換流閥冷卻設備運行發(fā)熱對輔助加熱器選型影響的探討

許偉

摘 要： 高壓直流輸電系統(tǒng)中的核心在于換流站，而換流閥又是換流站系統(tǒng)中的核心設備，保證換流閥穩(wěn)定運行的是閥冷卻系統(tǒng)，因此閥冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運行關系到整個輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。在冬季溫度較低及換流閥停運時需保證內冷卻水溫度高于最低進閥溫度，此時需開啟輔助加熱設備進行水溫調節(jié)，而在系統(tǒng)設計中對于輔助加熱設備的選型核算就顯得相當重要，但實際中對于設備自然散熱量和產熱量的準確核算存在較大困難導致設計中輔助加熱設備的選型不精準，使閥冷系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定留下了隱患。

關鍵詞： 高壓直流輸電；閥冷系統(tǒng)；輔助加熱設備；選型

我國地域遼闊，但由于資源和人口分布的不均衡，導致人口分布密集的地方發(fā)電能源卻嚴重不足，這將減慢我國經濟發(fā)展的速度。因此，近年來我國大規(guī)模的進行直流輸電工程建設，在西部人口密度較小的地區(qū)建立大型煤電、水電基地，實現(xiàn)將西部的資源轉化為電能支援東部的經濟發(fā)展，有效的實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置[1-6]。

高壓直流輸電中最核心的技術主要集中在換流站中，其實現(xiàn)了直流和交流的能量轉換，而換流閥又是這其中的核心設備。換流站在正常運行中換流閥中的可控硅元件會產生大量的熱損耗，這些熱量如果不能及時被帶走不但會引起換流閥元件散熱不良、元件過熱損壞，甚至會導致直流閉鎖等重大事故。通過內循環(huán)冷卻水帶走這些熱損耗，閥外冷系統(tǒng)將對這些水進行冷卻并使其達到所要求的進水溫度，因此換流閥水冷卻設備是關系到換流站可靠運行的重要保障[7-10]。

在冬季溫度較低及閥體停運時需要對冷卻水溫度進行調節(jié)，如循環(huán)冷卻水的溫度低于閥體露點溫度時，閥冷設備的管路及器件表面會有凝露的危險，可能會導致漏電事故。這時置于內冷卻水回路的點加熱器就開始工作，調節(jié)水溫至露點以上。循環(huán)冷卻水所需的動力為主循環(huán)水泵提供，水泵在工作時與水流摩擦會產生水泵功率的損耗，部分損耗會體現(xiàn)在水流水溫中，而在大多數(shù)直流閥冷卻工程項目中這部分熱量卻并未考慮，這對于加熱器的選型準確性會有很大的影響。文中以我司承接的靈州—紹興±800kV特高壓直流輸電工程靈州換流站輔助（空冷）系統(tǒng)一體化工程為例，對輔助加熱設備的選型核算進行探討分析[11]。

1 靈州站閥冷卻系統(tǒng)工藝原理簡介

靈州站閥冷卻系統(tǒng)如圖1所示，冷卻介質通過循環(huán)水泵進入室內換熱設備，將換流閥被冷卻器件發(fā)出的熱量在室外換熱設備進行熱交換，冷卻后的介質經主過濾器再進入換流閥被冷卻器件帶走熱量，形成密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。換流閥運行過程中對于冷卻介質電導率的要求很高，要長期保持在較低的水平。而隨著閥體工作電壓的增高，冷卻介質中的離子數(shù)量會增加，通過離子交換器的去離子功能使系統(tǒng)中的循環(huán)冷卻介質中的離子維持在較低水平[12]。

當換流閥電壓和容量增大時會導致介質中的溶解氧加速對冷卻設備和管道的腐蝕，因此需要更進一步的降低介質中的溶解氧。系統(tǒng)中與膨脹罐連接的氮氣穩(wěn)壓設備可以保證系統(tǒng)中充滿冷卻介質并隔絕空氣，實際上通過氮氣的補充和排放來緩沖系統(tǒng)內冷卻介質因溫度變化引起的體積變化。

在主循環(huán)回路及空冷器進水管路上設置電加熱器，在冬季氣溫較低時及在換流閥停運時對介質水溫進行補償，以此達到防止介質溫度過低。[11]

