直流輸電換流站防凍棚熱設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)用

冷明全，文玉良，吳安兵，周建輝，劉重強(qiáng)

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院, 廣東廣州510643；2. 廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東廣州510663; 3. 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京102209)

直流輸電換流站防凍棚熱設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)用

冷明全1,2，文玉良2，吳安兵2，周建輝3，劉重強(qiáng)2

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院, 廣東廣州510643；2. 廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東廣州510663; 3. 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京102209)

對某特高壓直流輸電換流站外冷防凍棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，介紹了防凍棚總體設(shè)計(jì)及外形設(shè)計(jì)方案，通過對防凍棚載荷及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，提出了換流站防凍棚設(shè)計(jì)優(yōu)化措施；通過對空冷器外部空氣流動傳熱特性進(jìn)行CFD仿真分析，得到了不同風(fēng)速及防凍棚高度下的熱風(fēng)回流率，并通過進(jìn)行成本分析和熱設(shè)計(jì)校核分析，發(fā)現(xiàn)安裝防凍棚后可有效防止熱風(fēng)回流，使低端閥組空冷器進(jìn)風(fēng)溫度降低3 ℃，并最終確定防凍棚最優(yōu)設(shè)計(jì)高度為6 m。

特高壓換流站；防凍棚；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；熱設(shè)計(jì)

0 引言

對于西北、東北、華北地區(qū)，±800 kV及以上特高壓直流換流站閥外冷系統(tǒng)采用空冷為主，夏季閉式蒸發(fā)冷卻塔輔助水冷的布置方案。我國西北地區(qū)自然環(huán)境惡劣，溫差大、風(fēng)沙強(qiáng)，冬季溫度控制不當(dāng)極易導(dǎo)致外冷設(shè)備閥門滲漏、管道破裂，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)長時(shí)間停運(yùn)，如何提高外冷系統(tǒng)的防凍能力成為換流站運(yùn)行維護(hù)中面臨的一個(gè)新的重要課題[1-4]。盡管國內(nèi)已有相關(guān)設(shè)計(jì)人員對閥廳及哈密南±800 kV換流站換流閥外冷采用了空冷器保溫室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)研究[5-8]，但在實(shí)際運(yùn)行中，保溫室出現(xiàn)了過熱問題，夏季高溫季節(jié)防凍棚與閥廳之間局部溫度過高，使閥外冷系統(tǒng)冷卻效果大大降低。經(jīng)分析，這部分高溫空氣位于空冷器出口附近，因此又由風(fēng)機(jī)吸回了空冷器入口，出現(xiàn)“熱風(fēng)回流”現(xiàn)象。

本文針對上述出現(xiàn)的熱風(fēng)回流問題進(jìn)行分析和模擬，首先對防凍棚在不同自然風(fēng)速及防凍棚高度條件下熱風(fēng)循環(huán)特性進(jìn)行模擬分析并確定了防凍棚最優(yōu)高度，并對防凍棚最優(yōu)高度進(jìn)行熱設(shè)計(jì)校核分析，其次在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了防凍棚總體設(shè)計(jì)包括外形設(shè)計(jì)、載荷設(shè)計(jì)分析和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析等，最后提出防凍棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施。設(shè)計(jì)了換流閥輔助(空冷)系統(tǒng)一體化外冷防熱風(fēng)循環(huán)及保溫結(jié)構(gòu)(以下簡稱防凍棚)。

1 防凍棚防熱風(fēng)循環(huán)仿真分析

1.1 回流率

防凍棚防熱風(fēng)循環(huán)效果好壞主要以回流率來評價(jià)，回流率定義為空冷器進(jìn)風(fēng)中所含有的由空冷器排出又重新吸入空冷器進(jìn)口的空氣質(zhì)量流量與空冷器入口處的總質(zhì)量流量的比值。對電站空冷器已有研究表明：環(huán)境風(fēng)速越高，空冷器迎面風(fēng)速越??；回流率隨環(huán)境風(fēng)速的增加先增加后降低[9-12]，空冷器高度一定時(shí)，風(fēng)速是影響機(jī)組背壓主要因素之一[13]。

1.2 防凍棚物理數(shù)學(xué)模型

1.2.1 物理模型

圖1為靠近控制樓側(cè)空冷器的熱風(fēng)循環(huán)示例，空冷器出來的熱風(fēng)由于受到周圍建筑物的阻擋，導(dǎo)致部分熱風(fēng)回流至空冷器的進(jìn)風(fēng)處，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)溫度升高，降低了空冷器的換熱效率。

