翅片)和風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)驅(qū)動室外空氣沖刷換熱盤管外表面，使換熱盤管內(nèi)的內(nèi)冷卻水系統(tǒng)中的介質(zhì)得以冷卻，降溫后的冷卻介質(zhì)由循環(huán)水泵再送至換流閥，如此周而復(fù)始地循環(huán)運(yùn)行［2］。

圖1 水冷卻方式原理

圖2 空氣冷卻方式原理

上述兩種外冷卻方式有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。水冷卻方式利用水與空氣接觸蒸發(fā)吸熱來降溫，其優(yōu)點(diǎn)是冷卻效率高，冷卻裝置數(shù)量少，占地面積小，運(yùn)行時噪聲較低，運(yùn)行費(fèi)用少，初投資也低。缺點(diǎn)是需設(shè)置二次水系統(tǒng)，對噴淋水的水質(zhì)有較高要求，需配備水處理設(shè)備。同時由于在寒冷地區(qū)冬季運(yùn)行易結(jié)冰，堵塞噴嘴，且風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，水汽混合物吹出，易在高壓線路上附著冰凌，危害換流站安全運(yùn)行，因此多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為嚴(yán)寒地區(qū)不宜采用水冷卻方式。而空氣冷卻方式是利用室外空氣與管內(nèi)水換熱降溫，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)僅由變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)和換熱盤管組成，系統(tǒng)部件少，結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)工作少，且冬季運(yùn)行時不會出現(xiàn)結(jié)冰的危害，因此適于北方寒冷地區(qū)應(yīng)用。缺點(diǎn)是冷卻效率較低，設(shè)備體積大，占地面積大，且安裝的冷卻風(fēng)機(jī)臺數(shù)多，運(yùn)行時噪聲大，運(yùn)行費(fèi)用高，設(shè)備的初投資也高。

水的導(dǎo)熱系數(shù)比同溫度下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)大20多倍。常溫下水的比熱容為4180kJ/m3·K，空氣的比熱容為1.2kJ/m3·K，二者相差懸殊，造成換熱強(qiáng)度的巨大差異，水的對流換熱系數(shù)h可以達(dá)到104W/m2·K，而空氣則只有水的1/100。根據(jù)牛頓冷卻計(jì)算式:

式中:h為對流換熱系數(shù)，W/m2·K;tw為壁面溫度，℃;tf為流體，℃。從式(1)可知，用水冷卻內(nèi)水冷系統(tǒng)比同溫度下的空氣快得多。

3 適合嚴(yán)寒地區(qū)的外水冷系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)工作原理

通過上述對比分析可知，單從冷卻方式來看，水冷卻方式明顯優(yōu)于空氣冷卻方式。但目前換流站所廣泛使用的閉式冷卻塔外水冷方式，僅被用于南方地區(qū)，北方嚴(yán)寒地區(qū)冬季存在結(jié)冰堵塞等危害，使之不被采用。鑒于此，本文提出如圖3所示的新型水冷卻方式，使之適用于北方嚴(yán)寒地區(qū)。

圖3 新型水冷卻方式原理

將噴淋水管直接引到散水器的正上方，噴淋水通過設(shè)置在噴淋水管末端的噴水口噴出，落到散水器上，被均勻地分散到積水盤中，再由漏水孔淋到換熱盤管表面。這樣就替代了現(xiàn)有水冷式外冷卻系統(tǒng)通過在換熱盤管上方布置小孔徑噴嘴的布水方式。散水器正上方的噴水口直徑略小于噴淋水管管徑，從而加大噴淋水在噴水口處的流速，這種設(shè)置解決了在低溫環(huán)境條件下現(xiàn)有水冷式外冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水系統(tǒng)小孔徑噴嘴容易結(jié)冰的問題。

在寒冷季節(jié)，由于水溫較低，可以停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行，此時不再產(chǎn)生汽水混合物，也不會出現(xiàn)高壓線路凝結(jié)冰凌危害換流站安全運(yùn)行的情況。同時在噴淋立管外表面纏繞電加熱裝置并且包裹保溫層，在停止運(yùn)轉(zhuǎn)或極端低溫時，可自動開啟電加熱裝置，對噴淋水進(jìn)行加熱，這樣可防止噴淋水在噴水口結(jié)冰堵塞噴水口。

