羅永金 ，楊 壘 ，馬根坡 ，劉俊杰 ，張琳琳，陳本乾

(1.許昌許繼晶銳科技有限公司，河南 許昌 461000；2.國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司哈密管理處，新疆 哈密 839000)

0 引言

目前，高壓直流(high-voltage direct current，HVDC)[1-3]輸電技術(shù)在我國(guó)得到了飛速發(fā)展，尤其是特高壓直流輸電工程的不斷推廣，使其成為我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的首選[4]。在特高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流閥冷卻系統(tǒng)是保證其核心設(shè)備換流閥安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要輔助設(shè)備。因此，如何滿足特高壓直流輸電工程的發(fā)展對(duì)冷卻系統(tǒng)的苛刻要求[5]，以及提高冷卻系統(tǒng)的可靠性是目前研究的熱點(diǎn)之一。

當(dāng)前的換流閥冷卻系統(tǒng)中，水-水冷卻方式存在使用范圍受地域限制，以及排污水污染等問(wèn)題，不能滿足國(guó)家相關(guān)環(huán)境保護(hù)的法律與政策要求。而水-風(fēng)冷卻方式存在換熱效率低、耗能大、設(shè)備維護(hù)成本高等問(wèn)題。上述缺陷直接制約著我國(guó)直流輸電技術(shù)的發(fā)展。因此，亟需開發(fā)設(shè)計(jì)一種具有潔凈環(huán)保、超低水耗和能耗不受使用地區(qū)限制等特點(diǎn)的換流閥冷卻系統(tǒng)。

1 常規(guī)換流閥冷卻系統(tǒng)

一般而言，換流閥冷卻系統(tǒng)根據(jù)冷卻水循環(huán)回路的不同，分為內(nèi)冷和外冷系統(tǒng)[1]。其中，內(nèi)冷系統(tǒng)是一個(gè)密閉的循環(huán)系統(tǒng)。其主要是在主泵的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)內(nèi)冷水的循環(huán)流動(dòng)帶走換流閥產(chǎn)生的熱量。內(nèi)冷系統(tǒng)主要由主泵、三通回路(極端環(huán)境低于-5 ℃的地區(qū)采用)、電加熱器、穩(wěn)壓裝置、補(bǔ)水裝置及去離子裝置等部分組成[1]。它們通過(guò)與外冷系統(tǒng)的共同作用，保證內(nèi)冷水進(jìn)閥溫度、壓力、流量及電導(dǎo)率等參數(shù)值均穩(wěn)定在給定的范圍內(nèi)，以滿足換流閥穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

根據(jù)換流站所處地域、環(huán)境及水源條件的不同，外冷系統(tǒng)主要有以下兩種技術(shù)方案。①換流站位于水源充足、溫度較高地區(qū)時(shí)(如我國(guó)中南部及東部沿海地區(qū))，閥冷卻系統(tǒng)采用以閉式冷卻塔為換熱設(shè)備的水-水冷卻技術(shù)方案。②換流站位于干旱缺水、夏季炎熱地區(qū)時(shí)(如我國(guó)西北、華北、東北地區(qū))，閥冷卻系統(tǒng)通常采用以空氣器為換熱設(shè)備的水-風(fēng)冷卻技術(shù)方案。目前，在所有已投運(yùn)或在建的換流站中，采用水-水冷卻的閥冷卻系統(tǒng)約占65%～70%。水-水冷卻是較為有效、可靠的冷卻方式[6]。