圖1 空冷器熱風(fēng)回流示意圖

根據(jù)圖1，將空冷器、防凍棚和控制樓建成如圖2的二維仿真模型。

圖2 防熱風(fēng)循環(huán)二維模型圖

1.2.2 結(jié)果分析

圖3為不同風(fēng)速、不同防凍棚高度與回流率的變化關(guān)系。

圖3 不同高度的空氣回流率

由圖3可得：

(1)防凍棚高度一定，熱風(fēng)回流率隨著環(huán)境風(fēng)速的增加不斷下降，而且下降趨勢是逐漸變緩，環(huán)境風(fēng)速一定，熱風(fēng)回流率隨著防凍棚的增加不斷降低。

(2)當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為0.5 m/s，防凍棚高度2 m時(shí)，熱風(fēng)回流率為0.31；當(dāng)防凍棚高度為6 m時(shí)，熱風(fēng)回流率為0.019，說明防凍棚的存在能大大減弱熱風(fēng)回流。如圖4所示。

圖4 防凍棚高度影響回流率

2 防凍棚總體設(shè)計(jì)

當(dāng)防凍棚的高度確定后，可以進(jìn)行防凍棚的整體設(shè)計(jì)。防凍棚由不銹鋼卷簾模塊(含保溫層)、夾心彩鋼板維護(hù)結(jié)構(gòu)、不銹鋼卷簾模塊驅(qū)動裝置、鋼結(jié)構(gòu)、檢修電源箱及照明、管道保溫結(jié)構(gòu)等組成。

2.1 總體設(shè)計(jì)說明

(1)考慮與空氣冷卻器整體設(shè)計(jì)，外形上融為一體、不增加外冷的占地面積。

(2)載荷考慮重力載荷、地震作用(地震設(shè)防烈度為8度，按9度構(gòu)造措施設(shè)計(jì))、風(fēng)載荷、雪載荷、偏心載荷、局部載荷、沖擊載荷、溫差應(yīng)力和其他機(jī)械載荷。

(3)防凍棚框架采用Q235B鋼制成，主要受力構(gòu)件應(yīng)為D級鋼材，其他不低于B級，采用堿性焊條。鋼結(jié)構(gòu)之間的連接用螺栓采用熱浸鋅高強(qiáng)螺栓，腐蝕裕量的最小值為3 mm。

2.2 防凍棚外形結(jié)構(gòu)方案對比分析

考慮目前防凍棚設(shè)計(jì)存在的問題，本文共提出2種防凍棚外形結(jié)構(gòu)方案，如圖5、圖6所示。

圖5 方案1 防凍棚外形設(shè)計(jì)

圖6 方案2 防凍棚外形設(shè)計(jì)

(1)方案1：空冷器外緣支撐柱設(shè)計(jì)在最外側(cè)，作為防凍棚的主要支撐，冷卻塔不在防凍棚內(nèi)。

(2)方案2：空冷器外緣支撐柱設(shè)計(jì)在最外側(cè)，作為防凍棚的主要支撐，為避免冷卻塔盤管在冬季結(jié)凍，冷卻塔放置在防凍棚內(nèi)。

2種方案的對比分析如表1所示。

表1 2種防凍棚外形設(shè)計(jì)方案對比分析

通過表1對比分析，方案2防凍棚外形設(shè)計(jì)最優(yōu)并滿足實(shí)際工程需要。

3 防凍棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核分析

3.1 防凍棚最優(yōu)高度校核分析

3.1.1 防凍棚三維分析模型

(1)將控制樓、閥廳、空氣冷卻器、防凍棚和換流變防火墻抽象出立方體的幾何模型。

(2)假定空氣冷卻器平面高度一定，并均勻分布在同一高度的防凍棚內(nèi)，換熱功率為額定冷卻功率。

(3)防凍棚總高度為12.398 m，凈高度為6 m。

(4)空冷器的風(fēng)速，每組空冷器62.47 kg/s，進(jìn)風(fēng)溫度(環(huán)境溫度)為38 ℃，出風(fēng)溫度為44.5 ℃，風(fēng)速為6.02 m/s，共8組。

(5)加上防凍棚以后，防凍棚總高度達(dá)到了12 m，已經(jīng)超過了換流變防火墻的高度，因此只考慮吹向控制樓方向的風(fēng)向。

3.1.2 結(jié)果分析

圖7、圖8為換流站高端室外空氣冷卻器安裝防熱風(fēng)循環(huán)裝置后四周速度分布及溫度分布。

圖7 防熱風(fēng)循環(huán)與閥廳流速矢量分布圖

圖7中箭頭代表速度運(yùn)動矢量方向，可知自然風(fēng)吹過空冷器后，一部分自然風(fēng)被控制樓擋住后向兩側(cè)流動，由于防凍棚存在，熱風(fēng)回流現(xiàn)象不明顯。

