楊柳，張麗，周月賓，侯婷，許樹楷

(1.直流輸電技術(shù)國家重點實驗室(南方電網(wǎng)科學研究院)，廣州510663；2. 廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣州510530)

0 引言

直流輸電技術(shù)可廣泛應(yīng)用于遠距離、高電壓、大容量電力輸送，異步電網(wǎng)互聯(lián)，新能源并網(wǎng)等場合[1 - 2]。隨著模塊化多電平換流器技術(shù)的成熟，柔性直流輸電(voltage source converter-high voltage direct current, VSC-HVDC)技術(shù)得到極大發(fā)展[3 - 4]。由于柔性直流系統(tǒng)中換流閥的電力電子器件不斷進行開關(guān)動作，導致?lián)Q流閥產(chǎn)生大量熱能，影響換流閥的穩(wěn)定性、安全性，所以換流閥的冷卻系統(tǒng)設(shè)計是保證換流站穩(wěn)定運行的重要一環(huán)。換流閥、變壓器等發(fā)熱設(shè)備的常用冷卻設(shè)備利用風和液態(tài)水作為冷卻介質(zhì)，分為自然冷卻、強制冷卻2種，其中液態(tài)水換熱效率高，常常被用于直流輸電冷卻系統(tǒng)中，而海上自然風資源豐富，常常采用自然風冷卻方式。以換流閥為例，尤其是水資源豐富的南方地區(qū)，其冷卻方式多采用水-水循環(huán)，外冷采用閉式冷卻塔與噴淋水冷卻相結(jié)合的冷卻方式，噴淋水處理系統(tǒng)采用一級一段反滲透技術(shù)，耗水量大、排污量大。對于采用水冷變壓器的換流站，變壓器外冷也是冷卻塔的形式，2種設(shè)備的冷卻將產(chǎn)生巨大的耗水量。

本文分析了直流輸電換流站換流閥、變壓器等主要發(fā)熱設(shè)備外冷卻系統(tǒng)不同的冷卻方式及特點，提出了一種基于一級一段和一級二段反滲透的噴淋水處理系統(tǒng)污水再循環(huán)的節(jié)水技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)水和較少排污，符合綠色換流站的發(fā)展理念。本文也提出了一種直流輸電換流站換流閥、變壓器等主要發(fā)熱設(shè)備外冷卻系統(tǒng)的一體化設(shè)計方式，提高排污回收率，減少水資源消耗，這種一體化外冷卻系統(tǒng)設(shè)計方式可廣泛適用于直流換流站、海上風電等發(fā)熱設(shè)備上。

1 換流閥冷卻方式介紹

1.1 換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)

換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)包含主循環(huán)泵、主過濾器和水處理設(shè)備，主要通過冷卻介質(zhì)的循環(huán)把換流閥產(chǎn)生的熱量循環(huán)到外冷卻系統(tǒng)，利用外冷卻系統(tǒng)與風或者水進行熱量交換。

1.2 換流閥外冷卻系統(tǒng)

在換流閥的外冷卻方式中，常見的方案有閉式冷卻塔、空氣冷卻器、純冷水機組等[5 - 7]，為對比分析不同的外冷卻方式，下面分別介紹各冷卻方式結(jié)構(gòu)并進行相關(guān)參數(shù)計算。

1.2.1 閉式冷卻塔

閉式冷卻塔(也叫蒸發(fā)式空冷器、密閉式冷卻塔或封閉式冷卻塔)是將管式換熱器置于塔內(nèi)，通過流通的空氣或管外噴淋水與管內(nèi)循環(huán)水之間的熱交換來保證降溫效果。閉式冷卻塔部件包括塔體壁板、風機及電機、噴淋布水系統(tǒng)、進風導葉板、換熱盤管、熱交換層、擋水板、檢修門及檢修通道、集水箱、安全開關(guān)等部件。

如圖1所示，高溫冷卻水進入冷卻塔，在盤管內(nèi)部流動，熱量通過盤管向外傳遞，盤管外部有持續(xù)流動的噴淋水保持盤管表面濕潤，噴淋到盤管表面的水吸收熱量后溫度升高，往下流動，流經(jīng)一段具有高效冷卻效率的填料熱交換層，通過風機強迫對流，使一部分水蒸發(fā)，將熱量從噴淋水中帶走，噴淋水溫度下降，回流到底部的集水盤中。此過程中，盤管內(nèi)部的冷卻水熱量被帶走，溫度下降，從冷卻塔出來后送往被冷卻器件。整個冷卻過程的熱量轉(zhuǎn)移過程為：內(nèi)冷水—冷卻塔內(nèi)部盤管—噴淋水—空氣。

