±800 kV新松換流站換流閥外冷卻系統(tǒng)選型與設(shè)計(jì)

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(西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

滇西北至廣東±800 kV特高壓直流輸電工程是貫徹落實(shí)國家大氣污染防治行動計(jì)劃的重點(diǎn)輸電工程，工程建成投產(chǎn)后將滇西北水電送至珠三角地區(qū)，每年至少可減少珠三角地區(qū)煤炭消耗5.2×106t，減少二氧化碳排放量1.9×107t，減少二氧化硫排放量9400 t，節(jié)能減排效益明顯。該工程直流輸送容量為5000 MW，額定電壓為±800 kV，額定電流為3125 A；西起云南省大理州±800 kV新松換流站，東至廣東省深圳市±800 kV東方換流站，輸電線路總長大約1900 km。

換流站是直流輸電系統(tǒng)中完成交、直流電能轉(zhuǎn)換的站點(diǎn)，而換流閥是換流站內(nèi)實(shí)現(xiàn)交、直流電能轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備。換流閥內(nèi)的晶閘管元件在運(yùn)行過程中因功率損耗所轉(zhuǎn)換的熱量會導(dǎo)致晶閘管元件溫度上升，溫升一旦超過晶閘管的最高結(jié)溫，晶閘管就會損壞，因此換流閥需要使用冷卻介質(zhì)循環(huán)吸熱排放到閥廳外，確保晶閘管結(jié)溫保持在正常允許的范圍之內(nèi)[1-4]。因此，換流閥冷卻系統(tǒng)是確保換流閥安全可靠運(yùn)行的重要保障。

±800 kV新松換流站位于云南省大理白族自治州劍川縣羊岑鄉(xiāng)，站址海拔高度2328 m。站址附近無可靠河流水源，在20 km范圍內(nèi)有大干場水庫、玉華水庫、劍湖3個主要水庫(湖泊)，其富裕水量均能滿足換流站用水要求；站址地區(qū)四季溫差小，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，多年極端最高氣溫僅32.7 ℃。因此，換流閥外冷卻系統(tǒng)具有采用水冷卻的水源條件，同時也具有采用空氣冷卻的氣象條件。下面依托±800 kV新松換流站工程設(shè)計(jì)，對水冷卻、空氣冷卻兩種外冷卻方式進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，完成了換流閥外冷卻系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)，最終在南方電網(wǎng)域內(nèi)±800 kV換流站的換流閥外冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首次采用了空氣冷卻方式。

1 設(shè)計(jì)條件

1.1 水源條件

站址附近無可靠河流水源，在20 km范圍內(nèi)有大干場水庫、玉華水庫、劍湖3個主要的水庫(湖泊)，根據(jù)換流站用水量計(jì)算分析，3個水庫(湖泊)的富裕水量均能滿足換流站的用水要求。

表1 站址水源

1.2 環(huán)境條件

站址地區(qū)屬低緯高原山地季風(fēng)氣候，受太陽輻射、大氣環(huán)流、地理地貌等因素的相互作用，其主要?dú)夂蛱卣魇牵核募緶夭钚。怪辈町惷黠@，雨熱同季，干濕季分明，具典型的立體氣候特征。夏秋兩季受西南暖濕氣流、海洋季風(fēng)和西南季風(fēng)控制，雨量充足，6月至9月降雨量占全年降雨量的80%以上；冬春兩季受南支西風(fēng)氣流、大陸季風(fēng)控制，晴天多，日照充足，空氣干燥，雨量特少。站址主要環(huán)境條件見表2。

