劉重強(qiáng)， 張恩龍， 陳緒勝，文玉良

(廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663)

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高溫缺水地區(qū)換流閥冷卻系統(tǒng)的研究

劉重強(qiáng)， 張恩龍， 陳緒勝，文玉良

(廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663)

基于傳統(tǒng)的高壓直流輸電換流閥用密閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)，結(jié)合高溫缺水地區(qū)環(huán)境條件，研究采用冷水機(jī)組、蓄冷與空氣冷卻器組合的復(fù)合式冷卻方式，并根據(jù)不同的環(huán)境溫度給出了相應(yīng)的冷卻策略，對(duì)復(fù)合式冷卻方式在不同環(huán)境條件下的應(yīng)用進(jìn)行分析，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)進(jìn)閥溫度要求進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的空冷器、制冷機(jī)組以及蓄冷罐放冷的逐級(jí)加載和反向卸載功能，使系統(tǒng)運(yùn)行更加合理，邏輯控制更加直接，自動(dòng)化程度更高，可靠性更強(qiáng)，提高了換流閥閥外冷設(shè)備對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性，保證了直流輸電換流閥正常工作。

高溫缺水； 冷卻系統(tǒng)； 換流閥； 冷水機(jī)組

0 引言

換流閥是直流輸電工程的核心設(shè)備，換其核心部件是晶閘管[1,2]，它在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，為保證元件的正常使用和防止其老化，需要對(duì)其配置冷卻系統(tǒng)，進(jìn)而保證換流站的正常運(yùn)行[3]。目前國(guó)內(nèi)外換流站晶閘管換流閥冷卻方式有2種：水冷卻方式和空氣冷卻方式。當(dāng)采用水冷卻方式時(shí)，一般采用冷卻塔；當(dāng)采用空氣冷卻方式時(shí)，一般采用空氣冷卻器[4,5]。然而在我國(guó)西部地區(qū)，存在著晝夜溫差大、環(huán)境極限溫度高、水資源匱乏等情況[6]，無(wú)論采用空氣冷卻器還是冷卻塔設(shè)備都難以滿足冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行要求。因此需要研究一種適用于高溫缺水地區(qū)的換流閥冷卻系統(tǒng)，它能夠與現(xiàn)有的常溫環(huán)境冷卻設(shè)備、極端低溫外冷設(shè)備形成互補(bǔ)，為高壓直流換流閥冷卻提供全套的解決策略，促進(jìn)我國(guó)直流輸電工程的發(fā)展。

1 密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)按照供水方式的不同可分為直流供水系統(tǒng)和循環(huán)供水系統(tǒng)[7]，按照運(yùn)行方式可分為開放式系統(tǒng)和密閉式系統(tǒng)，按照冷卻介質(zhì)可分為普通水冷卻系統(tǒng)和純水冷卻系統(tǒng)。從節(jié)能減排的角度以及對(duì)冷卻介質(zhì)的特殊要求來(lái)考慮，換流閥水冷系統(tǒng)一般采用密閉式循環(huán)純水冷卻系統(tǒng)[8]。它包括內(nèi)冷系統(tǒng)、外冷系統(tǒng)、輸配水系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，其中內(nèi)冷系統(tǒng)包括主循環(huán)冷卻回路、去離子水處理回路、穩(wěn)壓系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)；外冷系統(tǒng)包括純水軟化裝置、反滲透裝置，空氣冷卻器、冷卻塔；其主要工作原理如圖 1所示。冷卻介質(zhì)(主要為純水)經(jīng)主循環(huán)泵升壓后，通過(guò)管道系統(tǒng)進(jìn)入室外散熱單元(空氣冷卻器或閉式冷卻塔)，與室外空氣或水等冷媒進(jìn)行熱交換后進(jìn)入換流閥，帶出換流閥高功率密度器件熱量，升溫后的冷卻介質(zhì)流經(jīng)脫氣罐，回到主循環(huán)泵入口，形成密閉式循環(huán)冷卻回路。部分冷卻介質(zhì)經(jīng)離子交換器形成去離子提純回路，保持冷卻介質(zhì)絕緣性。

