關(guān)于特（超）高壓直流換流站閥冷卻系統(tǒng)冷卻方式的對比研究

黃殿龍，陳倩，潘明昊，陸為雨，楊震

（1.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司昆明局；2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司,云南 昆明 650214）

晶閘管換流閥是換流站的核心設(shè)備之一，系統(tǒng)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，因此，可通過采用合適的冷卻方式提供晶閘管正常的工作環(huán)境，也提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。換流閥冷卻系統(tǒng)主要由兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)組成，即閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)和外冷卻系統(tǒng)。外冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)是非封閉的循環(huán)系統(tǒng)，其散熱方式是把換流閥里冷卻水中的熱量通過外部的換熱設(shè)備散到設(shè)備外。根據(jù)介質(zhì)的不同，外冷系統(tǒng)的方式主要有水冷方式、空氣冷卻方式以及空氣冷卻串聯(lián)輔助水冷卻的方式。本文分別對水冷卻方式、空氣冷卻方式以及空氣冷卻串聯(lián)輔助水冷卻方式進(jìn)行了介紹，并在換熱效率、復(fù)雜環(huán)境下的可靠性、初期投資以及維護(hù)與檢修等方面進(jìn)行了分析與比較。

1 閥冷卻系統(tǒng)冷卻方式

（1）水冷卻方式。水冷方式主要通過冷卻塔進(jìn)行散熱，冷卻塔是全封閉進(jìn)行蒸發(fā)處理。其外冷需要的設(shè)備有：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。工作原理是，冷卻水將換流閥晶閘管元件上產(chǎn)生的熱量帶走，通過水泵循環(huán)壓入冷卻塔中，冷卻塔中有處理散熱的換熱盤，冷卻水經(jīng)過換熱盤時(shí)，冷卻塔頂?shù)膰娏茴^會(huì)把水噴淋水換熱盤上，冷卻水的熱量將噴淋水轉(zhuǎn)化為水蒸氣進(jìn)行散熱，冷卻水得到冷卻，同時(shí)冷卻塔的抽風(fēng)機(jī)將水蒸氣排到大氣中。冷卻水冷卻后，繼續(xù)循環(huán)進(jìn)入換流閥中，繼續(xù)進(jìn)行熱交換冷卻換流閥。

（2）空氣冷卻方式。換流閥外冷卻設(shè)備所用的空氣冷卻器為翅片管換熱器，也稱作空氣冷卻換熱器，簡稱空冷器。空氣冷卻器的原理是，冷卻水將換流閥元件中產(chǎn)生的熱量帶走，通過水泵進(jìn)入空氣外冷設(shè)備中，空氣外冷設(shè)備是通過高頻的鼓風(fēng)達(dá)到空氣流動(dòng)從而散熱，散熱處為一個(gè)帶鋁翅片的散熱管，高功率的風(fēng)機(jī)將室外的冷空氣驅(qū)進(jìn)設(shè)備內(nèi)，與散熱管熱表面交換熱量進(jìn)行冷卻，經(jīng)過散熱管后，冷卻水得到冷卻。循環(huán)送進(jìn)換流閥中繼續(xù)進(jìn)行冷卻工作。

（3）空氣冷卻串聯(lián)輔助水冷卻方式?？諝饫鋮s器無法將被冷卻介質(zhì)的溫度降至環(huán)境溫度以下，空氣冷卻器多應(yīng)用在寒冷、溫度偏低的地區(qū)；而閉式冷卻塔的散熱主要靠水分蒸發(fā)散熱，其耗水量較大，對水源依賴性很大，所以，閉式冷卻塔多應(yīng)用在水分充足的地區(qū)。當(dāng)空氣冷卻方式不能滿足冷卻需求時(shí)，需要在常規(guī)的系統(tǒng)外添加一套備用冷卻系統(tǒng)。在散熱需求不高時(shí)，只有常規(guī)的散熱設(shè)備運(yùn)行，在系統(tǒng)高效運(yùn)行或者外部環(huán)境溫度較高時(shí)，備用冷卻系統(tǒng)自動(dòng)投入運(yùn)行，緩解散熱需求。這種冷卻方式在一定程度上可以解決單一散熱設(shè)備存在的問題，相應(yīng)地，其建造成本也會(huì)大幅增加。

2 各冷卻方式對比

本文分別從換熱效率、設(shè)備占地面積、水源要求、水電能耗、工業(yè)水池、凈水及廢水排放、設(shè)備噪聲、初期投資成本、多復(fù)雜環(huán)境條件下的可靠性，以及維護(hù)及檢修幾個(gè)方面對各冷卻方式進(jìn)行比較與分析。

（1）換熱效率。水的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣，常溫情況時(shí)，水的比熱為4180kJ/m3·K，而空氣為1.2kJ/m3。水導(dǎo)熱系數(shù)同比是空氣的20多倍。這樣的導(dǎo)熱性會(huì)使二者的換熱性有著巨大的差別。根據(jù)牛頓冷卻公式可以算出二者的換熱系數(shù)，計(jì)算式如下：