表2 站址主要環(huán)境條件

2 換流閥冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 冷卻系統(tǒng)概述

晶閘管換流閥是換流站的核心設(shè)備之一，在換流站中承擔(dān)交-直流轉(zhuǎn)換功能，其內(nèi)部的晶閘管元件在運(yùn)行過程中將產(chǎn)生大量的熱。大部分熱需要由冷卻介質(zhì)通過熱交換帶走，才能使晶閘管元件的運(yùn)行溫度不高于80℃，以保證元件的正常使用并防止其老化。因此在影響換流閥運(yùn)行可靠性的多種因素中，散熱是至關(guān)重要的一個。所以選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s方式，并進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，是使晶閘管閥的潛力得到充分發(fā)揮、提高系統(tǒng)可靠性不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一。冷卻介質(zhì)的選擇應(yīng)考慮電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性、對材料的腐蝕性、對環(huán)境的影響和易燃性及應(yīng)用的普及程度?？捎玫睦鋮s介質(zhì)有水、油、空氣和氟利昂等，由于水在比熱容、換熱系數(shù)和對環(huán)境的影響等方面具有優(yōu)勢，綜合考慮節(jié)約用水及保證冷卻水的純度，目前換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)均采用閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，冷卻介質(zhì)為去離子純凈水或蒸餾水。

與換流閥晶閘管元件進(jìn)行了熱交換而升溫的閥冷卻水，須經(jīng)過二次冷卻(外冷卻)降低水溫后再進(jìn)入換流閥進(jìn)行熱交換，如此周而復(fù)始地循環(huán)。故換流閥冷卻系統(tǒng)主要由兩個循環(huán)系統(tǒng)組成，即閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)和外冷卻系統(tǒng)。

換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)為閉式循環(huán)水系統(tǒng)，主要是為晶閘管閥提供冷卻水，吸收工作中換流閥所散發(fā)出的熱量，以維持換流閥的正常工作溫度。外冷卻系統(tǒng)為開式循環(huán)系統(tǒng)，是通過室外換熱設(shè)備將換流閥內(nèi)冷卻水中的熱量排入大氣從而降低內(nèi)冷卻水的水溫。

新松換流站直流輸送容量為5000 MW，直流額定電壓為±800 kV，直流電流為3125 A?！?00 kV直流場采用典型直流雙極接線，換流區(qū)采用每極2組12脈動閥組串聯(lián)接線。全站設(shè)極1高端閥廳、極1低端閥廳、極2高端閥廳、極2低端閥廳，相應(yīng)設(shè)置4套換流閥組。每套換流閥組設(shè)置一套獨(dú)立的閥冷卻系統(tǒng)，4套系統(tǒng)配置完全一致。換流閥采用5 in閥片，換流閥冷卻系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 換流閥冷卻系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 外冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

換流閥外冷卻系統(tǒng)需對閥組提供足夠的冷卻容量，以保證閥組安全可靠運(yùn)行。換流閥外冷卻系統(tǒng)的冷卻方式主要有兩種：水冷卻方式和空氣冷卻方式，根據(jù)工程條件，可采用全水冷卻、全空氣冷卻或空氣冷卻串聯(lián)輔助水冷卻的方式。

2.2.1 水冷卻方式

水冷卻方式的主要換熱設(shè)備為密閉式蒸發(fā)型冷卻塔，外冷卻系統(tǒng)主要設(shè)備包括：密閉式蒸發(fā)型冷卻塔、噴淋水泵、噴淋水池、噴淋水過濾及軟化裝置、加藥裝置、自循環(huán)旁路過濾系統(tǒng)等。

與換流閥晶閘管元件進(jìn)行了熱交換而升溫的閥內(nèi)冷卻水由循環(huán)水泵升壓進(jìn)入密閉式蒸發(fā)型冷卻塔的換熱盤管內(nèi)進(jìn)行冷卻，閥外冷卻噴淋水經(jīng)噴淋水泵升壓后進(jìn)入密閉式蒸發(fā)型冷卻塔，均勻噴灑到冷卻塔內(nèi)的換熱盤管內(nèi)表面，同時冷卻塔所設(shè)置的風(fēng)機(jī)不停地向上抽風(fēng)，使內(nèi)冷卻水中的熱量通過噴淋水的蒸發(fā)排入大氣，從而降低內(nèi)冷卻水的水溫。冷卻塔出水回流至冷卻塔下面的噴淋水池中循環(huán)使用。水冷卻系統(tǒng)流程見圖1所示。