由圖8、圖9可知：熱風(fēng)循環(huán)跟空冷器的擺放位置相關(guān)，低端閥組空冷器處于熱風(fēng)循環(huán)區(qū)時(shí)，不加防凍棚的空冷器受熱風(fēng)循環(huán)影響較大，進(jìn)風(fēng)溫度高于環(huán)境溫度約3 ℃；高端閥組處于熱風(fēng)循環(huán)區(qū)時(shí)，不加防凍棚的空冷器受熱風(fēng)循環(huán)影響較小，進(jìn)風(fēng)溫度高于環(huán)境溫度約1.5 ℃。加上防凍棚以后，進(jìn)風(fēng)溫度與環(huán)境溫度相差不大，未形成熱風(fēng)循環(huán)。

圖8 增加防凍棚前后空冷器與控制樓之間環(huán)境溫度比較

圖9 靠近控制樓處增加防凍棚前后的溫度比較

3.2 防凍棚載荷設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)計(jì)風(fēng)速及風(fēng)壓

根據(jù)鹽池氣象站共 55 年歷年最大風(fēng)速資料系列，并將1970 年之前的定時(shí)最大風(fēng)速換算為自記最大風(fēng)速，然后采用極值Ⅰ型法統(tǒng)計(jì)計(jì)算為：50年一遇10 m高10 min 平均最大風(fēng)速為25.4 m/s；100年一遇10 m高10 min平均最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為27.2 m/s。按照《電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程》DL/T5158—2012，將氣象站風(fēng)速乘以1.05 的系數(shù)作為換流站設(shè)計(jì)風(fēng)速，即50年一遇10 m 高10 min 平均最大風(fēng)速為26.7 m/s；100年一遇10 m 高10 min 平均最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為28.6 m/s。

3.2.2 設(shè)計(jì)積雪深度及雪壓

根據(jù)鹽池氣象站共57 年歷年最大積雪深度，采用極值Ⅰ型法統(tǒng)計(jì)計(jì)算，50年一遇最大積雪深度為12.6 cm，相應(yīng)雪壓為0.15 kN/m2。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的要求，鹽池50年一遇雪壓為0.30 kN/m2，最終確定換流站50年一遇雪壓采用0.30 kN/m2。

3.3 防凍棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)初步設(shè)計(jì)校核計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用單層鋼框架結(jié)構(gòu)：主梁HW450×200；次梁HW200×200；屋面水平支撐L75×5；鋼柱HW350×350；空冷平臺梁HW150×150；空冷平臺柱HW175×175。每套空冷器的運(yùn)行重量均勻加載在空冷器安裝位置的H 型鋼部分。卷簾門重量均勻加載在安裝梁H 鋼200×200 上。

根據(jù)計(jì)算分析模型進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力計(jì)算要求，應(yīng)力比最大值為0.89，如圖10所示。圖11為總體應(yīng)力比分布圖。

圖10 防凍棚總體應(yīng)力設(shè)計(jì)驗(yàn)算

圖11 應(yīng)力比顯示

4 防凍棚設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

與以往工程相比，本工程采取了以下措施來優(yōu)化防凍棚的設(shè)計(jì)：

(1)空冷器與防凍棚采用一體化設(shè)計(jì)，外觀為一個(gè)整體，空冷器鋼結(jié)構(gòu)與防凍棚鋼結(jié)構(gòu)受力分開，互不影響，避免產(chǎn)生共振效應(yīng)。

(2)通過空冷器四周增加壓型鋼板墻面，減少空冷器出風(fēng)受建筑影響回流的熱風(fēng)循環(huán)情況，提高了空冷器在夏天高溫下的換熱效果。

(3)增加了空冷器進(jìn)風(fēng)高度，進(jìn)風(fēng)處僅有防凍棚和空冷器鋼構(gòu)立柱。進(jìn)風(fēng)面積基本等于空冷器平面面積，大于一般設(shè)計(jì)值(0.7倍平面面積)。通風(fēng)效果好，未因增加了防凍棚而影響空冷器進(jìn)風(fēng)。

(4)空冷器正下方的混凝土地面整體高出室外地坪，防止風(fēng)沙進(jìn)入空冷器正下方，減少風(fēng)沙被空冷器吸入影響翅片換熱。

(5)屋頂電機(jī)改為平臥式，占用空間小，相應(yīng)屋面檢修走道標(biāo)高降低，檢修平臺及走道未完全突出頂部。

(6)增加卷簾門的鑲?cè)肷疃龋訌?qiáng)卷簾門導(dǎo)軌強(qiáng)度及其固定強(qiáng)度，采用硅膠密封材質(zhì)，減少單個(gè)卷簾門的跨度，消除了異響。