圖1 換流閥密閉式循環(huán)純水冷卻系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of closed circulation water cooling system of converter valve

2 外冷系統(tǒng)冷卻策略

2.1 閉式冷卻塔

在我國(guó)南方地區(qū)直流輸電換流閥外冷卻設(shè)備一般選擇閉式冷卻塔[9]。在閉式冷卻塔中，循環(huán)水流過(guò)管內(nèi)，通過(guò)管壁將熱量傳給管外的噴淋水，噴淋水通過(guò)蒸發(fā)散熱，將熱量傳遞給空氣。閉式冷卻塔是將管式換熱器置于塔內(nèi)，通過(guò)管外流通的空氣、噴淋水與管內(nèi)的循環(huán)水換熱，實(shí)現(xiàn)降溫目的[10]。由于循環(huán)水是閉式循環(huán)，能夠保證水質(zhì)不受污染，很好地保護(hù)了主設(shè)備的高效運(yùn)行，提高了使用壽命。

2.2 空氣冷卻器

換流閥外冷卻設(shè)備所用的空氣冷卻器屬于翅片管換熱器，一般采用不銹鋼無(wú)縫鋼管和鋁翅片，也稱作空氣冷卻換熱器，簡(jiǎn)稱空冷器[11]。它由若干多支翅片管按照一定的排布規(guī)律排列而組成的，換熱單元叫做翅片管束。翅片管束由3部分組成：翅片管、管箱和構(gòu)架。它以環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)，風(fēng)機(jī)強(qiáng)制空氣橫掠翅片管外，使管內(nèi)高溫工藝流體得到冷卻或冷凝[12]。使用自然空氣作為冷卻介質(zhì)，節(jié)約了寶貴的水資源，減少了工業(yè)污水的排放，保護(hù)了自然環(huán)境。

2.3 冷水機(jī)組制冷

換流閥外冷卻設(shè)備涉及的范圍包括換熱器及其配套設(shè)備，當(dāng)環(huán)境溫度和散熱器的目標(biāo)溫度的溫差符合設(shè)定溫度差時(shí)，外冷設(shè)備主要為冷卻設(shè)備；否則需要增加制冷設(shè)備，那樣外冷設(shè)備就變得較為復(fù)雜。制冷設(shè)備的冷水機(jī)組主要部件有：壓縮機(jī)、冷凝器、干燥過(guò)濾器、氣液分離器、膨脹閥、蒸發(fā)器以及控制儀表及控制元件[13]。工作時(shí)由壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器被冷凝成中溫過(guò)冷液體，經(jīng)低溫膨脹閥節(jié)流降壓變成低溫低壓的汽液兩相混和物進(jìn)入蒸發(fā)器，在其內(nèi)蒸發(fā)并吸收流經(jīng)蒸發(fā)器的載冷劑的熱量，使流經(jīng)蒸發(fā)器的載冷劑得以降溫,制冷劑汽化后蒸汽再被壓縮機(jī)吸入，不斷循環(huán)，從而達(dá)到降溫目的[14]。

