海上換流站外冷卻水工裝的研發(fā)應(yīng)用

姚琪 杜波

摘 要：在社會(huì)科技發(fā)展的今天，能源資源形勢(shì)逐漸嚴(yán)峻的情況下，各國(guó)均將眼光投向了風(fēng)力資源巨大的海域，我國(guó)更加努力發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電。海上換流站是世界上最先進(jìn)的海上風(fēng)電站，各項(xiàng)設(shè)計(jì)及研發(fā)都是世界上最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。海上換流站用于海上風(fēng)電柔性直流輸電工程，是海上風(fēng)電項(xiàng)目的重要組成部分，負(fù)責(zé)匯聚附近風(fēng)電場(chǎng)的電能，并將其轉(zhuǎn)換為直流電，減少能源輸送損耗，輸送至陸上電網(wǎng)。由于目前國(guó)家大力扶持，很多企業(yè)都加大研發(fā)投入，想辦法加快建造周期。其中，外冷卻水工裝能有效完成換流站系統(tǒng)的岸上調(diào)試工作，能夠讓海上換流站項(xiàng)目邊生產(chǎn)邊調(diào)試，有效縮短海上換流站建造周期，因此得到廣泛需求。

關(guān)鍵詞：海上換流站;直流輸電;外冷卻水工裝;建造周期

引言

海上換流站是世界上最先進(jìn)的海上風(fēng)電站，各項(xiàng)設(shè)計(jì)及研發(fā)都是世界上最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。為了加快研發(fā)和滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，其各個(gè)環(huán)節(jié)都在創(chuàng)新研發(fā)，工藝提升和工藝改進(jìn)，以縮短其制造周期。外冷水系統(tǒng)作為換流站的核心系統(tǒng)，是換流站調(diào)試和運(yùn)行的基本保障。換流站在岸上建造調(diào)試必須依靠該系統(tǒng)，而其原水泵設(shè)置在導(dǎo)管架上，岸上無(wú)法滿(mǎn)足其取水條件，大部分海上換流站產(chǎn)品待發(fā)運(yùn)至海上安裝后再進(jìn)行調(diào)試，因而導(dǎo)致整體建造周期長(zhǎng)、成本高。為了能夠有效解決該問(wèn)題，因此研發(fā)并應(yīng)用外冷水工裝。

1 外冷水工裝整體設(shè)計(jì)布局

換流站的外冷卻水工裝整體設(shè)計(jì)（圖一），整體思路是利用大功率潛水泵和臨時(shí)管路，將長(zhǎng)江水引入碼頭施工的換流站外冷水系統(tǒng)，替代產(chǎn)品本身的外冷水系統(tǒng)功能，從而服務(wù)于需要調(diào)試的設(shè)備。

首先，準(zhǔn)備2臺(tái)潛水泵（一用一備），根據(jù)潛水泵外形尺寸，制作其存放箱，將潛水泵安裝在存放箱內(nèi)。用鋼絲繩將存放箱放入水中適合的深度，將鋼絲繩系固在碼頭纜樁或加固的工裝上，并將潛水泵取水軟管和電源線(xiàn)引出至碼頭系固，這樣就完成了潛水泵的安裝。

其次，在碼頭布置潛水泵軟啟動(dòng)箱，將潛水泵電源線(xiàn)接入。根據(jù)換流站與碼頭的距離，布置兩路適當(dāng)長(zhǎng)度的金屬軟管或硬管，一路與潛水泵和換流站引出的軟管連接，使?jié)撍门c換流站外冷水進(jìn)口貫通，注意潛水泵出口設(shè)置兩只閘閥，以控制流量以及兩臺(tái)泵的切換;另一路與外冷水回水口貫通，引入長(zhǎng)江內(nèi)，形成整個(gè)循環(huán)回路。