圖1 閉式冷卻塔冷卻方式Fig.1 Cooling mode of closed cooling tower

1.2.2 空氣冷卻器

空氣冷卻器是以環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)，橫掠翅片管外，使管內(nèi)高溫工藝流體得到冷卻或冷凝的設(shè)備，也稱“空氣冷卻式換熱器”，簡稱“空冷器”?？绽淦髦饕晒苁?、管箱、風機和構(gòu)架等主要部分組成。

如圖2所示，高溫冷卻水進入空冷器，在管束內(nèi)部流動，熱量通過管壁向外傳遞，管束外部通過風機強迫對流，使得熱量傳遞到空氣中，管束內(nèi)部的冷卻水熱量被帶走，溫度下降，從空冷器出來后送往被冷卻器件。

圖2 空氣冷卻器冷卻方式Fig.2 Cooling mode of air cooler

1.2.3 冷水機組

冷水機組的工作原理是制冷介質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻物的熱量并汽化成蒸汽，壓縮機不斷地將產(chǎn)生的蒸汽從蒸發(fā)器中抽出，并進行壓縮，經(jīng)冷凝器后冷卻介質(zhì)放熱冷凝成高壓液體，經(jīng)節(jié)流后進入蒸發(fā)器吸收熱量汽化，形成一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)。

如圖3所示，水冷系統(tǒng)與冷水機組通過板式換熱器進行熱交換，冷水機組蒸發(fā)器側(cè)的冷凍水與水冷系統(tǒng)的冷卻水在板式換熱器內(nèi)部進行熱交換，高溫的冷卻水流經(jīng)板式換熱器后溫度下降進入被冷卻器件，低溫的冷凍水流經(jīng)板式換熱器后溫度升高進入冷水機組的蒸發(fā)器重新降溫，如此周而復始。

圖3 純水冷機組冷卻方式Fig.3 Cooling mode of pure water cooling unit

1.2.4 不同冷卻方式的對比分析

不同冷卻方式的適用場合、耗水量、耗電量各不相同。表1為上述3種不同外冷方式的適用場合與特點對比。

表1 3種冷卻方式的特點對比Tab.1 Characteristics comparison of the three cooling modes

以某直流工程閥冷系統(tǒng)為例，單套閥冷系統(tǒng)散熱量為5 000 kW，循環(huán)水流量為500 m3/h。表2為采用不同冷卻方式的設(shè)備選型以及單套閥冷系統(tǒng)的用水、用電量。其中，純冷水機組的效率值取3.5。

表2 3種冷卻方式耗水量對比Tab.2 Water consumption of the three cooling modes

通過對不同冷卻方式的對比，閉式冷卻塔方式的能耗最小，是直流工程中運用較多的一種冷卻方式。但是該方式存在耗水量大、排污量大等缺點。

1.3 換流閥冷卻設(shè)備組成與流程

如圖4所示，閥冷系統(tǒng)冷卻介質(zhì)通過內(nèi)冷系統(tǒng)主循環(huán)泵的提升，進入室外換熱設(shè)備(閉式冷卻塔)，將換流閥產(chǎn)生的熱量帶到室外進行熱交換，帶出熱量，冷卻介質(zhì)冷卻后，循環(huán)進入換流閥，形成密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。通過控制閉式冷卻塔風機的啟動臺數(shù)以及風機轉(zhuǎn)速共同實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)循環(huán)冷卻水溫度的精確控制要求。

圖4 換流閥冷卻系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of converter valve cooling system

2 變壓器冷卻方式介紹

2.1 變壓器冷卻方式

常用的變壓器冷卻方式分為油浸自冷式、油浸風冷式和強迫油循環(huán)3種冷卻方式[8 - 10]。

油浸自冷式是以油的自然對流作用將熱量帶到油箱壁和散熱器，然后依靠自然空氣來對流換熱。

油浸風冷式是在油浸自冷式的基礎(chǔ)上，在油箱壁或散熱管上加裝風扇，利用吹風機幫助冷卻。

強迫油循環(huán)冷卻方式分為強油風冷和強油水冷2種。它是把變壓器中的油利用油泵打入油冷卻器后再復回油箱。油冷卻器做成容易散熱的特殊形狀，利用風扇吹風或循環(huán)水作冷卻介質(zhì)，把熱量帶走。