5 結(jié)論

防熱風(fēng)循環(huán)及保溫結(jié)構(gòu)能滿足在室外100年一遇的最大風(fēng)速和最大降雪條件下，結(jié)構(gòu)能夠保持強(qiáng)度穩(wěn)定，長期運(yùn)行可靠。防凍棚充分吸取了以往工程的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，利用空氣冷卻器與防凍棚一體化設(shè)計(jì)，通過熱仿真模擬及成本分析確定防凍棚最優(yōu)設(shè)計(jì)高度為6 m，通過熱設(shè)計(jì)校核分析，發(fā)現(xiàn)安裝防凍棚后可有效防止熱風(fēng)回流，使低端閥組空冷器進(jìn)風(fēng)溫度降低3 ℃，在環(huán)境溫度較高時(shí)期提高了空冷器的換熱效率，保障了外冷設(shè)備運(yùn)行可靠性。通過熱校核分析、載荷分析及結(jié)構(gòu)分析，該站防凍棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、減小了防凍棚占地面積，能夠滿足外冷設(shè)備的運(yùn)行要求和防凍要求。

[1]付紀(jì)華,劉軍,孫海濤，等. 換流站閥冷卻外風(fēng)冷系統(tǒng)防凍設(shè)計(jì)策略及現(xiàn)場應(yīng)急處理[J]. 陜西電力,2013,41(1):79-82.

[2]張健，何世洋，孫三祥，等. 適合嚴(yán)寒地區(qū)直流換流站外冷卻系統(tǒng)的研究[J].電力科技與環(huán)保，2014,30(4):53-55.

[3]姜海波, 翟賓, 賀新征,等. 高壓直流輸電換流閥冷卻系統(tǒng)可靠性評估[J]. 電力安全技術(shù), 2014, 16(5):60-63.

[4]黃晨. 換流站閥水冷系統(tǒng)保護(hù)分析及優(yōu)化[D]. 廣州：華南理工大學(xué), 2015.

[5]李慧. ±800kV普洱換流站閥廳通風(fēng)及空調(diào)設(shè)計(jì)研究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2016(13):261-261.

[6]張熠, 魏志強(qiáng), 黃黎琴. 大容量柔性直流換流站大跨度重型屋蓋閥廳鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J]. 福建建筑, 2016(8):50-53.

[7]余萍, 劉林超. 換流站閥廳結(jié)構(gòu)抗震性能的 ANSYS計(jì)算機(jī)仿真分析[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào), 2014,12(4):196-199.

[8]張玉明,應(yīng)捷,常偉,等. 哈密南±800kV換流站換流區(qū)域建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 中國電力,2014,47(10):7-14.

[9]肖烈暉, 杜小澤, 楊立軍,等. 環(huán)境風(fēng)作用下2×1000MW直接空冷機(jī)組空冷島布局[J]. 電力建設(shè), 2015, 36(6):7-13.

[10]嚴(yán)俊杰，張春雨，李秀云，等.直接空冷系統(tǒng)變工況特性的理論研究[J]. 熱能動力工程，2000,15(90)：601-603.

[11]賈寶榮，楊立軍,杜小澤，等. 不同風(fēng)向條件下空冷島運(yùn)行特性的數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代電力，2009,26(3)：71-75.

[12]楊立軍,杜小澤,楊勇平. 風(fēng)場影響下直接空冷系統(tǒng)熱風(fēng)回流率的空間分布特性[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào),2011,32(7)：1181-1184.

[13]呂玉坤, 王寧. 環(huán)境風(fēng)對直接空冷機(jī)組性能的影響[J]. 華北電力技術(shù), 2015(2):55-59.

HVDC Converter Station Anti-freezing Building Design and Project Application

LENG Mingquan1,2, WEN Yuliang2, WU Anbing2, ZHOU Jianhui3,LIU Chongqiang2

(1. School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510643,China; 2. Guangzhou Gaoland Energy Conservation Tech.Co.Ltd., Guangzhou 510663,China;3. State Grid Smart Grid Research Institute, Beijing 102209,China)

The structure design for a cold freezing shed of a HVDC converter station was studied and optimization measures were put forward as well. The hot air recirculation rates under different air speeds and different heights of the anti-freezing shed were achieved via analysis of the outside air heat transfer characteristics of the air cooler using CFD simulation. Through cost analysis and thermal design analysis, the fact that the installation of antifreeze can effectively prevent shed after reflow is found, and the inlet air temperature of the low-end valve group air cooler drops by 3 ℃. The optimal design height of the anti-freezing shed is determined with the value 6 m eventually.

HVDC converter station; anti-freezing building; structural design; thermal design

2016-08-08。

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201508030019)。

冷明全(1971-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姄Q流閥冷卻設(shè)備研究，E-mail：lengmq@ goaland.com.cn。

TM621

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.12.012