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，以及國(guó)家相關(guān)環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)的推行，閉式冷卻塔的噴淋排水污染問(wèn)題受到業(yè)界更多的關(guān)注。如果對(duì)其處理不當(dāng)，可能導(dǎo)致?lián)Q流站周邊水源污染。在我國(guó)西北等地區(qū)，受水源條件限制，通常采用空氣器作為換熱設(shè)備，其適用范圍嚴(yán)重受限于環(huán)境條件。其一，在該地區(qū)極端高溫的夏季，周圍環(huán)境溫度較高時(shí)，單純采用空冷器無(wú)法將內(nèi)冷水冷卻至環(huán)境溫度以下，且能耗極大，給換流閥的正常運(yùn)行帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)。相反地，酷寒的冬季可能導(dǎo)致?lián)Q熱面積較大的空冷器結(jié)凍，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致外冷系統(tǒng)部分設(shè)備損壞，同樣會(huì)給換流閥的正常運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。其二，隨著換流閥輸送功率的不斷增大，換流閥要求的進(jìn)閥溫度越來(lái)越低，需要采用配置大量空冷器的方式滿足換流閥的換熱要求。但這將導(dǎo)致能耗過(guò)高和設(shè)備維護(hù)成本上升問(wèn)題。因此，上述換流閥冷卻系統(tǒng)中存在的缺陷，已成為直接制約我國(guó)(特)高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展的因素之一。

目前，已有的研究成果大多集中在換流閥冷卻系統(tǒng)故障分析或改造等方面，針對(duì)適用于特殊環(huán)境下的換流閥冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及提高換流閥冷卻系統(tǒng)的適用性等方面的研究相對(duì)較少[6]。阮衛(wèi)華等根據(jù)西北地區(qū)氣候環(huán)境特點(diǎn)，簡(jiǎn)單地給出三種閥外冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案[7]，但并未對(duì)給出方案的可行性及有效性等方面進(jìn)行驗(yàn)證。羅永金等根據(jù)該地區(qū)“晝夜溫差大”等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種循環(huán)蓄冷式換流閥冷卻系統(tǒng)[6]。雖然其能夠降低換流閥冷卻系統(tǒng)的能耗和水耗，但是適用范圍依然受到地區(qū)限制，同樣無(wú)法滿足將內(nèi)冷水冷卻至環(huán)境溫度以下的要求。隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)新標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，閥冷卻系統(tǒng)排污水污染已成為在建或改造換流站亟需解決的問(wèn)題之一。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種以制冷機(jī)組為主體的復(fù)合式換流閥冷卻系統(tǒng)。其具有潔凈環(huán)保、超低水耗和能耗、不受使用地區(qū)限制等特點(diǎn)，尤其適用于我國(guó)西北等地區(qū)。

2 復(fù)合式換流閥冷卻系統(tǒng)原理

本文綜合考慮換流閥冷卻系統(tǒng)的使用環(huán)境條件，以及對(duì)冷卻容量、介質(zhì)流量、進(jìn)出閥溫度等參數(shù)需求，設(shè)計(jì)了一套適用于大部分地區(qū)的潔凈環(huán)保、零水耗、以制冷機(jī)組為主體的換流閥復(fù)合式冷卻系統(tǒng)。其在常規(guī)換流閥冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將外冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)密閉式的循環(huán)系統(tǒng)，并通過(guò)外冷主泵驅(qū)動(dòng)冷凍水與內(nèi)冷水在板式換熱器中進(jìn)行熱交換。

上述操作不僅可以解決排污水污染問(wèn)題，而且可以解決極端高溫環(huán)境下的換熱問(wèn)題。

系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

由圖1可知，本文給出的復(fù)合式換流閥冷卻系統(tǒng)，在內(nèi)冷部分基本沿用了成熟、可靠的常規(guī)閥內(nèi)冷系統(tǒng)。其工作原理及其控制設(shè)備基本保持一致。在外冷部分，進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。下面重點(diǎn)闡述外冷系統(tǒng)的工作原理及其控制邏輯。

外冷系統(tǒng)主要由空冷器、外冷主泵、板式換熱器、制冷機(jī)組、高位水箱以及補(bǔ)水裝置等部分組成。其工作原理是：首先，當(dāng)內(nèi)冷水進(jìn)閥溫度較高且空冷器冷卻風(fēng)機(jī)已啟動(dòng)(即空冷器已無(wú)法滿足換熱要求時(shí))時(shí)，外冷主泵啟動(dòng)，且制冷機(jī)組延時(shí)投入；然后，外冷主泵將驅(qū)動(dòng)冷凍水進(jìn)入板式換熱器，與內(nèi)冷水進(jìn)行換熱；接著，換熱升溫后的冷凍水進(jìn)入制冷機(jī)組進(jìn)行冷卻，以達(dá)到降低進(jìn)閥溫度的目的。由于制冷機(jī)組能夠?qū)⒗鋬鏊鋮s至較低溫度，如此往復(fù)循環(huán)操作，最終能夠?qū)?nèi)冷水冷卻至環(huán)境溫度以下。