式中，h為換熱系數(shù)，單位為W/m2·K；tw為壁面溫度，單位為℃；tf為流體，單位為℃。

由公式可知，水的熱系數(shù)為104W/m2·K，空氣為水的1/100。水冷系統(tǒng)的冷卻效率會(huì)遠(yuǎn)大于空冷。

（2）設(shè)備占地面積。一般地，采用水冷卻方式時(shí) ，水冷面積包括冷卻塔和噴淋水池，需要60～80m2的工作面積。而空氣冷卻面積需要300～350m2。因此，空氣冷卻方式的占地面積遠(yuǎn)比水冷卻方式大。在高海拔環(huán)境下，兩者的換熱效率均有所下降。

（3）水源要求。水冷卻方式中，源水經(jīng)過軟化、反滲透等處理成為合格的外冷水后，加入冷卻塔內(nèi)對內(nèi)冷水進(jìn)行冷卻。但是，當(dāng)源水的水質(zhì)較差、較渾濁時(shí)，外冷水中鈣、鎂等離子含量將會(huì)超標(biāo)，長期使用會(huì)降低對內(nèi)冷水的冷卻效果。對于空氣冷卻方式來說，由于其冷卻效果主要來自風(fēng)機(jī)，由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)室外大氣沖刷換熱管束外表面進(jìn)行散熱，因此，不需要水源水質(zhì)的要求。

（4）水電能耗?？諝饫鋮s方式高峰時(shí)耗電300kW（不含室內(nèi)設(shè)備），無須水源，也無排污，空氣冷卻方式高峰時(shí)耗電300kW（不含室內(nèi)設(shè)備），無須水源、也無排污。水冷卻方式時(shí)，在高峰段，不包括室內(nèi)設(shè)備用電耗電為45kW，同時(shí)耗水量為15m3/h，350t/d。因此，水冷卻方式耗水量大，耗電量??；空氣冷卻方式無耗水，但耗電量大。

（5）工業(yè)水池。在水冷卻的過程中，噴淋出的水會(huì)有不被蒸發(fā)的，可以收集起來進(jìn)行循環(huán)利用。因此，可設(shè)置工業(yè)水池收集。為了使噴淋水系統(tǒng)在故障或者檢修時(shí)能維持工作，工業(yè)水池的容積設(shè)為300m3。而對于空氣冷卻方式來說，由于沒有外界水的交換損耗，因此，并無此項(xiàng)需求。

（6）凈水及廢水排放?？諝饫鋮s方式系統(tǒng)僅由變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)和換熱盤管組成，排水量極少。而對水冷卻方式而言，噴淋是冷卻的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，需要保持效率，對水質(zhì)質(zhì)量有要求，會(huì)排放一部分含有化學(xué)藥劑的水，這些水難以再利用，且不能隨意排，只能排至下水道。

（7）設(shè)備噪聲。水冷卻方式利用水與空氣接觸蒸發(fā)吸熱，冷卻裝置數(shù)量少，運(yùn)行時(shí)噪聲較低；而空氣冷卻方式系統(tǒng)由變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)和換熱盤管組成，冷卻風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)多，運(yùn)行時(shí)噪聲大。

（8）初期投資成本。不考慮土建、水源以及供水設(shè)施投資其他因素，但從設(shè)備投資考慮，水冷卻設(shè)備主要有冷卻塔、加藥裝置、噴淋設(shè)施，空冷卻方式主要為空冷器。以現(xiàn)有的某換流站為例，空氣冷卻器約需要1200萬元，水冷卻設(shè)備約需要800萬元，空氣冷卻方式是水冷卻方式投資的1.5倍。

（9）多復(fù)雜環(huán)境條件下的可靠性。在嚴(yán)寒條件下，水冷卻方案會(huì)受到限制，寒冷的天氣會(huì)使水冷過程中的蒸汽在室外冷卻凝結(jié)成冰，覆蓋在設(shè)備附近，對系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。而在高溫環(huán)境時(shí)，只依靠空氣冷卻會(huì)出現(xiàn)散熱效果不佳的現(xiàn)象，同時(shí)，嚴(yán)寒條件也會(huì)使空冷器結(jié)冰，影響換流閥正常工作。

空冷和水冷結(jié)合的混合冷卻可以兼顧多變的環(huán)境。在這種冷卻方案中，在效率要求不高的情況下，采用空冷方式，在散熱要求達(dá)到閾值時(shí)，使用水冷冷卻塔輔助散熱，從而達(dá)到保證冷卻效果。因此，空氣冷卻方式比水冷卻方式的可靠性更高，更適于復(fù)雜多變的環(huán)境。

（10）維護(hù)及檢修?？諝饫鋮s系統(tǒng)的日常維護(hù)和檢修并不復(fù)雜，平常只需對風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)即可，而水冷卻系統(tǒng)的維護(hù)則需要定期添藥劑，為換熱盤的表面進(jìn)行除垢等，復(fù)雜度上升。

3 結(jié)語

通過對閥冷卻系統(tǒng)各冷卻方式進(jìn)行比較分析，可以得出：

從散熱性能來看，水冷卻方式具有較高的換熱效率，占地面積、耗電量以及噪聲均較小，適合水源充足，對系統(tǒng)散熱要求較高的應(yīng)用場合。

從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面分析，空氣冷卻的方式不需要用水，不用化學(xué)藥劑，更加環(huán)保，設(shè)備構(gòu)造簡單，運(yùn)行方便。

空氣冷卻串聯(lián)輔助水冷卻方式結(jié)合兩種冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)雜環(huán)境條件或單一設(shè)備無法滿足冷卻要求的場合，投資成本相對高于空氣冷卻方式。