2.4 組合式外冷卻設(shè)備

圖2 設(shè)計(jì)方案溫度狀況Fig.2 Design scheme of temperature condition

電力行業(yè)中素有 “削峰填谷”說(shuō)法，即在電力需求量少的時(shí)候的電用于高峰期[15，16]。對(duì)于密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的外冷換熱也可采用削峰方式進(jìn)行，其原理如圖 2所示。一般情況下的空氣散熱器設(shè)計(jì)溫度按環(huán)境極限溫度t2進(jìn)行，冷卻對(duì)象溫度t4，假設(shè)散熱設(shè)備設(shè)計(jì)溫差為Δt，則設(shè)計(jì)環(huán)境極限溫度為t2；如冷卻對(duì)象出水溫度為t3，則按該設(shè)備冷卻水溫度設(shè)計(jì)的溫差為Δt，設(shè)計(jì)環(huán)境極限溫度為t1；采用制冷的方式將高于t1的熱能散走，達(dá)到削峰目的。依據(jù)換流閥熱阻分析，換流閥散熱受節(jié)溫和環(huán)境溫度影響[17]，對(duì)于常規(guī)的換流閥Tj是一定的，Ta存在最大值，如果夏季環(huán)境溫度較高超過(guò)常規(guī)空氣冷卻器設(shè)計(jì)極限環(huán)境溫度Ta就會(huì)出現(xiàn)冷卻能力不足。當(dāng)環(huán)境溫度較高且水資源較為缺乏時(shí)，無(wú)法單獨(dú)采用空氣冷卻器或閉式塔滿足換熱和運(yùn)行要求，本文提出一種空氣冷卻器加冷水機(jī)組冷卻的組合冷卻方式，可以很好適應(yīng)高溫缺水的使用環(huán)境。

3 組合式外冷卻設(shè)備的應(yīng)用分析

3.1 運(yùn)行原理

冷水機(jī)組輔佐空氣冷卻器典型配置原理如圖3所示。冷卻系統(tǒng)已經(jīng)略去離子回路，在此基礎(chǔ)上增加了風(fēng)冷冷水機(jī)組進(jìn)行輔助冷卻。風(fēng)冷冷水機(jī)組主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、緩沖罐、水泵和換熱器組成。

圖3 冷水機(jī)組輔佐空氣冷卻器典型配置原理圖Fig.3 Chiller assisted air cooler typical configuration principle diagram

其工作原理及其過(guò)程為恒定壓力和流速的冷卻介質(zhì)，經(jīng)過(guò)主循環(huán)水泵源源不斷地流經(jīng)三通閥1，進(jìn)入外冷設(shè)備(空氣冷卻器)，將被冷卻器件發(fā)出的熱量在室外與空氣進(jìn)行熱交換，冷卻后的介質(zhì)再進(jìn)入換流閥，帶出熱量，回流到主循環(huán)泵入口，形成密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)境溫度高于某一設(shè)定值時(shí)，例如38 ℃，空冷器無(wú)法完全滿足冷卻要求，冷水機(jī)組啟動(dòng)，調(diào)整三通閥2，風(fēng)冷式空氣冷卻器滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，總負(fù)荷量余下的30%～70%由風(fēng)冷式冷水機(jī)組完成。通過(guò)風(fēng)冷式冷水機(jī)組冷卻進(jìn)一步降低冷卻水的溫度，以滿足換流閥的進(jìn)水溫度要求。通過(guò)增加蓄冷裝置可以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。當(dāng)夏天氣溫高于某一設(shè)定值時(shí)，例如40 ℃，風(fēng)冷式空氣冷卻器與冷水機(jī)組同時(shí)工作，剩下一部分冷卻功率由蓄冷罐提供，當(dāng)夜間溫度較低時(shí)，蓄冷罐將儲(chǔ)存的熱量釋放到外界環(huán)境中。

3.2 系統(tǒng)控制

根據(jù)時(shí)間和環(huán)境溫度工況建立控制策略，控制策略如圖 4所示。

圖4 控制策略Fig.4 Control strategy

根據(jù)給定的控制策略，分別介紹不同模式下的外冷系統(tǒng)控制方式。

(1) 空氣冷卻器冷卻及冷水機(jī)供冷。在本工況下，兩級(jí)板式換熱器熱側(cè)進(jìn)口閥門關(guān)閉，兩級(jí)板式換熱器熱側(cè)旁通閥門打開，冷卻水不經(jīng)過(guò)板式換熱器。冷凍水側(cè)除了冷水機(jī)組供冷回路相應(yīng)閥門在一定溫度段打開外，其余冷凍水回路的閥門均保持關(guān)閉。若空氣冷卻器或水冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，而其余空氣冷卻器全負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)進(jìn)閥溫度>40 ℃時(shí)，則立即進(jìn)入冷水機(jī)組與蓄冷罐的聯(lián)合供冷模式，并發(fā)出相應(yīng)的故障報(bào)警信號(hào)，故障排除后返回原運(yùn)行模式。

