采用冷水機(jī)組的換流閥冷卻系統(tǒng)研究

趙盛國

常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司

采用冷水機(jī)組的換流閥冷卻系統(tǒng)研究

趙盛國

常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司

以常規(guī)高壓直流輸電換流閥冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，針對(duì)高溫缺水地區(qū)常規(guī)換流閥冷卻系統(tǒng)外冷配置難以滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行要求的情況，研究采用冷水機(jī)組與常規(guī)冷卻方式相結(jié)合的復(fù)合式冷卻方案，提高了換流閥冷卻系統(tǒng)對(duì)不同環(huán)境條件的適用性，保證了換流閥正常運(yùn)行。

冷水機(jī)組；換流閥冷卻系統(tǒng)；復(fù)合式冷卻

1、閥冷系統(tǒng)外冷設(shè)備分析

閥冷系統(tǒng)外冷設(shè)備主要有以下冷卻形式：

1.1 冷卻塔方式

其原理是通過管外流通的空氣、噴淋水與管內(nèi)的循環(huán)水進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)降溫目的。由于換熱過程內(nèi)冷水始終與外部隔絕，保證了內(nèi)冷水水質(zhì)不被污染，提高了內(nèi)冷系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命。閉式冷卻塔的耗水量與其工作時(shí)間成正比增長，外冷水水質(zhì)控制也直接影響了換熱盤管的結(jié)垢速度，采用加藥方式控制水質(zhì)帶來環(huán)境污染問題，采用反滲透方式控制水質(zhì)設(shè)備費(fèi)用昂貴、運(yùn)行維護(hù)要求很高。而噴淋水不斷蒸發(fā)也使得水池內(nèi)雜質(zhì)濃度不斷升高，需要定期排污。上述問題為冷卻塔的使用帶來了諸多限制。

1.2 空氣冷卻器方式

其原理是以空氣作為冷卻介質(zhì)，通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫空氣吹掃翅片管外表面，使翅片管內(nèi)的冷卻水得到冷卻。使用自然空氣作為冷卻介質(zhì)，相比冷卻塔方式，節(jié)約了大量的水資源，減少了運(yùn)行和維護(hù)的工作量，消除了污水排放的問題。但是由于空氣傳熱性能遠(yuǎn)比水低很多，因此在相同換熱能力條件下采用空氣冷卻器方式設(shè)備占地要大很多，同時(shí)由于風(fēng)機(jī)數(shù)量龐大，設(shè)備整體運(yùn)行噪聲難以控制也是影響周圍環(huán)境的一大隱患。

1.3 冷水機(jī)組方式

閥冷系統(tǒng)采用冷水機(jī)組設(shè)備進(jìn)行冷卻的方式尚無工程應(yīng)用，但冷水機(jī)組設(shè)備在其它行業(yè)和領(lǐng)域的應(yīng)用非常普遍，其技術(shù)也較為成熟。冷水機(jī)組設(shè)備主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器及膨脹閥等，通過壓縮機(jī)吸入蒸發(fā)制冷后的低溫低壓制冷劑氣體，并將其壓縮成高溫高壓氣體送至冷凝器變?yōu)槌馗邏阂后w；當(dāng)常溫高壓液體流入熱力膨脹閥，經(jīng)節(jié)流成低溫低壓的濕蒸氣，流入殼管蒸發(fā)器，吸收蒸發(fā)器內(nèi)的冷凍水的熱量使水溫度下降；蒸發(fā)后的制冷劑再吸回到壓縮機(jī)中，重復(fù)下一個(gè)制冷循環(huán)。

冷水機(jī)組設(shè)備具有安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、占地小、運(yùn)行維護(hù)方便及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但單獨(dú)使用時(shí)由于換流閥設(shè)備所需換熱量大，長期運(yùn)行耗電量巨大。

2、復(fù)合式冷卻方案

針對(duì)我國西北地區(qū)干旱缺水、環(huán)境極限溫度惡劣等條件下，無論采用冷卻塔設(shè)備還是空氣冷卻器設(shè)備都難以滿足換流閥冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行要求的情況，提出采用空冷器與制冷主機(jī)相結(jié)合的復(fù)合式冷卻方案，可以有效避免采用單一設(shè)備的缺點(diǎn)和弊端。其主要設(shè)備包括：主循環(huán)泵、三通閥、空氣冷卻器、冷水機(jī)組(壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器及膨脹閥等)、主過濾器、穩(wěn)壓裝置、補(bǔ)水系統(tǒng)、去離子回路、配水系統(tǒng)及控制保護(hù)系統(tǒng)等。