2.2 水冷變壓器冷卻方式

水冷變壓器屬于強迫油循環(huán)冷卻方式，分成一次循環(huán)和二次循環(huán)，一次循環(huán)直接與變壓器設(shè)備連接，又稱為油循環(huán)，利用冷油帶走變壓器設(shè)備產(chǎn)生的熱量，然后經(jīng)過熱交換器加熱冷卻水，而被加熱的水經(jīng)過二次循環(huán)，利用風或者水再次冷卻。

2.3 水冷變壓器外冷卻設(shè)備組成與流程

變壓器水冷卻系統(tǒng)二次循環(huán)系統(tǒng)包含內(nèi)冷系統(tǒng)和外冷系統(tǒng)。內(nèi)冷系統(tǒng)包含主循環(huán)泵，主過濾器、穩(wěn)壓裝置和與一次循環(huán)熱交換的油水換熱器；外冷系統(tǒng)包含外冷散熱設(shè)備和管道附件。變壓器水冷卻系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

圖5 變壓器水冷卻系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic digram of water cooling system of transformer

3 換流閥與水冷變壓器冷卻系統(tǒng)一體化設(shè)計

3.1 外冷卻系統(tǒng)一體化設(shè)計方法

為避免水池浪費、方便運維，對于采用水冷變壓器的換流站，提出將該外冷卻系統(tǒng)與換流閥的外冷卻系統(tǒng)進行一體化設(shè)計，二者可共用噴淋水池和噴淋水處理系統(tǒng)。原理圖如圖6所示。

圖6 換流閥與變壓器外冷卻系統(tǒng)一體化設(shè)計原理圖Fig.6 Schematic diagram of integrated design for external cooling systems in converter valve and transformer

3.2 噴淋水處理系統(tǒng)產(chǎn)水量設(shè)計

噴淋水處理系統(tǒng)主要設(shè)備包括(但不限于)：石英砂濾器、活性碳濾器、反滲透處理裝置(一級一段反滲透或/和一級二段反滲透)、反沖洗裝置、反滲透清洗裝置、管道、配電及控制設(shè)備，系統(tǒng)流程圖如圖7所示。噴淋水處理系統(tǒng)產(chǎn)水量由閉式冷卻塔蒸發(fā)水量、外冷水系統(tǒng)排污損失量、閉式冷卻塔風吹損失水量、外冷水系統(tǒng)正反洗及再生耗水量之和確定。

圖7 噴淋水處理系統(tǒng)流程圖Fig.7 Flowchart of spray water treatment system

閉式冷卻塔蒸發(fā)水量根據(jù)式(1)進行計算。

(1)

式中：Q1為蒸發(fā)損失水量，L/s；P為總散熱功率，kW；ξ為水的汽化潛熱參數(shù)(101.325 kPa標準大氣壓下，100 ℃的水轉(zhuǎn)化成蒸汽吸收的熱量為2 260 kJ/kg℃)。

外冷水系統(tǒng)排污損失量根據(jù)式(2)進行計算。

(2)

式中：Q2為排污損失量，L/s；N為濃縮倍數(shù)(參考GB5005—2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》[11]，循環(huán)水濃縮倍數(shù)一般取4～4.5。由于本方案循環(huán)水采用反滲透膜處理后的產(chǎn)水，循環(huán)水中的鈣、鎂離子濃度較低，根據(jù)現(xiàn)場實驗可取濃縮倍率為8)。

閉式冷卻塔風吹損失水量可根據(jù)式(3)進行計算。

Q3=0.001%Qw

(3)

式中：Qw為循環(huán)水量，L/s；數(shù)值0.001%為風吹損失率，工程中通常要求其小于0.001%。按照國家標準GB/T 7190.3—2019 《機械通風冷卻塔 第3部分：閉式冷卻塔》[12]中規(guī)定，中小型塔不大于循環(huán)水量的0.015%，大型塔不大于0.005%，直流工程定制化冷卻塔可做到不大于0.001%。

外冷水系統(tǒng)正反洗及再生耗水量Q4的計算公式如式(4)所示。

Q4=Q5×t×2÷60÷24

(4)

式中：Q5為石英砂過濾器、活性炭過濾器反沖洗流量，一般為工業(yè)補水流量的1.5～2倍(蒸發(fā)量、排污量之和，可以由工業(yè)補水流量估算)，m3/h；t為沖洗時間，每次沖洗時間一般為15 min。