(2) 空氣冷卻器及冷水機(jī)聯(lián)合供冷。在本工況下，蓄冷回路和水蓄冷罐供冷回路關(guān)閉；板式換熱器冷側(cè)的冷凍水進(jìn)口閥門調(diào)節(jié)流量，通過(guò)PID表控制閥體進(jìn)水溫度35～40 ℃；環(huán)境溫度35 ℃，保持空冷器全開，打開第一級(jí)板式換熱器熱側(cè)冷卻水進(jìn)口閥門，并關(guān)閉對(duì)應(yīng)的旁通管道閥門，冷卻水流經(jīng)第一級(jí)板式換熱器。

(3) 空冷器和冷水機(jī)組及水蓄冷罐聯(lián)合供冷。在本工況下，當(dāng)環(huán)境溫度40 ℃，保持空冷器和冷水機(jī)組供冷全滿負(fù)荷運(yùn)行，打開第二級(jí)板式換熱器熱側(cè)冷卻水進(jìn)口閥門，并關(guān)閉對(duì)應(yīng)的旁通管道閥門，冷卻水流經(jīng)第二級(jí)板式換熱器；環(huán)境溫度40 ℃，水蓄冷罐進(jìn)出口閥門打開，釋冷水泵開啟，結(jié)合水泵旁通閥門和水泵變頻調(diào)節(jié)流量，通過(guò)PID表控制閥體進(jìn)水溫度35～40 ℃；并監(jiān)測(cè)水蓄冷罐回水溫度。監(jiān)測(cè)水蓄冷罐內(nèi)不同液位的冷凍水溫度，計(jì)算并模擬顯示水蓄冷罐內(nèi)冷量的變化；在此工況下，蓄冷回路閥門關(guān)閉。

(4) 空氣冷卻器單獨(dú)冷卻及蓄冷罐蓄冷。在本工況下，換流閥閥冷卻水僅通過(guò)空冷器散熱；環(huán)境溫度30 ℃，監(jiān)測(cè)水蓄冷罐溫度情況，如需蓄冷則開始進(jìn)入蓄冷模式。通過(guò)閥門關(guān)閉切換使冷水機(jī)組串聯(lián)，相應(yīng)的蓄冷水泵串聯(lián)。釋冷水泵保持關(guān)閉，水蓄冷罐進(jìn)出口閥門打開，蓄冷水泵開啟，然后冷水機(jī)組啟動(dòng)；調(diào)節(jié)冷水機(jī)組啟停和能量輸出，PID監(jiān)控水蓄冷罐下部進(jìn)水溫度4～5 ℃；監(jiān)測(cè)水蓄冷罐內(nèi)不同液位的冷凍水溫度，計(jì)算并模擬顯示水蓄冷罐內(nèi)冷量的變化；當(dāng)水蓄冷罐出水溫度(最高位置溫度傳感器)達(dá)到7 ℃后連續(xù)超過(guò)15 min，蓄冷結(jié)束。在此工況下，冷水機(jī)組供冷及水蓄冷罐供冷回路關(guān)閉。

4 結(jié)果分析

組合式外冷卻設(shè)備連續(xù)運(yùn)行情況如圖5所示。測(cè)試時(shí)間是在廣州的12月份，環(huán)境溫度較低，而且受到熱負(fù)荷裝置最大容量為100 kW的局限，實(shí)際測(cè)試時(shí)關(guān)閉了空冷器風(fēng)機(jī)，主要對(duì)冷水機(jī)組供冷、蓄冷罐放冷進(jìn)行了輔助冷卻的測(cè)試。測(cè)試時(shí)根據(jù)實(shí)際環(huán)境溫度對(duì)各模式工況進(jìn)行了設(shè)定，即模式1對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度為7～10 ℃；模式2對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度為10～16.5 ℃；模式3對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度為16.5～35 ℃；模式4對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度為0～35 ℃。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，人為投入合適大小的熱負(fù)荷量，對(duì)各主要運(yùn)行模式的冷卻效果及自動(dòng)控制進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試情況及結(jié)果基本正常。