2 靈州站電加熱器選型核算

2.1 概述

在工程中對閥冷系統(tǒng)電加熱器進行選型核算主要考慮在冬季歷史極低溫度情況下室外散熱設備的自然散熱功率，電加熱器的總功率要大于室外散熱設備的自然散熱功率。靈州站的外冷方式為空冷器加閉式冷卻塔串聯(lián)，因此需要分別核算空冷器和閉式冷卻塔在歷史極低溫度下的自然散熱量，為電加熱器的選型提供依據(jù)。

2.2 空冷器自然散熱量核算

在冬季溫度極低時，為降低空氣冷卻器的散熱量，避免進閥溫度過低，閥冷系統(tǒng)設備通過電動三通閥進行溫度調節(jié)，當進閥溫度低于20°時，僅有主流量的50%通過室外空氣冷卻器，另外50%從旁路流過。根據(jù)換流閥的技術要求，進閥溫度按不低于10°進行設計。下表為空氣冷卻器的自然散熱量核算。

2.3 冷卻塔自然散熱量核算

本工程中只有一臺閉式冷卻塔與空冷器串聯(lián)，在冬季極低溫度下，閉式冷卻塔在噴淋泵不啟動風機也不啟動的情況下的自然散熱量為85kW，見下表。

2.4 結果分析

通過以上在冬季極低溫度下外冷自然散熱量的分析可知，外冷自然散熱總量為W總=W空冷+W冷卻塔=329+85=414kW，因此需要的輔助加熱設備的功率必須要大于外冷總自然散熱量。本工程設計方案中設計內冷電加熱器為4臺30kW，外冷電加熱器為4臺80kW，總功率為440kW，大于外冷總自然散熱量，符合工程要求。

而在實際工程中，內冷設備放置在閥廳內，與外冷連接的管道也大多在室內，正常閥廳運行時內部溫度為5～60℃，即在冬季極低溫度下室內溫度也不至于太低，與循環(huán)水溫差較小，因此設備的管道散熱有限。而主泵在運行時因功率損耗所產生的熱量也是非常多的。

如一個功率為132kW的主泵，其泵效率計算為70%，功率損耗就約為40kW，這部分的損耗被內循環(huán)水帶走，而在設計中卻并未考慮此產熱量，對輔助加熱設備的選型核算的準確性就產生了影響。

3 展望

閥冷系統(tǒng)在冬季極運行時，主循環(huán)泵在提升內循環(huán)水的同時產生了功率損耗，這部分損被內循環(huán)水帶走，應計入整個系統(tǒng)的產熱量。而在實際工程設計中，只簡單的考慮了外冷設備的自然散熱量，對于管道和內冷設備的散熱量卻沒有相關計算，對于主泵功率損耗也未計算入內，這對輔助設備的選型核算有很大影響。如果當外冷總自然散熱量和管道散熱量之和大于電加熱器功率加主泵功率損耗時，將會對閥冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行產生威脅。因此準確核算在冬季極低溫度下系統(tǒng)的散熱量是很有必要的?！?/p>

參考文獻

[1] 劉振亞.特高壓直流輸電技術研究成果專輯[M].北京：中國電力出版社，2006：1-10

[2] 湯廣福.高壓直流輸電裝備核心技術研發(fā)及工程化[J].電網技術，2012，36（1）：1-2.

[3] 梁旭明，張平，常勇.高壓直流輸電技術現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].電網技術，2012，36（4）：1-7.

[4] 袁青云.我國特高壓直流輸電發(fā)展規(guī)劃與研究成果[J].電力設備，2007，8（3）：1-4

[5] 蘇宏田，齊旭，吳云.我國特高壓直流輸電市場需求研究[J].電網技術，2005，29（24）：1-4.

[6] 舒印彪.中國直流輸電的現(xiàn)狀及展望[J].高電壓技術，2004，30（11）：1-2.

[7] 趙中原，邱毓昌.現(xiàn)代HVDC 換流閥設計特點及其技術動向[J].高電壓技術，2001，27（6）：3-5.

[8] 倪汝冰，李鋒鋒.閥冷卻系統(tǒng)分析及改進措施[J]，電力建設，2007，28（12）：21-24.

[9] 楊光亮，邰能靈.換流閥水冷系統(tǒng)導致直流停運隱患分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（18）：199-203.

[10] 許根富，尚新立.高壓晶閘管換流閥外水冷系統(tǒng)分析[J].中國電力，2009，42（12）：42-43.