高溫缺水地區換流閥冷卻系統的研究

劉重強， 張恩龍， 陳緒勝，文玉良

(廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東 廣州 510663)

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高溫缺水地區換流閥冷卻系統的研究

劉重強， 張恩龍， 陳緒勝，文玉良

(廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東 廣州 510663)

基于傳統的高壓直流輸電換流閥用密閉式循環水冷系統，結合高溫缺水地區環境條件，研究采用冷水機組、蓄冷與空氣冷卻器組合的復合式冷卻方式，并根據不同的環境溫度給出了相應的冷卻策略，對復合式冷卻方式在不同環境條件下的應用進行分析，通過試驗來驗證分析結果，實現了根據進閥溫度要求進行相對應的空冷器、制冷機組以及蓄冷罐放冷的逐級加載和反向卸載功能，使系統運行更加合理，邏輯控制更加直接，自動化程度更高，可靠性更強，提高了換流閥閥外冷設備對環境溫度的適應性，保證了直流輸電換流閥正常工作。

高溫缺水； 冷卻系統； 換流閥； 冷水機組

0 引言

換流閥是直流輸電工程的核心設備，換其核心部件是晶閘管[1,2]，它在運行時會產生大量的熱，為保證元件的正常使用和防止其老化，需要對其配置冷卻系統，進而保證換流站的正常運行[3]。目前國內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。當采用水冷卻方式時，一般采用冷卻塔；當采用空氣冷卻方式時，一般采用空氣冷卻器[4,5]。然而在我國西部地區，存在著晝夜溫差大、環境極限溫度高、水資源匱乏等情況[6]，無論采用空氣冷卻器還是冷卻塔設備都難以滿足冷卻系統正常運行要求。因此需要研究一種適用于高溫缺水地區的換流閥冷卻系統，它能夠與現有的常溫環境冷卻設備、極端低溫外冷設備形成互補，為高壓直流換流閥冷卻提供全套的解決策略，促進我國直流輸電工程的發展。

1 密閉式循環冷卻系統

冷卻系統按照供水方式的不同可分為直流供水系統和循環供水系統[7]，按照運行方式可分為開放式系統和密閉式系統，按照冷卻介質可分為普通水冷卻系統和純水冷卻系統。從節能減排的角度以及對冷卻介質的特殊要求來考慮，換流閥水冷系統一般采用密閉式循環純水冷卻系統[8]。它包括內冷系統、外冷系統、輸配水系統及控制系統，其中內冷系統包括主循環冷卻回路、去離子水處理回路、穩壓系統、輔助系統；外冷系統包括純水軟化裝置、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(主要為純水)經主循環泵升壓后，通過管道系統進入室外散熱單元(空氣冷卻器或閉式冷卻塔)，與室外空氣或水等冷媒進行熱交換后進入換流閥，帶出換流閥高功率密度器件熱量，升溫后的冷卻介質流經脫氣罐，回到主循環泵入口，形成密閉式循環冷卻回路。部分冷卻介質經離子交換器形成去離子提純回路，保持冷卻介質絕緣性。

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

2 外冷系統冷卻策略

2.1 閉式冷卻塔

在我國南方地區直流輸電換流閥外冷卻設備一般選擇閉式冷卻塔[9]。在閉式冷卻塔中，循環水流過管內，通過管壁將熱量傳給管外的噴淋水，噴淋水通過蒸發散熱，將熱量傳遞給空氣。閉式冷卻塔是將管式換熱器置于塔內，通過管外流通的空氣、噴淋水與管內的循環水換熱，實現降溫目的[10]。由于循環水是閉式循環，能夠保證水質不受污染，很好地保護了主設備的高效運行，提高了使用壽命。

2.2 空氣冷卻器

換流閥外冷卻設備所用的空氣冷卻器屬于翅片管換熱器，一般采用不銹鋼無縫鋼管和鋁翅片，也稱作空氣冷卻換熱器，簡稱空冷器[11]。它由若干多支翅片管按照一定的排布規律排列而組成的，換熱單元叫做翅片管束。翅片管束由3部分組成：翅片管、管箱和構架。它以環境空氣作為冷卻介質，風機強制空氣橫掠翅片管外，使管內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，節約了寶貴的水資源，減少了工業污水的排放，保護了自然環境。