外冷水系統(tǒng)最大補充水量計算公式為：

Q=Q1+Q2+Q3+Q4

(5)

式中Q為補充水量，L/s。

若用一級一段反滲透處理工藝，反滲透回收率設(shè)計為70%，則外冷單位時間工業(yè)補水量(耗水量)如式(6)所示。

(6)

若用一級二段反滲透處理工藝，反滲透回收率設(shè)計為85%，可減小排污量，節(jié)省水資源，則外冷單位時間工業(yè)補水量(耗水量)如式(7)所示。

(7)

3.3 噴淋水處理系統(tǒng)產(chǎn)水量計算

針對1組±300 kV/1 500 MW的柔性直流換流閥方案，其閥冷系統(tǒng)散熱功率約為12 000 kW。1組換流閥需配置3臺單相雙繞組水冷卻變壓器(假設(shè)額定容量575 MVA)，其外冷系統(tǒng)散熱功率約為4 500 kW。

換流閥與水冷變壓器共用噴淋補水處理系統(tǒng)后，外冷系統(tǒng)的總散熱功率是2部分散熱功率之和，約為16 500 kW，則Q1為7.3 L/s，即26.29 m3/h；Q2為3.76 m3/h；Q3為0.019 m3/h；Q4為1.25 m3/h。外冷水系統(tǒng)最大補充水量Q為31.32 m3/h。在實際系統(tǒng)中，噴淋水處理系統(tǒng)可按照產(chǎn)水量32 m3/h設(shè)計。

當系統(tǒng)采用一級一段反滲透工藝時，根據(jù)式(6)，工業(yè)補水量(耗水量)為45.72 m3/h，總排污量為18.73 m3/h。

當系統(tǒng)采用一級二段反滲透工藝時，根據(jù)式(7)，工業(yè)補水量(耗水量)為37.65 m3/h，總排污量為10.66 m3/h，可節(jié)約用水8.07 m3/h，總排污量減小了8.07 m3/h。

4 外冷系統(tǒng)一體化設(shè)計在海上柔性直流換流站的應(yīng)用

陸上的柔性直流換流站水冷系統(tǒng)外冷方式可采用空氣冷卻器、閉式冷卻塔等方式，但海上平臺造價高昂、占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊，為了節(jié)省建造成本，通常采用海水冷卻作為外冷方式。本文提出的柔直換流閥與變壓器外冷卻系統(tǒng)一體化設(shè)計方案不僅適用于陸上的柔性直流換流站，更適用于海上風電柔性直流換流站。

對于海上風電柔性直流換流站，換流站冷卻系統(tǒng)的設(shè)計可結(jié)合換流閥冷卻系統(tǒng)、暖通供熱系統(tǒng)、變壓器冷卻系統(tǒng)統(tǒng)一考慮，共用海水冷卻系統(tǒng)。海水冷卻系統(tǒng)一體化設(shè)計原理如圖8所示。

圖8 海水冷卻系統(tǒng)一體化設(shè)計原理圖Fig.8 Schematic diagram of sea-water cooling system integrated design

換流閥和變壓器產(chǎn)生的熱量通過內(nèi)冷卻系統(tǒng)帶走后，再通過淡水板式換熱器傳遞到中間淡水循環(huán)，然后淡水循環(huán)通過海水板式換熱器傳遞給海水。另一方面暖通冷卻水循環(huán)直接將熱量通過海水板式換熱器傳遞給海水帶走。

5 結(jié)語

本文分析了柔性直流輸電換流站換流閥、變壓器等主要設(shè)備外冷卻系統(tǒng)不同的冷卻方式及特點，針對直流工程中廣泛使用的冷卻塔與噴淋水冷卻的方式，提出了一種柔性換流閥與水冷變壓器外冷卻設(shè)備共用噴淋水池與噴淋水處理系統(tǒng)的同套配置優(yōu)化設(shè)計方案，并進行了基于一級一段、一級二段反滲透的噴淋補水處理系統(tǒng)產(chǎn)水量分析計算，該方案具有節(jié)約水資源、減少排污等優(yōu)點。本文提出的柔性直流換流閥與水冷變壓器外冷系統(tǒng)一體化設(shè)計方案可方便換流站的運行維護、綜合管理，符合綠色換流站的發(fā)展理念，可廣泛應(yīng)用于陸上直流輸電換流站與海上風電直流換流站場合。

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