許偉

摘 要： 高壓直流輸電系統(tǒng)中的核心在于換流站，而換流閥又是換流站系統(tǒng)中的核心設(shè)備，保證換流閥穩(wěn)定運(yùn)行的是閥冷卻系統(tǒng)，因此閥冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。在冬季溫度較低及換流閥停運(yùn)時(shí)需保證內(nèi)冷卻水溫度高于最低進(jìn)閥溫度，此時(shí)需開(kāi)啟輔助加熱設(shè)備進(jìn)行水溫調(diào)節(jié)，而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)于輔助加熱設(shè)備的選型核算就顯得相當(dāng)重要，但實(shí)際中對(duì)于設(shè)備自然散熱量和產(chǎn)熱量的準(zhǔn)確核算存在較大困難導(dǎo)致設(shè)計(jì)中輔助加熱設(shè)備的選型不精準(zhǔn)，使閥冷系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定留下了隱患。

關(guān)鍵詞： 高壓直流輸電；閥冷系統(tǒng)；輔助加熱設(shè)備；選型

我國(guó)地域遼闊，但由于資源和人口分布的不均衡，導(dǎo)致人口分布密集的地方發(fā)電能源卻嚴(yán)重不足，這將減慢我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度。因此，近年來(lái)我國(guó)大規(guī)模的進(jìn)行直流輸電工程建設(shè)，在西部人口密度較小的地區(qū)建立大型煤電、水電基地，實(shí)現(xiàn)將西部的資源轉(zhuǎn)化為電能支援東部的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有效的實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置[1-6]。

高壓直流輸電中最核心的技術(shù)主要集中在換流站中，其實(shí)現(xiàn)了直流和交流的能量轉(zhuǎn)換，而換流閥又是這其中的核心設(shè)備。換流站在正常運(yùn)行中換流閥中的可控硅元件會(huì)產(chǎn)生大量的熱損耗，這些熱量如果不能及時(shí)被帶走不但會(huì)引起換流閥元件散熱不良、元件過(guò)熱損壞，甚至?xí)?dǎo)致直流閉鎖等重大事故。通過(guò)內(nèi)循環(huán)冷卻水帶走這些熱損耗，閥外冷系統(tǒng)將對(duì)這些水進(jìn)行冷卻并使其達(dá)到所要求的進(jìn)水溫度，因此換流閥水冷卻設(shè)備是關(guān)系到換流站可靠運(yùn)行的重要保障[7-10]。

在冬季溫度較低及閥體停運(yùn)時(shí)需要對(duì)冷卻水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，如循環(huán)冷卻水的溫度低于閥體露點(diǎn)溫度時(shí)，閥冷設(shè)備的管路及器件表面會(huì)有凝露的危險(xiǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致漏電事故。這時(shí)置于內(nèi)冷卻水回路的點(diǎn)加熱器就開(kāi)始工作，調(diào)節(jié)水溫至露點(diǎn)以上。循環(huán)冷卻水所需的動(dòng)力為主循環(huán)水泵提供，水泵在工作時(shí)與水流摩擦?xí)a(chǎn)生水泵功率的損耗，部分損耗會(huì)體現(xiàn)在水流水溫中，而在大多數(shù)直流閥冷卻工程項(xiàng)目中這部分熱量卻并未考慮，這對(duì)于加熱器的選型準(zhǔn)確性會(huì)有很大的影響。文中以我司承接的靈州—紹興±800kV特高壓直流輸電工程靈州換流站輔助（空冷）系統(tǒng)一體化工程為例，對(duì)輔助加熱設(shè)備的選型核算進(jìn)行探討分析[11]。

1 靈州站閥冷卻系統(tǒng)工藝原理簡(jiǎn)介

靈州站閥冷卻系統(tǒng)如圖1所示，冷卻介質(zhì)通過(guò)循環(huán)水泵進(jìn)入室內(nèi)換熱設(shè)備，將換流閥被冷卻器件發(fā)出的熱量在室外換熱設(shè)備進(jìn)行熱交換，冷卻后的介質(zhì)經(jīng)主過(guò)濾器再進(jìn)入換流閥被冷卻器件帶走熱量，形成密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。換流閥運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于冷卻介質(zhì)電導(dǎo)率的要求很高，要長(zhǎng)期保持在較低的水平。而隨著閥體工作電壓的增高，冷卻介質(zhì)中的離子數(shù)量會(huì)增加，通過(guò)離子交換器的去離子功能使系統(tǒng)中的循環(huán)冷卻介質(zhì)中的離子維持在較低水平[12]。