圖5 水冷裝置(廣州12月份)連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)Fig.5 Continuous running test of water cooler (Guangzhou, December)

通過(guò)對(duì)水冷裝置實(shí)際連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)個(gè)別模式下出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)和調(diào)整，主要包括緩沖罐出水溫度浮動(dòng)問(wèn)題，蓄冷水罐供冷時(shí)關(guān)于進(jìn)閥溫度和蓄冷罐回水溫度控制問(wèn)題，熱負(fù)降低后模式卸載和模式退出控制問(wèn)題，模式切換問(wèn)題等。綜合分析上述問(wèn)題，擬對(duì)原定的4種模式進(jìn)行整合，統(tǒng)一整合到一個(gè)新的模式下，避免主要依據(jù)環(huán)境溫度分為多個(gè)模式控制復(fù)雜的情況，主要根據(jù)進(jìn)閥溫度要求進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的空冷、制冷以及蓄冷罐放冷的逐級(jí)加載和反向卸載功能，使系統(tǒng)運(yùn)行更加合理，邏輯控制更加直接，自動(dòng)化程度更高，可靠性更強(qiáng)。

5 結(jié)論

本研究解決了高溫缺水地區(qū)大功率高壓直流換流閥冷卻技術(shù)難題，為我國(guó)西部地區(qū)的直流輸電工程換流閥的正常運(yùn)行提供保障。研究了采用冷水機(jī)組、蓄冷與空氣冷卻器等組合的復(fù)合式冷卻方式，并根據(jù)不同的環(huán)境溫度給出了相應(yīng)的冷卻策略，與現(xiàn)有的常溫環(huán)境冷卻策略、極端低溫外冷冷卻策略形成互補(bǔ)，為高壓直流換流閥冷卻提供的系列化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的全套解決策略，提升了我國(guó)高壓直流換流閥的技術(shù)性能，使我國(guó)的換流閥及其水冷設(shè)備能夠走出國(guó)門，趕超國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，參與世界范圍內(nèi)的直流輸電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

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(編輯 徐林菊)

Converter Valve Cooling System for High Temperature Water Shortage Area

LIU Chongqiang, ZHANG Enlong, CHEN Xusheng,WEN Yuliang

(Guangzhou Goaland Energy Conservation Technology Limited Company, Guangzhou 510663, China)

The conventional HVDC converter valve closed cycle cooling system based on the combination of environmental conditions of high temperature and drought area, using composite cooling chillers, cold storage and air cooler combination, and according to the ambient temperature are given different cooling strategies accordingly, were used in the analysis of the different environmental conditions composite cooling method, the analysis result is validated through experiment, achieved the corresponding air cooler, refrigeration and cold storage tank cold loading and reverse unloading function according to the valve inlet temperature, make the system more reasonable and logical control is more direct, higher degree of automation, reliability, improve the cold exchange equipment valve of environmental temperature adaptability, to ensure the normal work of HVDC converter valve.

high temperature water shortage; cooling system; thyristor valve; water chiller

2017-02-10；

2017-04-03

廣州市科技計(jì)劃產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)(201508030019)；廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)(201604010006)

TM723

A

2096-3203(2017)04-0054-05

劉重強(qiáng)

劉重強(qiáng)(1982—)，男，湖北棗陽(yáng)人，工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮有袠I(yè)水冷系統(tǒng)新產(chǎn)品的研發(fā)(E-mail： liucq@goaland.com.cn)；

張恩龍(1979—)，男，山東單縣人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮有袠I(yè)水冷系統(tǒng)新產(chǎn)品的研發(fā)(E-mail： zhangel@goaland.com.cn)；

陳緒勝(1974—)，男，湖北天門人，工程

師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮有袠I(yè)水冷系統(tǒng)新產(chǎn)品的研發(fā)(E-mail： chenxs@goaland.com.cn)；

文玉良(1972—)，男，湖南邵陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮有袠I(yè)水冷系統(tǒng)新產(chǎn)品的研發(fā)(E-mail： wenyl@goaland.com.cn)。