圖1 水冷卻方式系統(tǒng)流程

由于噴淋水不斷的蒸發(fā)將造成噴淋水含鹽量逐漸增加，為了控制鹽類濃度，防止噴淋水在冷卻塔換熱盤管外壁結(jié)垢而影響傳熱效率，需對外冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)排污并連續(xù)補(bǔ)水。補(bǔ)充水進(jìn)水池之前需進(jìn)行軟化處理，從而控制外冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍率，使循環(huán)水的含鹽量維持在某一定值。

為了減少外冷卻水的耗量，未蒸發(fā)的噴淋水將回收并循環(huán)使用，需設(shè)置室外噴淋水池收集噴淋水?？紤]到在噴淋補(bǔ)水系統(tǒng)發(fā)生故障或檢修時冷卻系統(tǒng)可繼續(xù)運(yùn)行一段時間，噴淋水池容積按300 m3考慮。

每套換流閥外冷卻系統(tǒng)選用3臺冷卻塔(3×50%容量)，當(dāng)其中1臺冷卻塔被完全切除后(冷卻塔進(jìn)出口閥門關(guān)閉)，另外2臺冷卻塔仍具有足夠的冷卻容量。每臺冷卻塔裝有2臺可調(diào)速軸流式風(fēng)機(jī)，每臺冷卻塔對應(yīng)2臺噴淋水循環(huán)泵(一運(yùn)一備)。

根據(jù)新松換流站環(huán)境條件及閥冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到每套閥組水冷卻方案主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 水冷卻方案主要技術(shù)參數(shù)

換流站閥廳為“面對面”布置方式，配合電氣總平面布置方案，每組3臺冷卻塔及水池布置于每極高、低端換流變壓器側(cè)空地上。為節(jié)省占地，縮短管道長度，減少管路損失，噴淋水池布置于地下，而冷卻塔布置于水池上。

噴淋水泵、噴淋水過濾及軟化裝置、加藥裝置及自循環(huán)旁路過濾系統(tǒng)均布置在閥內(nèi)冷設(shè)備間內(nèi)。

2.2.2 空氣冷卻方式

采用空氣冷卻方式時，外冷卻系統(tǒng)的主要換熱設(shè)備為空氣冷卻器，空氣冷卻器由換熱管束、風(fēng)機(jī)、百葉窗、風(fēng)箱、構(gòu)架及附件(平臺、梯子)等組成。

與換流閥晶閘管元件進(jìn)行了熱交換而升溫的閥內(nèi)冷卻水由循環(huán)水泵升壓送至室外空氣冷卻器內(nèi)的翅片管束，同時空氣冷卻器所設(shè)置的風(fēng)機(jī)不停地向翅片管束送冷風(fēng)，通過熱水和冷風(fēng)之間的熱交換，使翅片管束內(nèi)的水得以冷卻，降溫后的冷卻水再進(jìn)入換流閥，如此周而復(fù)始地循環(huán)[5]，其冷卻系統(tǒng)流程見圖2所示。

圖2 空氣冷卻系統(tǒng)流程

空氣冷卻器的配置需滿足在極端最高溫度且換流閥達(dá)到最大負(fù)荷時，其總換熱面積仍有35%的冗余度。

根據(jù)新松換流站環(huán)境條件及閥冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，考慮到熱島效應(yīng)影響，新松換流站的設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為極端環(huán)境最高溫度加3 ℃熱島效應(yīng)，得到每套閥組空氣冷卻方案的主要技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 空氣冷卻方案主要技術(shù)參數(shù)

