采用冷水機組的換流閥冷卻系統研究

趙盛國

常州博瑞電力自動化設備有限公司

采用冷水機組的換流閥冷卻系統研究

趙盛國

常州博瑞電力自動化設備有限公司

以常規高壓直流輸電換流閥冷卻系統設計為基礎，針對高溫缺水地區常規換流閥冷卻系統外冷配置難以滿足系統正常運行要求的情況，研究采用冷水機組與常規冷卻方式相結合的復合式冷卻方案，提高了換流閥冷卻系統對不同環境條件的適用性，保證了換流閥正常運行。

冷水機組；換流閥冷卻系統；復合式冷卻

1、閥冷系統外冷設備分析

閥冷系統外冷設備主要有以下冷卻形式：

1.1 冷卻塔方式

其原理是通過管外流通的空氣、噴淋水與管內的循環水進行換熱，實現降溫目的。由于換熱過程內冷水始終與外部隔絕，保證了內冷水水質不被污染，提高了內冷系統設備的使用壽命。閉式冷卻塔的耗水量與其工作時間成正比增長，外冷水水質控制也直接影響了換熱盤管的結垢速度，采用加藥方式控制水質帶來環境污染問題，采用反滲透方式控制水質設備費用昂貴、運行維護要求很高。而噴淋水不斷蒸發也使得水池內雜質濃度不斷升高，需要定期排污。上述問題為冷卻塔的使用帶來了諸多限制。

1.2 空氣冷卻器方式

其原理是以空氣作為冷卻介質，通過風機強迫空氣吹掃翅片管外表面，使翅片管內的冷卻水得到冷卻。使用自然空氣作為冷卻介質，相比冷卻塔方式，節約了大量的水資源，減少了運行和維護的工作量，消除了污水排放的問題。但是由于空氣傳熱性能遠比水低很多，因此在相同換熱能力條件下采用空氣冷卻器方式設備占地要大很多，同時由于風機數量龐大，設備整體運行噪聲難以控制也是影響周圍環境的一大隱患。

1.3 冷水機組方式

閥冷系統采用冷水機組設備進行冷卻的方式尚無工程應用，但冷水機組設備在其它行業和領域的應用非常普遍，其技術也較為成熟。冷水機組設備主要包括壓縮機、冷凝器、蒸發器及膨脹閥等，通過壓縮機吸入蒸發制冷后的低溫低壓制冷劑氣體，并將其壓縮成高溫高壓氣體送至冷凝器變為常溫高壓液體；當常溫高壓液體流入熱力膨脹閥，經節流成低溫低壓的濕蒸氣，流入殼管蒸發器，吸收蒸發器內的冷凍水的熱量使水溫度下降；蒸發后的制冷劑再吸回到壓縮機中，重復下一個制冷循環。

冷水機組設備具有安全可靠、結構緊湊、占地小、運行維護方便及環保等優點，但單獨使用時由于換流閥設備所需換熱量大，長期運行耗電量巨大。

2、復合式冷卻方案

針對我國西北地區干旱缺水、環境極限溫度惡劣等條件下，無論采用冷卻塔設備還是空氣冷卻器設備都難以滿足換流閥冷卻系統正常運行要求的情況，提出采用空冷器與制冷主機相結合的復合式冷卻方案，可以有效避免采用單一設備的缺點和弊端。其主要設備包括：主循環泵、三通閥、空氣冷卻器、冷水機組(壓縮機、冷凝器、蒸發器及膨脹閥等)、主過濾器、穩壓裝置、補水系統、去離子回路、配水系統及控制保護系統等。

其工作原理如下：

恒定壓力和流速的冷卻介質，經過主循環水泵驅動，流經三通閥并進入空氣冷卻器，將換流閥組發出的熱量轉移至室外環境，冷卻后的介質再進入換流閥組，帶出熱量后流回到主循環泵入口。冷水機組與空氣冷卻器串聯連接，通過調節手動閥1與手動閥2的開關，可以實現冷水機組的投切，方便對設備進行在線維護。

具體控制策略如下：

1)當環境溫度高于設計高值時(如36℃)，調整三通閥開度使冷卻水全進空氣冷卻器，開啟空氣冷卻器滿負荷運轉仍無法滿足換流閥冷卻要求，空氣冷卻器出水溫度高于要求值，因此需要投入冷水機組運行，其承擔總負荷量約40%～60%的散熱，通過冷水機組冷卻進一步降低冷卻水的溫度，以滿足換流閥組的進水溫度要求。夏季高溫運行期間，基本維持此狀態運行。

2)當環境溫度低于設計高值時(如36℃)但高于設計低值(如20℃)，調整三通閥開度使冷卻水全進空氣冷卻器，開啟空氣冷卻器滿負荷運轉即可滿足換流閥冷卻要求，空氣冷卻器出水溫度滿足要求值，因此不需要投入冷水機組運行。夜間運行或者春秋季節運行時，基本維持此狀態運行。

3)當環境溫度低于設計低值時(如20℃)，調整三通閥開度使冷卻水部分進空氣冷卻器，開啟空氣冷卻器運轉即可滿足換流閥冷卻要求，空氣冷卻器出水溫度滿足要求值，冷水機組長期不需要啟動運行。冬季低溫或者換流閥組低負荷運行時，基本維持此狀態運行。

為使進換流閥組水溫調節平穩，可對空氣冷卻器風機進行變頻調節，同時手動閥1與手動閥2可以采用電動閥根據空氣冷卻器出口水溫自動調節分配至冷水機組的流量。上述措施配合進水溫度的PID調節可實現換流閥組在不同工況、不同季節運行時進水溫度的準確調節，保證溫度波動控制在要求范圍內。

本文研究了換流閥冷卻系統外冷設備配置及復合式冷卻方案，提出的采用空氣冷卻器與冷水主機串聯組合的復合式冷卻方案具有高效節能的特點，能滿足干旱缺水等極端環境條件下換流閥對進閥水溫控制的要求。鑒于閥冷系統的復雜性及應用環境條件的多樣性，針對各種復雜情況設計的閥冷系統深入分析較少，本研究為此提供了一個解決方案，希望能對閥冷系統后續的研究工作起到很好的借鑒作用。

[1]林杉.寒冷地區HVDC外水冷系統傳熱性能研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2015.

[2]董增川，劉凌.西部地區水資源配置研究[J].水利水電技術，2001，32(3)：1-4.

[3]劉重強等.高溫缺水地區換流閥冷卻系統的研究[J].電力工程技術 ,2017,3(4)：47-51.