其工作原理如下：

恒定壓力和流速的冷卻介質(zhì)，經(jīng)過主循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)，流經(jīng)三通閥并進(jìn)入空氣冷卻器，將換流閥組發(fā)出的熱量轉(zhuǎn)移至室外環(huán)境，冷卻后的介質(zhì)再進(jìn)入換流閥組，帶出熱量后流回到主循環(huán)泵入口。冷水機(jī)組與空氣冷卻器串聯(lián)連接，通過調(diào)節(jié)手動(dòng)閥1與手動(dòng)閥2的開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組的投切，方便對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線維護(hù)。

具體控制策略如下：

1)當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)計(jì)高值時(shí)(如36℃)，調(diào)整三通閥開度使冷卻水全進(jìn)空氣冷卻器，開啟空氣冷卻器滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)仍無法滿足換流閥冷卻要求，空氣冷卻器出水溫度高于要求值，因此需要投入冷水機(jī)組運(yùn)行，其承擔(dān)總負(fù)荷量約40%～60%的散熱，通過冷水機(jī)組冷卻進(jìn)一步降低冷卻水的溫度，以滿足換流閥組的進(jìn)水溫度要求。夏季高溫運(yùn)行期間，基本維持此狀態(tài)運(yùn)行。

2)當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)計(jì)高值時(shí)(如36℃)但高于設(shè)計(jì)低值(如20℃)，調(diào)整三通閥開度使冷卻水全進(jìn)空氣冷卻器，開啟空氣冷卻器滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)即可滿足換流閥冷卻要求，空氣冷卻器出水溫度滿足要求值，因此不需要投入冷水機(jī)組運(yùn)行。夜間運(yùn)行或者春秋季節(jié)運(yùn)行時(shí)，基本維持此狀態(tài)運(yùn)行。

3)當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)計(jì)低值時(shí)(如20℃)，調(diào)整三通閥開度使冷卻水部分進(jìn)空氣冷卻器，開啟空氣冷卻器運(yùn)轉(zhuǎn)即可滿足換流閥冷卻要求，空氣冷卻器出水溫度滿足要求值，冷水機(jī)組長期不需要啟動(dòng)運(yùn)行。冬季低溫或者換流閥組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，基本維持此狀態(tài)運(yùn)行。

為使進(jìn)換流閥組水溫調(diào)節(jié)平穩(wěn)，可對(duì)空氣冷卻器風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，同時(shí)手動(dòng)閥1與手動(dòng)閥2可以采用電動(dòng)閥根據(jù)空氣冷卻器出口水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)分配至冷水機(jī)組的流量。上述措施配合進(jìn)水溫度的PID調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)換流閥組在不同工況、不同季節(jié)運(yùn)行時(shí)進(jìn)水溫度的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，保證溫度波動(dòng)控制在要求范圍內(nèi)。

本文研究了換流閥冷卻系統(tǒng)外冷設(shè)備配置及復(fù)合式冷卻方案，提出的采用空氣冷卻器與冷水主機(jī)串聯(lián)組合的復(fù)合式冷卻方案具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，能滿足干旱缺水等極端環(huán)境條件下?lián)Q流閥對(duì)進(jìn)閥水溫控制的要求。鑒于閥冷系統(tǒng)的復(fù)雜性及應(yīng)用環(huán)境條件的多樣性，針對(duì)各種復(fù)雜情況設(shè)計(jì)的閥冷系統(tǒng)深入分析較少，本研究為此提供了一個(gè)解決方案，希望能對(duì)閥冷系統(tǒng)后續(xù)的研究工作起到很好的借鑒作用。

[1]林杉.寒冷地區(qū)HVDC外水冷系統(tǒng)傳熱性能研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2015.

[2]董增川，劉凌.西部地區(qū)水資源配置研究[J].水利水電技術(shù)，2001，32(3)：1-4.

[3]劉重強(qiáng)等.高溫缺水地區(qū)換流閥冷卻系統(tǒng)的研究[J].電力工程技術(shù) ,2017,3(4)：47-51.