外冷水工裝系統(tǒng)的連接布局（圖二），根據(jù)換流站冷卻系統(tǒng)圖中，從圖中的位置將管子斷開(kāi)，連接到工裝水系統(tǒng)上，保證系統(tǒng)循環(huán)。從最后的換流站冷卻水排水位置接入工裝排水軟管連接到排水口。通過(guò)照片（圖三）我們可以了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的連接位置和布局位置，僅供參考。

2 工裝泵的選材

潛水泵是取水工裝系統(tǒng)核心組成，合適的潛水泵選型，才能滿(mǎn)足該系統(tǒng)的調(diào)試需要。潛水泵的流量和揚(yáng)程是決定是否滿(mǎn)足使用的主要兩個(gè)重要參數(shù)。我們以三峽如東海上柔直換流站為例。

首先該換流站設(shè)計(jì)外冷水系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)（表一），四臺(tái)泵總運(yùn)行時(shí)海水循環(huán)額定流量是1900450m3/h，因調(diào)試時(shí)可單設(shè)備獨(dú)立操作，因此一臺(tái)泵運(yùn)行即可，所以可以確定潛水泵流量需達(dá)到450m3/h以上，才可以滿(mǎn)足該系統(tǒng)調(diào)試。

潛水泵揚(yáng)程的選型更加重要，因?yàn)閾Q流站建造用的胎架及換流站上部模塊本身高度較高，如揚(yáng)程不夠，直接影響使用效果。泵的揚(yáng)程計(jì)，即

H=（p2-p1）/ρg+（c2^2-c1^2）/2g+z2-z1

式中 H——揚(yáng)程，m;

p1，p2——泵進(jìn)出口處液體的壓力，Pa;

c1，c2——流體在泵進(jìn)出口處的流速，m/s;

z1，z2——進(jìn)出口高度，m;

ρ——液體密度，kg/m3;

g——重力加速度，m/s2。

通過(guò)實(shí)地測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)可以算出需要揚(yáng)程40m，因此我們選材下圖結(jié)構(gòu)的潛水泵（圖四），型號(hào)為AT450QHB500-50/2。

潛水泵主要參數(shù)：

（1）流量：500m3/h.

（2）揚(yáng)程：50m。

（3）電源：480V 60Hz

（4）轉(zhuǎn)速：1750r/min

換流站外冷水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求流量為450m3/h，揚(yáng)程30m，所以通過(guò)以上參數(shù)，可以明確選用的工裝泵各參數(shù)可以滿(mǎn)足外冷卻水系統(tǒng)調(diào)試要求。我們采用兩臺(tái)，一用一備，以交替使用，以免長(zhǎng)時(shí)間單臺(tái)使用造成故障，同時(shí)延長(zhǎng)潛水泵使用壽命。

由于江水中泥沙等浮游垃圾較多，為了防止?jié)撍帽萌肟谝约肮苈废到y(tǒng)堵塞，需在潛水泵的取水口增加濾網(wǎng)，將大部分大顆粒雜質(zhì)進(jìn)行初步過(guò)濾，同時(shí)，在潛水泵的出口管路上設(shè)置濾器，達(dá)到二次過(guò)濾的作用。如果海上換流站的建造場(chǎng)所靠近海洋，為了防止海水微生物滋生，還需在存放箱上安裝防海洋生物裝置。

3 外冷水工裝的實(shí)際運(yùn)用

海上換流站的外冷卻系統(tǒng)主要用于對(duì)換流閥、主變壓器、空調(diào)這三大設(shè)備的內(nèi)冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。該產(chǎn)品配置的海水泵安裝在導(dǎo)管架上，取水口設(shè)置于海水面以下，頂部固定在泵房安裝底座上。海水泵提升海水與淡水循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)水在換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，降低進(jìn)閥水溫。海水泵的設(shè)計(jì)流量兼顧換流閥、換流變及空調(diào)系統(tǒng)的需求。