當(dāng)換流閥電壓和容量增大時(shí)會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)中的溶解氧加速對(duì)冷卻設(shè)備和管道的腐蝕，因此需要更進(jìn)一步的降低介質(zhì)中的溶解氧。系統(tǒng)中與膨脹罐連接的氮?dú)夥€(wěn)壓設(shè)備可以保證系統(tǒng)中充滿(mǎn)冷卻介質(zhì)并隔絕空氣，實(shí)際上通過(guò)氮?dú)獾难a(bǔ)充和排放來(lái)緩沖系統(tǒng)內(nèi)冷卻介質(zhì)因溫度變化引起的體積變化。

在主循環(huán)回路及空冷器進(jìn)水管路上設(shè)置電加熱器，在冬季氣溫較低時(shí)及在換流閥停運(yùn)時(shí)對(duì)介質(zhì)水溫進(jìn)行補(bǔ)償，以此達(dá)到防止介質(zhì)溫度過(guò)低。[11]

2 靈州站電加熱器選型核算

2.1 概述

在工程中對(duì)閥冷系統(tǒng)電加熱器進(jìn)行選型核算主要考慮在冬季歷史極低溫度情況下室外散熱設(shè)備的自然散熱功率，電加熱器的總功率要大于室外散熱設(shè)備的自然散熱功率。靈州站的外冷方式為空冷器加閉式冷卻塔串聯(lián)，因此需要分別核算空冷器和閉式冷卻塔在歷史極低溫度下的自然散熱量，為電加熱器的選型提供依據(jù)。

2.2 空冷器自然散熱量核算

在冬季溫度極低時(shí)，為降低空氣冷卻器的散熱量，避免進(jìn)閥溫度過(guò)低，閥冷系統(tǒng)設(shè)備通過(guò)電動(dòng)三通閥進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，當(dāng)進(jìn)閥溫度低于20°時(shí)，僅有主流量的50%通過(guò)室外空氣冷卻器，另外50%從旁路流過(guò)。根據(jù)換流閥的技術(shù)要求，進(jìn)閥溫度按不低于10°進(jìn)行設(shè)計(jì)。下表為空氣冷卻器的自然散熱量核算。

2.3 冷卻塔自然散熱量核算

本工程中只有一臺(tái)閉式冷卻塔與空冷器串聯(lián)，在冬季極低溫度下，閉式冷卻塔在噴淋泵不啟動(dòng)風(fēng)機(jī)也不啟動(dòng)的情況下的自然散熱量為85kW，見(jiàn)下表。

2.4 結(jié)果分析

通過(guò)以上在冬季極低溫度下外冷自然散熱量的分析可知，外冷自然散熱總量為W總=W空冷+W冷卻塔=329+85=414kW，因此需要的輔助加熱設(shè)備的功率必須要大于外冷總自然散熱量。本工程設(shè)計(jì)方案中設(shè)計(jì)內(nèi)冷電加熱器為4臺(tái)30kW，外冷電加熱器為4臺(tái)80kW，總功率為440kW，大于外冷總自然散熱量，符合工程要求。

而在實(shí)際工程中，內(nèi)冷設(shè)備放置在閥廳內(nèi)，與外冷連接的管道也大多在室內(nèi)，正常閥廳運(yùn)行時(shí)內(nèi)部溫度為5～60℃，即在冬季極低溫度下室內(nèi)溫度也不至于太低，與循環(huán)水溫差較小，因此設(shè)備的管道散熱有限。而主泵在運(yùn)行時(shí)因功率損耗所產(chǎn)生的熱量也是非常多的。

如一個(gè)功率為132kW的主泵，其泵效率計(jì)算為70%，功率損耗就約為40kW，這部分的損耗被內(nèi)循環(huán)水帶走，而在設(shè)計(jì)中卻并未考慮此產(chǎn)熱量，對(duì)輔助加熱設(shè)備的選型核算的準(zhǔn)確性就產(chǎn)生了影響。

3 展望

閥冷系統(tǒng)在冬季極運(yùn)行時(shí)，主循環(huán)泵在提升內(nèi)循環(huán)水的同時(shí)產(chǎn)生了功率損耗，這部分損被內(nèi)循環(huán)水帶走，應(yīng)計(jì)入整個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)熱量。而在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，只簡(jiǎn)單的考慮了外冷設(shè)備的自然散熱量，對(duì)于管道和內(nèi)冷設(shè)備的散熱量卻沒(méi)有相關(guān)計(jì)算，對(duì)于主泵功率損耗也未計(jì)算入內(nèi)，這對(duì)輔助設(shè)備的選型核算有很大影響。如果當(dāng)外冷總自然散熱量和管道散熱量之和大于電加熱器功率加主泵功率損耗時(shí)，將會(huì)對(duì)閥冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生威脅。因此準(zhǔn)確核算在冬季極低溫度下系統(tǒng)的散熱量是很有必要的?！?/p>

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