采用空氣冷卻器時，因空氣的換熱效率比水低，設(shè)備體積較大，且考慮到安裝、檢修條件，空氣冷卻器不能緊靠閥廳布置，需布置到離閥廳較遠(yuǎn)的空地上。

2.2.3 空氣冷卻串聯(lián)輔助水冷卻方式

結(jié)合氣象條件及換流閥的進(jìn)水溫度，當(dāng)采用常規(guī)空氣冷卻方式不能滿足冷卻要求時，需串連運(yùn)行一套輔助冷卻系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)境溫度或內(nèi)冷水進(jìn)閥溫度較低時，只運(yùn)行空氣冷卻器；當(dāng)環(huán)境溫度或內(nèi)冷水進(jìn)閥溫度較高時，自動投運(yùn)輔助冷卻系統(tǒng)。

由于新松換流站極端最高氣溫僅為32.7℃，氣象條件較好，進(jìn)閥水溫與室外氣溫的溫差較大，在夏季高溫季節(jié)，采用全空氣冷卻方案即可滿足換流閥冷卻要求，故不考慮增設(shè)輔助水冷的方案。

3 換流閥外冷卻系統(tǒng)方案選擇

新松換流站換流閥外冷卻系統(tǒng)具有采用水冷卻的水源條件，同時也具有采用空氣冷卻的氣象條件。根據(jù)站址水源及氣象條件對水冷卻及空氣冷卻兩種冷卻方式進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以選擇經(jīng)濟(jì)合理的換流閥外冷卻方案。

3.1 方案技術(shù)比較

兩方案技術(shù)比較見表6所示。

表6 換流閥外冷卻方案技術(shù)比較

根據(jù)技術(shù)比較可以看出，空氣冷卻方案無需水源、亦無排污，運(yùn)行維護(hù)簡單，設(shè)備占地面積雖然較大，但相應(yīng)的泵房及水池占地面積較小。水冷卻方案換熱效率高、占地小、噪音低，但水冷卻方案對水源要求高、站外輸水管線較長，噴淋水需要經(jīng)常加藥，冷卻塔換熱盤管外壁表面易結(jié)垢，運(yùn)行管理維護(hù)較復(fù)雜，并且存在排污問題，對環(huán)境有一定的影響。

3.2 方案經(jīng)濟(jì)比較

經(jīng)濟(jì)比較采用年費(fèi)用最小法(動態(tài))，年費(fèi)用最小法之年費(fèi)用的計(jì)算公式為

NF=(Z0-L)×Sn+L×i+U

式中：NF為使用期內(nèi)等額年費(fèi)用；Z0為工程投資；Sn為年固定費(fèi)用率，取Sn=0.097；U為年運(yùn)行費(fèi)用；L為工程殘值，取L=0；i為投資回收率，取i=9%；n為經(jīng)濟(jì)使用年限，按30年考慮。

經(jīng)濟(jì)比較主要是有關(guān)水源、取水設(shè)施及管道、冷卻設(shè)備、運(yùn)行費(fèi)用等方面的比較，經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果如表7所示。

表7 換流閥外冷卻方案經(jīng)濟(jì)比較

從表7可以看出，空氣冷卻方案初投資費(fèi)用較水冷卻方案低，且折算到使用期內(nèi)的等額年費(fèi)用也較低。

3.3 方案選擇

合理選擇換流閥外冷卻系統(tǒng)冷卻方式，對保障換流站安全運(yùn)行具有重要意義。

由于新松換流站站用水源均較遠(yuǎn)，輸水管線較長，敷設(shè)困難，運(yùn)行管理復(fù)雜；站址區(qū)夏季氣象條件較好，多年極端最高氣溫僅為32.7 ℃，具有采用空氣冷卻方式的氣象條件，采用空氣冷卻方式既能保證換流閥的安全運(yùn)行，又不會使空冷系統(tǒng)配置過大；同時，空氣冷卻方式?jīng)]有水的蒸發(fā)損失，也無風(fēng)吹和排污損失，節(jié)水效果明顯，既消除了運(yùn)行維護(hù)的不便，也避免了因水霧、排水而對站區(qū)周圍環(huán)境的影響，有利于保護(hù)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境。綜合技術(shù)分析及經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果，新松換流站換流閥外冷卻方案推薦采用空氣冷卻方案。