上述外冷系統(tǒng)設(shè)備的具體配置可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行確定。

3 復(fù)合式換流閥冷卻系統(tǒng)控制策略

根據(jù)換流閥投運(yùn)時(shí)對(duì)進(jìn)閥溫度的要求，本文以環(huán)境比較惡劣的西北地區(qū)為例，詳細(xì)闡述閥冷卻系統(tǒng)的控制策略，并將進(jìn)閥溫度分為低溫、中溫、高溫和極高溫四段進(jìn)行控制。本文所述的具體控制參數(shù)均可根據(jù)閥冷卻系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況，在控制系統(tǒng)的人機(jī)接口模塊中進(jìn)行設(shè)定或修改。

3.1 進(jìn)閥溫度處于低、中溫控制策略

在西北地區(qū)，春季與冬季時(shí)環(huán)境溫度較低。如哈密地區(qū)，極端最低氣溫為-32.0 ℃[7-8]。此時(shí)，若換流閥未投運(yùn)或閥冷卻系統(tǒng)停電檢修，容易導(dǎo)致進(jìn)閥溫度處于低溫或中溫階段。

當(dāng)閥冷卻系統(tǒng)處于低溫段時(shí)，為防止進(jìn)閥溫度過(guò)低或閥廳管道凝露等因素造成閥組件損壞，內(nèi)冷系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，配置一定數(shù)量的電加熱器。電加熱器將根據(jù)進(jìn)閥溫度值自動(dòng)控制啟停，同時(shí)電動(dòng)比例閥VB01應(yīng)處于最小開度狀態(tài)，以滿足換流閥對(duì)進(jìn)閥溫度的要求[1]。此時(shí)，進(jìn)板式換熱器的電動(dòng)開關(guān)閥VK01關(guān)閉，同時(shí)空冷器旁通電動(dòng)開關(guān)閥VK02打開，使得內(nèi)冷水直接回流至內(nèi)冷系統(tǒng)，即外冷循環(huán)系統(tǒng)處于停運(yùn)狀態(tài)。此外，還需要對(duì)制冷機(jī)組等室外設(shè)備進(jìn)行防凍處理，如在冷凍水中添加一定比例的防凍液，以防止其在環(huán)境溫度較低時(shí)結(jié)冰。

當(dāng)閥冷卻系統(tǒng)處于中溫段時(shí)，系統(tǒng)主要以自然風(fēng)冷的方式對(duì)內(nèi)冷水進(jìn)行冷卻，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)比例閥VB01至空冷器的開度，即可滿足換流閥對(duì)進(jìn)閥溫度的要求，無(wú)需啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)和外冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。

3.2 進(jìn)閥溫度處于高溫控制策略

當(dāng)換流閥投運(yùn)且環(huán)境溫度較低時(shí)，在主泵的驅(qū)動(dòng)下，內(nèi)冷水進(jìn)入換流閥進(jìn)行吸熱并升溫至高溫段。此時(shí)，內(nèi)冷系統(tǒng)的電動(dòng)比例閥VB01將隨著進(jìn)閥溫度上升自動(dòng)調(diào)節(jié)至全開狀態(tài)，外冷系統(tǒng)進(jìn)板式換熱器的電動(dòng)開關(guān)閥VK01打開，空冷器旁通電動(dòng)開關(guān)閥VK02關(guān)閉，使得內(nèi)冷水全部進(jìn)入空冷器和板式換熱器中進(jìn)行冷卻。冷卻風(fēng)機(jī)啟停控制策略如圖2所示。

