換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)研究

李銀龍 袁浩然 馬亞恒

【摘?要】換流閥作為直流輸電工程中的核心設(shè)備結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)直流輸電工程中功率控制的關(guān)鍵所在，而蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)則是換流閥系統(tǒng)的主要功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在直流輸電工程不斷發(fā)展的影響下，人們對換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的要求也不斷上升，對于其系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)改進(jìn)研究已經(jīng)成為了推動(dòng)我國直流輸電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然舉措，是提升換流閥功能實(shí)效的關(guān)鍵所在。

【關(guān)鍵詞】換流閥;蒸發(fā)冷卻系統(tǒng);關(guān)鍵部件;設(shè)計(jì)

換流閥的核心設(shè)備結(jié)構(gòu)元件就是晶閘管，在直流輸電工程的換流閥運(yùn)行中，晶閘管會(huì)產(chǎn)生較大的熱功率，在換流閥各設(shè)備元件性能對溫度較為敏感的情況下，就需要對換流閥晶閘管的熱量進(jìn)行有效控制，以保證直流輸電工程運(yùn)行的穩(wěn)定性和設(shè)備安全性，因此就需要蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)對晶閘管進(jìn)行冷卻處理，以保證換流閥晶閘管的穩(wěn)定運(yùn)行。

一、換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)研究的意義

我國現(xiàn)代電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，高壓直流輸電工程的發(fā)展速度不斷加快，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的電力資源供應(yīng)提供了重要保障。但是隨著高壓直流輸電工程的發(fā)展，其工程運(yùn)行中存在的一些現(xiàn)實(shí)問題也逐漸暴露出來，而因?yàn)閾Q流閥晶閘管運(yùn)行穩(wěn)定性造成的直流輸電影響問題得到了越來越多業(yè)界人士的關(guān)注。而影響晶閘管運(yùn)行穩(wěn)定性的主要因素就是其蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)對晶閘管的冷卻性能不佳，造成換流閥內(nèi)的各元器件受溫度影響而出現(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定性下降甚至故障損壞的情況[1]?；诖?，高壓直流輸電工程發(fā)展中，換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的改善研究得到了業(yè)界人士的高度關(guān)注與重視，尤其對蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)研究，更是成為了提升換流閥晶閘管運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，是保證直流輸電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容。與此同時(shí)，通過對換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)研究，也能夠進(jìn)一步提升換流閥晶閘管的運(yùn)行穩(wěn)定性，進(jìn)而保證高壓直流輸電工程的運(yùn)行安全性，為現(xiàn)代直流輸電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定保障基礎(chǔ)。

二、換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)組成

換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)主要是內(nèi)外兩部分結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成的：內(nèi)冷系統(tǒng)主要就是以冷卻介質(zhì)作為運(yùn)轉(zhuǎn)核心，以介質(zhì)流動(dòng)的來換流閥晶閘管運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱功率，其主要形式是以通過其系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)冷卻介質(zhì)的過濾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)換流閥晶閘管運(yùn)行，以保證換流閥晶閘管運(yùn)行的穩(wěn)定性。外冷系統(tǒng)則是換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的決定因素，主要有風(fēng)冷、水冷等形式，現(xiàn)階段高壓直流輸電工程換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)外冷系統(tǒng)多以水冷作業(yè)方式為主，其功能作用屬性以對內(nèi)冷系統(tǒng)冷卻介質(zhì)降溫處理為核心，以全面提升內(nèi)冷系統(tǒng)冷卻介質(zhì)的降溫速率。外冷水系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包含了排水泵、化學(xué)藥劑容器、噴淋泵、平衡池、過濾裝置以及風(fēng)扇結(jié)構(gòu)等[2]。

三、換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵部件運(yùn)行穩(wěn)定性的影響因素及設(shè)計(jì)研究

換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行過程中，影響其系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件就是其三通閥結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系到了蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)管路中冷卻介質(zhì)的正常流通，更是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管路開閉功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，是保證系統(tǒng)冷卻水進(jìn)出、冷卻介質(zhì)流量及流速科學(xué)性的保障結(jié)構(gòu)，一旦三通閥的運(yùn)行可靠性和作業(yè)精準(zhǔn)性出現(xiàn)問題，就會(huì)直接造成換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的冷卻性能下降，給高壓直流輸電工程的穩(wěn)定性造成不利影響。換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)三通閥的常見問題主要包含了三通閥結(jié)構(gòu)問題、運(yùn)轉(zhuǎn)卡死問題、閥門滲漏問題以及運(yùn)行不穩(wěn)定等，在我國高壓直流輸電工程換流閥故障問題統(tǒng)計(jì)中顯示，因?yàn)槿ㄩy結(jié)構(gòu)內(nèi)外滲漏問題導(dǎo)致的換流閥運(yùn)行故障問題占總故障問題比例的31.3%，因此對換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)三通閥部件的設(shè)計(jì)研究與改進(jìn)，能夠降低高壓輸電工程中換流閥故障幾率的30%以上，這對于我國高壓輸電工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要意義[3]。

