直流輸電換流站防凍棚熱設計及其工程應用

冷明全，文玉良，吳安兵，周建輝，劉重強

(1. 廣東工業大學 材料與能源學院, 廣東廣州510643；2. 廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東廣州510663; 3. 國網智能電網研究院，北京102209)

直流輸電換流站防凍棚熱設計及其工程應用

冷明全1,2，文玉良2，吳安兵2，周建輝3，劉重強2

(1. 廣東工業大學 材料與能源學院, 廣東廣州510643；2. 廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東廣州510663; 3. 國網智能電網研究院，北京102209)

對某特高壓直流輸電換流站外冷防凍棚結構設計進行了研究，介紹了防凍棚總體設計及外形設計方案，通過對防凍棚載荷及鋼結構設計進行分析，提出了換流站防凍棚設計優化措施；通過對空冷器外部空氣流動傳熱特性進行CFD仿真分析，得到了不同風速及防凍棚高度下的熱風回流率，并通過進行成本分析和熱設計校核分析，發現安裝防凍棚后可有效防止熱風回流，使低端閥組空冷器進風溫度降低3 ℃，并最終確定防凍棚最優設計高度為6 m。

特高壓換流站；防凍棚；結構設計；熱設計

0 引言

對于西北、東北、華北地區，±800 kV及以上特高壓直流換流站閥外冷系統采用空冷為主，夏季閉式蒸發冷卻塔輔助水冷的布置方案。我國西北地區自然環境惡劣，溫差大、風沙強，冬季溫度控制不當極易導致外冷設備閥門滲漏、管道破裂，嚴重時將導致直流輸電系統長時間停運，如何提高外冷系統的防凍能力成為換流站運行維護中面臨的一個新的重要課題[1-4]。盡管國內已有相關設計人員對閥廳及哈密南±800 kV換流站換流閥外冷采用了空冷器保溫室的結構設計進行相關研究[5-8]，但在實際運行中，保溫室出現了過熱問題，夏季高溫季節防凍棚與閥廳之間局部溫度過高，使閥外冷系統冷卻效果大大降低。經分析，這部分高溫空氣位于空冷器出口附近，因此又由風機吸回了空冷器入口，出現“熱風回流”現象。

本文針對上述出現的熱風回流問題進行分析和模擬，首先對防凍棚在不同自然風速及防凍棚高度條件下熱風循環特性進行模擬分析并確定了防凍棚最優高度，并對防凍棚最優高度進行熱設計校核分析，其次在此基礎上進行了防凍棚總體設計包括外形設計、載荷設計分析和鋼結構設計分析等，最后提出防凍棚結構設計優化措施。設計了換流閥輔助(空冷)系統一體化外冷防熱風循環及保溫結構(以下簡稱防凍棚)。

1 防凍棚防熱風循環仿真分析

1.1 回流率

防凍棚防熱風循環效果好壞主要以回流率來評價，回流率定義為空冷器進風中所含有的由空冷器排出又重新吸入空冷器進口的空氣質量流量與空冷器入口處的總質量流量的比值。對電站空冷器已有研究表明：環境風速越高，空冷器迎面風速越小；回流率隨環境風速的增加先增加后降低[9-12]，空冷器高度一定時，風速是影響機組背壓主要因素之一[13]。

1.2 防凍棚物理數學模型

1.2.1 物理模型

圖1為靠近控制樓側空冷器的熱風循環示例，空冷器出來的熱風由于受到周圍建筑物的阻擋，導致部分熱風回流至空冷器的進風處，進而導致進風溫度升高，降低了空冷器的換熱效率。

圖1 空冷器熱風回流示意圖

根據圖1，將空冷器、防凍棚和控制樓建成如圖2的二維仿真模型。

圖2 防熱風循環二維模型圖

1.2.2 結果分析

圖3為不同風速、不同防凍棚高度與回流率的變化關系。

圖3 不同高度的空氣回流率

由圖3可得：

(1)防凍棚高度一定，熱風回流率隨著環境風速的增加不斷下降，而且下降趨勢是逐漸變緩，環境風速一定，熱風回流率隨著防凍棚的增加不斷降低。

(2)當環境風速為0.5 m/s，防凍棚高度2 m時，熱風回流率為0.31；當防凍棚高度為6 m時，熱風回流率為0.019，說明防凍棚的存在能大大減弱熱風回流。如圖4所示。