2.3 冷水機組制冷

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

2.4 組合式外冷卻設備

圖2 設計方案溫度狀況Fig.2 Design scheme of temperature condition

電力行業中素有 “削峰填谷”說法，即在電力需求量少的時候的電用于高峰期[15，16]。對于密閉式循環冷卻系統的外冷換熱也可采用削峰方式進行，其原理如圖 2所示。一般情況下的空氣散熱器設計溫度按環境極限溫度t2進行，冷卻對象溫度t4，假設散熱設備設計溫差為Δt，則設計環境極限溫度為t2；如冷卻對象出水溫度為t3，則按該設備冷卻水溫度設計的溫差為Δt，設計環境極限溫度為t1；采用制冷的方式將高于t1的熱能散走，達到削峰目的。依據換流閥熱阻分析，換流閥散熱受節溫和環境溫度影響[17]，對于常規的換流閥Tj是一定的，Ta存在最大值，如果夏季環境溫度較高超過常規空氣冷卻器設計極限環境溫度Ta就會出現冷卻能力不足。當環境溫度較高且水資源較為缺乏時，無法單獨采用空氣冷卻器或閉式塔滿足換熱和運行要求，本文提出一種空氣冷卻器加冷水機組冷卻的組合冷卻方式，可以很好適應高溫缺水的使用環境。

3 組合式外冷卻設備的應用分析

3.1 運行原理

冷水機組輔佐空氣冷卻器典型配置原理如圖3所示。冷卻系統已經略去離子回路，在此基礎上增加了風冷冷水機組進行輔助冷卻。風冷冷水機組主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥、緩沖罐、水泵和換熱器組成。

圖3 冷水機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

其工作原理及其過程為恒定壓力和流速的冷卻介質，經過主循環水泵源源不斷地流經三通閥1，進入外冷設備(空氣冷卻器)，將被冷卻器件發出的熱量在室外與空氣進行熱交換，冷卻后的介質再進入換流閥，帶出熱量，回流到主循環泵入口，形成密閉式循環冷卻系統。當環境溫度高于某一設定值時，例如38 ℃，空冷器無法完全滿足冷卻要求，冷水機組啟動，調整三通閥2，風冷式空氣冷卻器滿負荷運轉，總負荷量余下的30%～70%由風冷式冷水機組完成。通過風冷式冷水機組冷卻進一步降低冷卻水的溫度，以滿足換流閥的進水溫度要求。通過增加蓄冷裝置可以實現高效節能。當夏天氣溫高于某一設定值時，例如40 ℃，風冷式空氣冷卻器與冷水機組同時工作，剩下一部分冷卻功率由蓄冷罐提供，當夜間溫度較低時，蓄冷罐將儲存的熱量釋放到外界環境中。

3.2 系統控制

根據時間和環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

根據給定的控制策略，分別介紹不同模式下的外冷系統控制方式。

(1) 空氣冷卻器冷卻及冷水機供冷。在本工況下，兩級板式換熱器熱側進口閥門關閉，兩級板式換熱器熱側旁通閥門打開，冷卻水不經過板式換熱器。冷凍水側除了冷水機組供冷回路相應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閉。若空氣冷卻器或水冷卻系統出現故障，而其余空氣冷卻器全負荷運行，當進閥溫度>40 ℃時，則立即進入冷水機組與蓄冷罐的聯合供冷模式，并發出相應的故障報警信號，故障排除后返回原運行模式。

(2) 空氣冷卻器及冷水機聯合供冷。在本工況下，蓄冷回路和水蓄冷罐供冷回路關閉；板式換熱器冷側的冷凍水進口閥門調節流量，通過PID表控制閥體進水溫度35～40 ℃；環境溫度35 ℃，保持空冷器全開，打開第一級板式換熱器熱側冷卻水進口閥門，并關閉對應的旁通管道閥門，冷卻水流經第一級板式換熱器。

(3) 空冷器和冷水機組及水蓄冷罐聯合供冷。在本工況下，當環境溫度40 ℃，保持空冷器和冷水機組供冷全滿負荷運行，打開第二級板式換熱器熱側冷卻水進口閥門，并關閉對應的旁通管道閥門，冷卻水流經第二級板式換熱器；環境溫度40 ℃，水蓄冷罐進出口閥門打開，釋冷水泵開啟，結合水泵旁通閥門和水泵變頻調節流量，通過PID表控制閥體進水溫度35～40 ℃；并監測水蓄冷罐回水溫度。監測水蓄冷罐內不同液位的冷凍水溫度，計算并模擬顯示水蓄冷罐內冷量的變化；在此工況下，蓄冷回路閥門關閉。