圖2 冷卻風(fēng)機(jī)啟?？刂撇呗詧D

在該階段，閥冷卻系統(tǒng)將根據(jù)進(jìn)閥溫度大小，自動(dòng)控制空冷器冷卻風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)與停止。同時(shí)，為了防止進(jìn)閥溫度驟升驟降，本文將多個(gè)冷卻風(fēng)機(jī)按照一定的比例配置為變頻風(fēng)機(jī)與工頻風(fēng)機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行合理分組，以確?？绽淦鞯睦鋮s管束散熱均勻。變頻風(fēng)機(jī)采用PID控制原理進(jìn)行控制，其轉(zhuǎn)速可根據(jù)進(jìn)閥溫度目標(biāo)值與當(dāng)前進(jìn)閥溫度的偏差值進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[1]，并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)的投入組數(shù)和運(yùn)行頻率。當(dāng)變頻風(fēng)機(jī)全部啟動(dòng)且以最大頻率運(yùn)行時(shí)(即變頻風(fēng)機(jī)無(wú)法滿足當(dāng)前換熱要求)，工頻風(fēng)機(jī)將分組投入，以確保進(jìn)閥溫度穩(wěn)定在目標(biāo)值范圍內(nèi)。冷卻風(fēng)機(jī)按照先變頻后工頻的啟動(dòng)順序和先工頻后變頻的停止順序進(jìn)行控制，且在啟停過(guò)程中遵循輪循機(jī)制。如此操作，不僅能夠精確調(diào)節(jié)進(jìn)閥溫度，而且能夠達(dá)到降低能耗和冷卻風(fēng)機(jī)同周期磨損的目的。冷卻風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止溫度，以及進(jìn)閥溫度目標(biāo)值均可在人機(jī)接口模塊進(jìn)行設(shè)定與修改。

3.3 進(jìn)閥溫度處于極高溫控制策略

西北等地區(qū)夏季時(shí)酷熱高溫，極易發(fā)生極端高溫情況。以哈密地區(qū)為例，其極端最高氣溫達(dá)到43.9 ℃，且每年平均有45天氣溫超過(guò)35 ℃[7-10]。此時(shí),僅依賴空冷器無(wú)法將進(jìn)閥溫度冷卻至環(huán)境溫度以下，需要啟動(dòng)外冷主泵與制冷機(jī)組進(jìn)行輔助冷卻，以滿足換流閥穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

當(dāng)環(huán)境溫度大于啟動(dòng)外冷主泵的給定環(huán)境溫度值、實(shí)時(shí)進(jìn)閥溫度超過(guò)進(jìn)閥溫度目標(biāo)值2.0 ℃，或者環(huán)境溫度小于啟動(dòng)外冷主泵的給定環(huán)境溫度值、實(shí)時(shí)進(jìn)閥溫度超過(guò)進(jìn)閥溫度目標(biāo)值3.0 ℃時(shí)，外冷主泵啟動(dòng)運(yùn)行。待其建立穩(wěn)定的冷凍水流量及壓力后，制冷機(jī)組投入運(yùn)行并對(duì)換熱后的冷凍水進(jìn)行冷卻。制冷機(jī)組啟動(dòng)后，將按照人機(jī)接口給定的冷凍水出水溫度目標(biāo)值運(yùn)行，同時(shí)根據(jù)制冷機(jī)組冷凍水溫度與冷凍水出水目標(biāo)值的偏差值大小，以25%、50%、75%及100%的制冷量自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷功率。如此操作，外冷主泵將驅(qū)動(dòng)溫度較低的冷凍水與高溫較高的內(nèi)冷水，不斷地在板式換熱器中進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到將內(nèi)冷水進(jìn)閥溫度冷卻至環(huán)境溫度以下的目的。

當(dāng)內(nèi)冷水進(jìn)閥溫度小于進(jìn)閥溫度目標(biāo)值且制冷機(jī)組以低制冷功率運(yùn)行時(shí)，延時(shí)停止制冷機(jī)組，最后停止外冷主泵。同時(shí)，為提高外冷循環(huán)系統(tǒng)的可靠性，外冷主泵及制冷機(jī)組等均應(yīng)冗余配置，且應(yīng)具備相應(yīng)的故障切換、定時(shí)切換等功能。具體的外冷循環(huán)控制策略如圖3所示。