圖4 防凍棚高度影響回流率

2 防凍棚總體設計

當防凍棚的高度確定后，可以進行防凍棚的整體設計。防凍棚由不銹鋼卷簾模塊(含保溫層)、夾心彩鋼板維護結構、不銹鋼卷簾模塊驅動裝置、鋼結構、檢修電源箱及照明、管道保溫結構等組成。

2.1 總體設計說明

(1)考慮與空氣冷卻器整體設計，外形上融為一體、不增加外冷的占地面積。

(2)載荷考慮重力載荷、地震作用(地震設防烈度為8度，按9度構造措施設計)、風載荷、雪載荷、偏心載荷、局部載荷、沖擊載荷、溫差應力和其他機械載荷。

(3)防凍棚框架采用Q235B鋼制成，主要受力構件應為D級鋼材，其他不低于B級，采用堿性焊條。鋼結構之間的連接用螺栓采用熱浸鋅高強螺栓，腐蝕裕量的最小值為3 mm。

2.2 防凍棚外形結構方案對比分析

考慮目前防凍棚設計存在的問題，本文共提出2種防凍棚外形結構方案，如圖5、圖6所示。

圖5 方案1 防凍棚外形設計

圖6 方案2 防凍棚外形設計

(1)方案1：空冷器外緣支撐柱設計在最外側，作為防凍棚的主要支撐，冷卻塔不在防凍棚內。

(2)方案2：空冷器外緣支撐柱設計在最外側，作為防凍棚的主要支撐，為避免冷卻塔盤管在冬季結凍，冷卻塔放置在防凍棚內。

2種方案的對比分析如表1所示。

表1 2種防凍棚外形設計方案對比分析

通過表1對比分析，方案2防凍棚外形設計最優并滿足實際工程需要。

3 防凍棚結構設計及校核分析

3.1 防凍棚最優高度校核分析

3.1.1 防凍棚三維分析模型

(1)將控制樓、閥廳、空氣冷卻器、防凍棚和換流變防火墻抽象出立方體的幾何模型。

(2)假定空氣冷卻器平面高度一定，并均勻分布在同一高度的防凍棚內，換熱功率為額定冷卻功率。

(3)防凍棚總高度為12.398 m，凈高度為6 m。

(4)空冷器的風速，每組空冷器62.47 kg/s，進風溫度(環境溫度)為38 ℃，出風溫度為44.5 ℃，風速為6.02 m/s，共8組。

(5)加上防凍棚以后，防凍棚總高度達到了12 m，已經超過了換流變防火墻的高度，因此只考慮吹向控制樓方向的風向。

3.1.2 結果分析

圖7、圖8為換流站高端室外空氣冷卻器安裝防熱風循環裝置后四周速度分布及溫度分布。

圖7 防熱風循環與閥廳流速矢量分布圖

圖7中箭頭代表速度運動矢量方向，可知自然風吹過空冷器后，一部分自然風被控制樓擋住后向兩側流動，由于防凍棚存在，熱風回流現象不明顯。

由圖8、圖9可知：熱風循環跟空冷器的擺放位置相關，低端閥組空冷器處于熱風循環區時，不加防凍棚的空冷器受熱風循環影響較大，進風溫度高于環境溫度約3 ℃；高端閥組處于熱風循環區時，不加防凍棚的空冷器受熱風循環影響較小，進風溫度高于環境溫度約1.5 ℃。加上防凍棚以后，進風溫度與環境溫度相差不大，未形成熱風循環。

圖8 增加防凍棚前后空冷器與控制樓之間環境溫度比較

圖9 靠近控制樓處增加防凍棚前后的溫度比較

3.2 防凍棚載荷設計

3.2.1 設計風速及風壓

根據鹽池氣象站共 55 年歷年最大風速資料系列，并將1970 年之前的定時最大風速換算為自記最大風速，然后采用極值Ⅰ型法統計計算為：50年一遇10 m高10 min 平均最大風速為25.4 m/s；100年一遇10 m高10 min平均最大設計風速為27.2 m/s。按照《電力工程氣象勘測技術規程》DL/T5158—2012，將氣象站風速乘以1.05 的系數作為換流站設計風速，即50年一遇10 m 高10 min 平均最大風速為26.7 m/s；100年一遇10 m 高10 min 平均最大設計風速為28.6 m/s。