4 海拔高度對換流閥外冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

新松換流站站址海拔高度2328 m，地處高海拔地區(qū)。大氣壓力及空氣密度均受海拔高度影響，海拔高度每升高1000 m，相對大氣壓力降低約12%，空氣密度降低約10%。因此，相對低海拔地區(qū)，新松換流站空氣冷卻器的設(shè)計(jì)需考慮以下幾方面的影響。

4.1 對散熱量的影響

隨著空氣密度的降低，空氣冷卻器的散熱量會大幅度地減少。因此在空冷塔選型計(jì)算過程中，應(yīng)充分考慮空氣密度變化所帶來的影響，如傳熱系數(shù)、空氣質(zhì)量、空氣流量、風(fēng)機(jī)外壓等，并把這些參數(shù)融人到空氣冷卻器的選型計(jì)算中進(jìn)行精確的散熱量計(jì)算。

空冷器的換熱量計(jì)算公式為

Q=Gcp(t2-t1)

(1)

式中：Q為散熱量，kW；G為單位時間內(nèi)空氣質(zhì)量流量，kg/s；cp為空氣定壓比熱，kJ/(kg·℃)；t1、t2分別為空氣進(jìn)、出口溫度，℃。

其中空氣質(zhì)量流量與空氣密度成正比關(guān)系，故空氣密度越低，散熱量越小，因此為保證有足夠的冷卻能力，需加大空冷器的傳熱面積。

4.2 對電動機(jī)出力的影響

在海拔較高地區(qū)，電動機(jī)的出力由于空氣密度的減少而有所減少(空氣密度減少時，電動機(jī)的散熱量減少，會影響其出力)[6]。風(fēng)機(jī)的電動機(jī)功率PM的計(jì)算公式為

(2)

式中：K為電動機(jī)容量安全系數(shù)，取1.15；qV為體積流量，m3/s；P為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；ρq為計(jì)算條件下的空氣密度；η1、η2為分別為風(fēng)機(jī)效率和傳動效率。

結(jié)合當(dāng)?shù)貧鈮?69.2 hPa，則當(dāng)?shù)乜諝饷芏仁菢?biāo)準(zhǔn)大氣壓力的0.86倍，因此風(fēng)機(jī)輸出功率僅為在海拔1000 m以下標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力時的86%，在選用風(fēng)機(jī)的電動機(jī)時應(yīng)加以考慮，根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)電動機(jī)額定容量，以保證合適的裕度。

5 結(jié) 語

1)新松換流站站址20 km范圍內(nèi)有大干場水庫、玉華水庫、劍湖3個主要水庫(湖泊)，其富裕水量均能滿足換流閥外冷卻系統(tǒng)采用水冷卻方式的用水量要求，站址具有采用水冷卻方式的水源條件；站址多年極端最高氣溫32.7 ℃，考慮3 ℃熱島效應(yīng)后，設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為35.7 ℃，低于進(jìn)閥水溫8.7 ℃，站址具有采用空氣冷卻方式的氣象條件。

2)從技術(shù)比較來看，相比水冷卻方式，空氣冷卻方式無需水源、亦無排污，是一種節(jié)水、環(huán)保的冷卻方式，并且運(yùn)行維護(hù)簡單。從經(jīng)濟(jì)比較來看，結(jié)合新松換流站站用水源條件，空氣冷卻方式的使用期內(nèi)等額年費(fèi)用較低。因此，綜合考慮，新松換流站換流閥外冷卻系統(tǒng)推薦采用空氣冷卻方式。

3)新松換流站站址海拔高度為2328 m，地處高海拔地區(qū)，大氣壓力及空氣密度均受海拔高度影響，空氣冷卻器的設(shè)計(jì)需考慮海拔高度對于散熱量、電機(jī)出力的影響。