換流閥內(nèi)冷卻水系統(tǒng)吸收換流閥的熱量后溫度上升，升溫后的熱水由循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)入換熱器 ，在換熱器內(nèi)與中間淡水循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻水通過(guò)非接觸的方式進(jìn)行熱量交換，降溫后的內(nèi)冷卻水回至換流閥，升溫后的冷卻水再通過(guò)非接觸的方式與海水進(jìn)行熱量交換，升溫的海水排入大海，如此周而復(fù)始地循環(huán)。

主變壓器的絕緣冷卻油吸收換流變的熱量后溫度上升，升溫后的絕緣油由驅(qū)動(dòng)裝置加壓進(jìn)入換熱器，在換熱器內(nèi)與中間淡水循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻水通過(guò)非接觸的方式進(jìn)行熱量交換，降溫后的絕緣油回至換流變，升溫后的冷卻水再通過(guò)非接觸的方式與海水進(jìn)行熱量交換，升溫的海水排入大海， 如此周雨復(fù)始地循環(huán)。絕緣油的溫度上限值應(yīng)由換流變廠(chǎng)提供。

空調(diào)系統(tǒng)冷卻水吸收空調(diào)嶺媒的熱量后溫度上升，升溫后的冷卻水由驅(qū)動(dòng)裝置加壓進(jìn)入換熱器，在換熱器內(nèi) 與外冷卻水進(jìn)行熱量交換，如此周面復(fù)始地循環(huán)。

綜上系統(tǒng)原理，我們可以知道設(shè)備調(diào)試前，需要將冷卻水送到后，才可以開(kāi)啟設(shè)備調(diào)試，不然會(huì)因熱量導(dǎo)致?lián)p壞設(shè)備。因此系統(tǒng)調(diào)試前，整套外冷水工裝的安裝是否可靠尤為重要，必須將管路法蘭、設(shè)備等連接件螺栓擰到規(guī)范要求的扭力，管路密性試驗(yàn)合格?？仉娤湟约半娫淳€(xiàn)絕緣正常，線(xiàn)路施工連接正確等。整套工裝正式運(yùn)行前，必須形成檢查清單，待逐一檢查簽字后，啟動(dòng)工裝潛水泵。過(guò)程中觀察系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)是否正常，并且保持專(zhuān)人全程監(jiān)護(hù)。

外冷水工裝運(yùn)行過(guò)程中注意事項(xiàng)：

（1）潛水泵必須時(shí)刻潛入水中，不能因潮水的退去露出水面，以免潛水泵發(fā)熱損壞潛水泵，或者抽不到水，導(dǎo)致?lián)Q流站系統(tǒng)設(shè)備損壞。

（2）當(dāng)壓力過(guò)大或者過(guò)低時(shí)，開(kāi)啟系統(tǒng)旁通閥，調(diào)節(jié)好系統(tǒng)壓力。

（3）系統(tǒng)使用時(shí)要記錄各個(gè)時(shí)候的數(shù)據(jù)，提供后續(xù)提供使用。

（4）工裝系統(tǒng)運(yùn)作周?chē)荒苡惺┕ぷ鳂I(yè)，避免水壓泄露傷人，做好監(jiān)護(hù)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

大力發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是國(guó)家實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措，在加速我國(guó)經(jīng)濟(jì)和能源轉(zhuǎn)型方面有著舉足輕重的重要意義，而海上換流站是世界上目前最先進(jìn)的海上風(fēng)電站，因此其建造在技術(shù)創(chuàng)新和工藝改進(jìn)上，要求更高、意義更大。海上換流站外冷水工裝的應(yīng)用，直接將海上調(diào)試工作周期前移至岸上完成，大大縮短了整體建造周期。同時(shí)，該套工裝的成功應(yīng)用也為船舶、海工等行業(yè)的產(chǎn)品制造提供了借鑒依據(jù)，提升了企業(yè)在該領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

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作者簡(jiǎn)介：

姚琪（1981-），男，江蘇南通人，工程師，上海振華重工集團(tuán)股份有限公司，船舶機(jī)械制造裝置，主要從事海工及船舶施工及技術(shù)管理。