針對于換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)三通閥故障問題給高壓直流輸電工程造成的不利影響，某高壓直流輸電工程企業(yè)針對這一現(xiàn)實(shí)問題，準(zhǔn)備對換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的三通閥進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以全面提升換流閥晶閘管運(yùn)行的穩(wěn)定性，為高壓直流輸電工程的開展提供安全保障。該高壓直流輸電工程企業(yè)針對三通閥改進(jìn)設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)情況，將TRIZ作為對換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)三通閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)的主要方式。TRIZ是一種發(fā)明問題的解決理論，其在換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)三通閥設(shè)計(jì)研究中進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，能夠通過其理論中的因果分析法、技術(shù)矛盾研究法，對三通閥常見的問題進(jìn)行原因及技術(shù)雙方面的研究，進(jìn)而為換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)三通閥這一關(guān)鍵部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)指導(dǎo)與支持。

三通閥在換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中本身是系統(tǒng)組件的連接結(jié)構(gòu)，更是保證系統(tǒng)管線中冷卻介質(zhì)流通的關(guān)鍵所在，對其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，主要就是全面提升三通閥的使用靈活，保證其內(nèi)冷系統(tǒng)冷卻介質(zhì)或外冷循環(huán)用水不會(huì)產(chǎn)生滲漏的情況，并保證且管路開閉控制的穩(wěn)定性。通過TRIZ理論的因果分析理論，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致?lián)Q流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)三通閥滲漏的主要原因就是其閥芯的密封情況，閥芯的密封面積較小、密封圈在冷卻介質(zhì)流動(dòng)壓力的影響下出現(xiàn)變形、三通閥使用的精準(zhǔn)性與匹配性不足、密封壓力較低以及系統(tǒng)運(yùn)行中的震動(dòng)問題都會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)滲漏的情況。針對這一原因，設(shè)計(jì)人員提出了以下幾種換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。

首先，通過鋸齒形的三通閥內(nèi)部閥芯結(jié)構(gòu)，使閥芯與閥體能夠在壓力狀態(tài)下出現(xiàn)塑性變形，進(jìn)而增加閥芯的貼合緊密性和閥芯接觸面積。通過鋸齒形內(nèi)部閥芯的設(shè)計(jì)使用，不僅全面提升了三通閥的密封性，降低了三通閥的滲漏幾率，更有助于三通閥安裝，以旋進(jìn)裝配的方式，全面降低了換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)三通閥的安裝難度。

其次，在三通閥內(nèi)部增設(shè)柔性墊圈。三通閥滲漏情況出現(xiàn)是與其系統(tǒng)密封性緊密相關(guān)的，因此在三通閥的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，就需要對其閥體與管路連接位置的密封性進(jìn)行加強(qiáng)。針對于此，設(shè)計(jì)人員提出了增加柔性墊圈的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，通過柔性墊圈在三通閥與管路連接位置的使用，就能夠全面提升三通閥的密封效果，進(jìn)而降低三通閥滲漏的概率。但這種改進(jìn)設(shè)計(jì)方式會(huì)增加換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的組件結(jié)構(gòu)，使其安裝難度以及系統(tǒng)本身的復(fù)雜性有所提升。

最后，創(chuàng)新三通閥閥芯材料。在三通閥密封性和可靠性的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員結(jié)合換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)本身的物理特性，針對其氣壓和水壓提出了閥芯材料創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)改進(jìn)方案就是指通過三通閥密封圈材料性質(zhì)的創(chuàng)新改變，保證新密封圈材料具有遇水膨脹的物理或化學(xué)特性，不僅能夠降低其安裝難度，在實(shí)際使用中，三通閥密封圈也能夠在換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中水流的影響下而膨脹，全面提升其密封性能，達(dá)到提升換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)三通閥可靠性的提升。

結(jié)束語

經(jīng)過該直流輸電工程企業(yè)的研究，選擇了第一種換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)三通閥這一關(guān)鍵部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)研究方案，通過旋進(jìn)式的裝配方法，加上曲面創(chuàng)新原理，對于換流閥蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性提升有著重要意義，保證了換流閥晶閘管安全穩(wěn)定運(yùn)行，對于企業(yè)直流輸電工程的發(fā)展與進(jìn)步有著重要的推動(dòng)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅永金，楊壘，馬根坡，等.復(fù)合式換流閥冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].自動(dòng)化儀表，2018（7）：11-15.

[2]盧志敏，文玉良，劉重強(qiáng)，等.高壓直流輸電換流閥冷卻系統(tǒng)仿真試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電工技術(shù)，2018，000（014）：24-27.

[3]焦秀英，王晨星，劉學(xué)忠，等.高壓換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)散熱器雜散電流腐蝕的試驗(yàn)研究[J].高壓電器，2018，054（008）：65-71+80.

（作者單位：河南晶銳冷卻技術(shù)股份有限公司）