散水器使噴淋水均勻地散落在積水盤上，并形成一定液位高度，再經(jīng)均勻分布在積水盤上的漏水孔流到換熱盤管表面。本新型布水方式比現(xiàn)有的噴水方式結(jié)構(gòu)簡單、且造價低、易于維護(hù)。

積水盤緊挨著換熱盤管，利用溫度較高的換熱盤管對積水盤進(jìn)行加熱，防止氣溫低時噴淋水在漏水孔處結(jié)冰，堵塞漏水口。

使用循環(huán)水對換熱盤管進(jìn)行噴淋，沖刷換熱盤管后的噴淋水落回噴淋水箱，在噴淋水泵的驅(qū)動下再次流到噴水口進(jìn)行噴淋。如此反復(fù)運(yùn)行，由于噴淋水吸收了換熱盤管內(nèi)高溫冷卻水的熱量，因此噴淋水箱內(nèi)的噴淋水溫度升高，能夠加熱由補(bǔ)水管引入的外界水，起到防止噴水口和漏水孔結(jié)冰堵塞的作用。

該系統(tǒng)可在北方嚴(yán)寒地區(qū)全年使用，在夏季室外環(huán)境高溫的情況下，可開啟變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)，即可增加換熱系數(shù)，滿足高溫環(huán)境下的使用要求。

3.2 水冷系統(tǒng)傳熱分析

換熱盤管管束可采用叉排方式布置。叉排時，流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲通道中流動。第一排管子保持外掠單管的特征，從第二排起流動將被前排管子引起的渦旋所干擾。在低Ref下，前排管子的尾部出現(xiàn)的渦旋不強(qiáng)，受粘滯力的作用，這種渦旋會很快消失，對下一排管子的邊界層影響很小，故管表面邊界層層流占優(yōu)勢，可視為層流工況。隨著Ref增加，管子間的湍流漩渦加強(qiáng)，當(dāng)Ref=5×102～2×105時，大約管的前半周表面為處于湍流漩渦影響下的層流邊界層，后半周則是渦旋流，流動狀態(tài)可視為混合工況。當(dāng)Ref＞2×105后，管子表面湍流邊界層才占優(yōu)勢。除Ref變化外，管子的排數(shù)、管徑以及管子的間距，包括與流向垂直的橫向間距和與流向平行的縱向間距都會產(chǎn)生影響。后幾排管子的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可達(dá)到第一排的 1.3 ～1.7 倍［3－9］。

4 結(jié)語

(1)在寒冷地區(qū)直流換流站外冷卻系統(tǒng)采用水冷方式，解決了傳統(tǒng)冷卻塔的外水冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行時結(jié)冰、覆冰導(dǎo)致停運(yùn)的問題。

(2)選用發(fā)熱電纜纏繞噴淋水管路，防止環(huán)境降至極端低溫條件下，噴淋水管中的冷卻水產(chǎn)生凍結(jié)，造成系統(tǒng)停止運(yùn)行。

(3)將傳統(tǒng)的冷卻塔中噴嘴改為噴淋水管和散水器、集水盤以及集水盤上均勻布置的漏水孔的集成，解決了傳統(tǒng)噴嘴在寒冷地區(qū)冬季易凍結(jié)的缺陷。

(4)將噴淋水管直接引至散水器的正上方，噴淋水通過設(shè)置在噴淋水管末端的噴水口噴出，落到散水器上，被均勻地分散到集水盤上，再由漏水孔板流至換熱盤管表面進(jìn)行對流換熱。

隨著國內(nèi)電力事業(yè)的迅速發(fā)展，資源豐富的北方地區(qū)將建設(shè)眾多的電廠，需要進(jìn)行大功率、長距離的直流輸電，而換流站中換流閥的冷卻方式的選擇又顯得極為重要。新型外水冷系統(tǒng)以其特有的優(yōu)越性，使之能夠安全可靠地應(yīng)用于寒冷的北方地區(qū)，隨著在北方直流換流站中的廣泛應(yīng)用，必將取得極大的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價值。

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