圖3 外冷循環(huán)控制策略圖

4 復(fù)合式換流閥冷卻系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的復(fù)合式換流閥冷卻系統(tǒng)的有效性及實(shí)用性，本文根據(jù)換流閥冷卻系統(tǒng)的實(shí)際冷卻容量需求，將冷卻系統(tǒng)同比例縮小后，搭建樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。采用大功率的電加熱器模擬換流閥發(fā)熱，試驗(yàn)過(guò)程具體如下。

試驗(yàn)在極高溫度段進(jìn)行，重點(diǎn)驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)是否滿足換流閥在極端高溫環(huán)境下的換熱要求。試驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度33.2 ℃、換流閥進(jìn)閥溫度目標(biāo)值32.0 ℃、制冷機(jī)組冷凍水出水目標(biāo)溫度10.0 ℃、制冷機(jī)組啟動(dòng)延時(shí)與升降功率間隔為2 min，啟動(dòng)外冷主泵進(jìn)閥溫度設(shè)定值為45.0 ℃。

在同等條件下，重復(fù)試驗(yàn)5次且在試驗(yàn)過(guò)程中詳細(xì)記錄每次試驗(yàn)的進(jìn)閥溫度、制冷機(jī)組進(jìn)水溫度與出水溫度、制冷功率及其功率變化時(shí)間等信息，并取5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可以看出，當(dāng)滿足啟動(dòng)外冷循環(huán)系統(tǒng)的條件時(shí)，外冷主泵及制冷機(jī)組延時(shí)啟動(dòng)，且制冷機(jī)組的進(jìn)水最高溫度可達(dá)45.8 ℃。這說(shuō)明制冷機(jī)組在進(jìn)水溫度較高的條件下仍然能夠正常啟動(dòng)，具有較高的可靠性，適用于換流閥冷卻系統(tǒng)。此外，外冷循環(huán)系統(tǒng)從啟動(dòng)到冷卻的設(shè)定響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)際使用中可根據(jù)具體情況調(diào)整其響應(yīng)時(shí)間。

當(dāng)外冷循環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)后，制冷機(jī)組的進(jìn)水溫度、出水溫度及換流閥進(jìn)閥溫度逐漸下降，尤其是制冷功率上升至75%時(shí)各溫度值的下降速率均較快，說(shuō)明外冷系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)需求。當(dāng)制冷機(jī)組的冷凍水出水溫度接近設(shè)定目標(biāo)值時(shí)，制冷機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)其制冷功率至50%，進(jìn)閥溫度已穩(wěn)定在給定的目標(biāo)值范圍內(nèi)，即進(jìn)閥溫度已被冷卻至環(huán)境溫度以下。當(dāng)制冷功率維持在50%時(shí)，進(jìn)閥溫度已下降并穩(wěn)定在目標(biāo)溫度值以下，空冷器的變頻風(fēng)機(jī)已降頻運(yùn)行，說(shuō)明換流閥的發(fā)熱與閥冷卻系統(tǒng)的散熱已達(dá)到平衡。綜上所述，本文給出的復(fù)合式換流閥冷卻系統(tǒng)具有良好的換熱效果，能夠保證換流閥在極端高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文開發(fā)設(shè)計(jì)了一種無(wú)排污水污染、零水耗、低能耗且可不受使用環(huán)境條件限制的復(fù)合式換流閥冷卻系統(tǒng)，有效解決了目前換流閥冷卻系統(tǒng)水-水冷卻存在的排污水污染環(huán)境與使用地區(qū)受限，以及水-風(fēng)冷卻存在的能耗高、換熱效率低等問(wèn)題。通過(guò)在樣機(jī)上進(jìn)行的多次試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性、實(shí)用性及可靠性。該系統(tǒng)能夠?yàn)槲覈?guó)特高壓直流輸電工程的發(fā)展提供技術(shù)支撐，同時(shí)為已投運(yùn)換流閥冷卻系統(tǒng)的技術(shù)改造提供指導(dǎo)。