3.2.2 設計積雪深度及雪壓

根據鹽池氣象站共57 年歷年最大積雪深度，采用極值Ⅰ型法統計計算，50年一遇最大積雪深度為12.6 cm，相應雪壓為0.15 kN/m2。根據建筑結構荷載規范的要求，鹽池50年一遇雪壓為0.30 kN/m2，最終確定換流站50年一遇雪壓采用0.30 kN/m2。

3.3 防凍棚鋼結構設計

根據初步設計校核計算，結構設計采用單層鋼框架結構：主梁HW450×200；次梁HW200×200；屋面水平支撐L75×5；鋼柱HW350×350；空冷平臺梁HW150×150；空冷平臺柱HW175×175。每套空冷器的運行重量均勻加載在空冷器安裝位置的H 型鋼部分。卷簾門重量均勻加載在安裝梁H 鋼200×200 上。

根據計算分析模型進行檢驗，檢驗結果表明，結構能夠滿足承載力計算要求，應力比最大值為0.89，如圖10所示。圖11為總體應力比分布圖。

圖10 防凍棚總體應力設計驗算

圖11 應力比顯示

4 防凍棚設計優化措施

與以往工程相比，本工程采取了以下措施來優化防凍棚的設計：

(1)空冷器與防凍棚采用一體化設計，外觀為一個整體，空冷器鋼結構與防凍棚鋼結構受力分開，互不影響，避免產生共振效應。

(2)通過空冷器四周增加壓型鋼板墻面，減少空冷器出風受建筑影響回流的熱風循環情況，提高了空冷器在夏天高溫下的換熱效果。

(3)增加了空冷器進風高度，進風處僅有防凍棚和空冷器鋼構立柱。進風面積基本等于空冷器平面面積，大于一般設計值(0.7倍平面面積)。通風效果好，未因增加了防凍棚而影響空冷器進風。

(4)空冷器正下方的混凝土地面整體高出室外地坪，防止風沙進入空冷器正下方，減少風沙被空冷器吸入影響翅片換熱。

(5)屋頂電機改為平臥式，占用空間小，相應屋面檢修走道標高降低，檢修平臺及走道未完全突出頂部。

(6)增加卷簾門的鑲入深度，加強卷簾門導軌強度及其固定強度，采用硅膠密封材質，減少單個卷簾門的跨度，消除了異響。

5 結論

防熱風循環及保溫結構能滿足在室外100年一遇的最大風速和最大降雪條件下，結構能夠保持強度穩定，長期運行可靠。防凍棚充分吸取了以往工程的應用經驗，利用空氣冷卻器與防凍棚一體化設計，通過熱仿真模擬及成本分析確定防凍棚最優設計高度為6 m，通過熱設計校核分析，發現安裝防凍棚后可有效防止熱風回流，使低端閥組空冷器進風溫度降低3 ℃，在環境溫度較高時期提高了空冷器的換熱效率，保障了外冷設備運行可靠性。通過熱校核分析、載荷分析及結構分析，該站防凍棚的結構設計合理、減小了防凍棚占地面積，能夠滿足外冷設備的運行要求和防凍要求。

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HVDC Converter Station Anti-freezing Building Design and Project Application

LENG Mingquan1,2, WEN Yuliang2, WU Anbing2, ZHOU Jianhui3,LIU Chongqiang2

(1. School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510643,China; 2. Guangzhou Gaoland Energy Conservation Tech.Co.Ltd., Guangzhou 510663,China;3. State Grid Smart Grid Research Institute, Beijing 102209,China)

The structure design for a cold freezing shed of a HVDC converter station was studied and optimization measures were put forward as well. The hot air recirculation rates under different air speeds and different heights of the anti-freezing shed were achieved via analysis of the outside air heat transfer characteristics of the air cooler using CFD simulation. Through cost analysis and thermal design analysis, the fact that the installation of antifreeze can effectively prevent shed after reflow is found, and the inlet air temperature of the low-end valve group air cooler drops by 3 ℃. The optimal design height of the anti-freezing shed is determined with the value 6 m eventually.

HVDC converter station; anti-freezing building; structural design; thermal design

2016-08-08。

廣州市科技計劃項目(201508030019)。

冷明全(1971-)，男，碩士研究生，主要研究方向為高壓直流輸電換流閥冷卻設備研究，E-mail：lengmq@ goaland.com.cn。

TM621

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.12.012