(4) 空氣冷卻器單獨冷卻及蓄冷罐蓄冷。在本工況下，換流閥閥冷卻水僅通過空冷器散熱；環境溫度30 ℃，監測水蓄冷罐溫度情況，如需蓄冷則開始進入蓄冷模式。通過閥門關閉切換使冷水機組串聯，相應的蓄冷水泵串聯。釋冷水泵保持關閉，水蓄冷罐進出口閥門打開，蓄冷水泵開啟，然后冷水機組啟動；調節冷水機組啟停和能量輸出，PID監控水蓄冷罐下部進水溫度4～5 ℃；監測水蓄冷罐內不同液位的冷凍水溫度，計算并模擬顯示水蓄冷罐內冷量的變化；當水蓄冷罐出水溫度(最高位置溫度傳感器)達到7 ℃后連續超過15 min，蓄冷結束。在此工況下，冷水機組供冷及水蓄冷罐供冷回路關閉。

4 結果分析

組合式外冷卻設備連續運行情況如圖5所示。測試時間是在廣州的12月份，環境溫度較低，而且受到熱負荷裝置最大容量為100 kW的局限，實際測試時關閉了空冷器風機，主要對冷水機組供冷、蓄冷罐放冷進行了輔助冷卻的測試。測試時根據實際環境溫度對各模式工況進行了設定，即模式1對應環境溫度為7～10 ℃；模式2對應環境溫度為10～16.5 ℃；模式3對應環境溫度為16.5～35 ℃；模式4對應環境溫度為0～35 ℃。結合實際運行情況，人為投入合適大小的熱負荷量，對各主要運行模式的冷卻效果及自動控制進行測試，測試情況及結果基本正常。

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

通過對水冷裝置實際連續運行試驗測試，對個別模式下出現的問題進行了總結和調整，主要包括緩沖罐出水溫度浮動問題，蓄冷水罐供冷時關于進閥溫度和蓄冷罐回水溫度控制問題，熱負降低后模式卸載和模式退出控制問題，模式切換問題等。綜合分析上述問題，擬對原定的4種模式進行整合，統一整合到一個新的模式下，避免主要依據環境溫度分為多個模式控制復雜的情況，主要根據進閥溫度要求進行相對應的空冷、制冷以及蓄冷罐放冷的逐級加載和反向卸載功能，使系統運行更加合理，邏輯控制更加直接，自動化程度更高，可靠性更強。

5 結論

本研究解決了高溫缺水地區大功率高壓直流換流閥冷卻技術難題，為我國西部地區的直流輸電工程換流閥的正常運行提供保障。研究了采用冷水機組、蓄冷與空氣冷卻器等組合的復合式冷卻方式，并根據不同的環境溫度給出了相應的冷卻策略，與現有的常溫環境冷卻策略、極端低溫外冷冷卻策略形成互補，為高壓直流換流閥冷卻提供的系列化、規范化、標準化的全套解決策略，提升了我國高壓直流換流閥的技術性能，使我國的換流閥及其水冷設備能夠走出國門，趕超國外的先進技術，參與世界范圍內的直流輸電市場競爭。

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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

廣州市科技計劃產學研協同創新重大專項(201508030019)；廣州市產學研協同創新重大專項(201604010006)

TM723

A

2096-3203(2017)04-0054-05

劉重強

劉重強(1982—)，男，湖北棗陽人，工程師，研究方向為電力電子行業水冷系統新產品的研發(E-mail： liucq@goaland.com.cn)；

張恩龍(1979—)，男，山東單縣人，高級工程師，研究方向為電力電子行業水冷系統新產品的研發(E-mail： zhangel@goaland.com.cn)；

陳緒勝(1974—)，男，湖北天門人，工程

師，研究方向為電力電子行業水冷系統新產品的研發(E-mail： chenxs@goaland.com.cn)；

文玉良(1972—)，男，湖南邵陽人，高級工程師，研究方向為電力電子行業水冷系統新產品的研發(E-mail： wenyl@goaland.com.cn)。