柔性直流換流閥與水冷變壓器外冷卻系統一體化設計方案

楊柳，張麗，周月賓，侯婷，許樹楷

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

0 引言

直流輸電技術可廣泛應用于遠距離、高電壓、大容量電力輸送，異步電網互聯，新能源并網等場合[1 - 2]。隨著模塊化多電平換流器技術的成熟，柔性直流輸電(voltage source converter-high voltage direct current, VSC-HVDC)技術得到極大發展[3 - 4]。由于柔性直流系統中換流閥的電力電子器件不斷進行開關動作，導致換流閥產生大量熱能，影響換流閥的穩定性、安全性，所以換流閥的冷卻系統設計是保證換流站穩定運行的重要一環。換流閥、變壓器等發熱設備的常用冷卻設備利用風和液態水作為冷卻介質，分為自然冷卻、強制冷卻2種，其中液態水換熱效率高，常常被用于直流輸電冷卻系統中，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，其冷卻方式多采用水-水循環，外冷采用閉式冷卻塔與噴淋水冷卻相結合的冷卻方式，噴淋水處理系統采用一級一段反滲透技術，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種設備的冷卻將產生巨大的耗水量。

本文分析了直流輸電換流站換流閥、變壓器等主要發熱設備外冷卻系統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污水再循環的節水技術，能夠實現節水和較少排污，符合綠色換流站的發展理念。本文也提出了一種直流輸電換流站換流閥、變壓器等主要發熱設備外冷卻系統的一體化設計方式，提高排污回收率，減少水資源消耗，這種一體化外冷卻系統設計方式可廣泛適用于直流換流站、海上風電等發熱設備上。

1 換流閥冷卻方式介紹

1.1 換流閥內冷卻系統

換流閥內冷卻系統包含主循環泵、主過濾器和水處理設備，主要通過冷卻介質的循環把換流閥產生的熱量循環到外冷卻系統，利用外冷卻系統與風或者水進行熱量交換。

1.2 換流閥外冷卻系統

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構并進行相關參數計算。

1.2.1 閉式冷卻塔

閉式冷卻塔(也叫蒸發式空冷器、密閉式冷卻塔或封閉式冷卻塔)是將管式換熱器置于塔內，通過流通的空氣或管外噴淋水與管內循環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、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、安全開關等部件。

如圖1所示，高溫冷卻水進入冷卻塔，在盤管內部流動，熱量通過盤管向外傳遞，盤管外部有持續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，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移過程為：內冷水—冷卻塔內部盤管—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

空氣冷卻器是以環境空氣作為冷卻介質，橫掠翅片管外，使管內高溫工藝流體得到冷卻或冷凝的設備，也稱“空氣冷卻式換熱器”，簡稱“空冷器”。空冷器主要由管束、管箱、風機和構架等主要部分組成。

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在蒸發器內吸收被冷卻物的熱量并汽化成蒸汽，壓縮機不斷地將產生的蒸汽從蒸發器中抽出，并進行壓縮，經冷凝器后冷卻介質放熱冷凝成高壓液體，經節流后進入蒸發器吸收熱量汽化，形成一個密閉的循環系統。

如圖3所示，水冷系統與冷水機組通過板式換熱器進行熱交換，冷水機組蒸發器側的冷凍水與水冷系統的冷卻水在板式換熱器內部進行熱交換，高溫的冷卻水流經板式換熱器后溫度下降進入被冷卻器件，低溫的冷凍水流經板式換熱器后溫度升高進入冷水機組的蒸發器重新降溫，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為例，單套閥冷系統散熱量為5 000 kW，循環水流量為500 m3/h。表2為采用不同冷卻方式的設備選型以及單套閥冷系統的用水、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 換流閥冷卻設備組成與流程

如圖4所示，閥冷系統冷卻介質通過內冷系統主循環泵的提升，進入室外換熱設備(閉式冷卻塔)，將換流閥產生的熱量帶到室外進行熱交換，帶出熱量，冷卻介質冷卻后，循環進入換流閥，形成密閉式循環冷卻系統。通過控制閉式冷卻塔風機的啟動臺數以及風機轉速共同實現冷卻系統循環冷卻水溫度的精確控制要求。

圖4 換流閥冷卻系統原理圖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水作冷卻介質，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冷卻方式，分成一次循環和二次循環，一次循環直接與變壓器設備連接，又稱為油循環，利用冷油帶走變壓器設備產生的熱量，然后經過熱交換器加熱冷卻水，而被加熱的水經過二次循環，利用風或者水再次冷卻。

2.3 水冷變壓器外冷卻設備組成與流程

變壓器水冷卻系統二次循環系統包含內冷系統和外冷系統。內冷系統包含主循環泵，主過濾器、穩壓裝置和與一次循環熱交換的油水換熱器；外冷系統包含外冷散熱設備和管道附件。變壓器水冷卻系統原理圖如圖5所示。

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

3 換流閥與水冷變壓器冷卻系統一體化設計

3.1 外冷卻系統一體化設計方法

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與換流閥的外冷卻系統進行一體化設計，二者可共用噴淋水池和噴淋水處理系統。原理圖如圖6所示。

圖6 換流閥與變壓器外冷卻系統一體化設計原理圖Fig.6 Schematic diagram of integrated design for external cooling systems in converter valve and transformer

3.2 噴淋水處理系統產水量設計

噴淋水處理系統主要設備包括(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、配電及控制設備，系統流程圖如圖7所示。噴淋水處理系統產水量由閉式冷卻塔蒸發水量、外冷水系統排污損失量、閉式冷卻塔風吹損失水量、外冷水系統正反洗及再生耗水量之和確定。

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

閉式冷卻塔蒸發水量根據式(1)進行計算。

(1)

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

外冷水系統排污損失量根據式(2)進行計算。

(2)

式中：Q2為排污損失量，L/s；N為濃縮倍數(參考GB5005—2007《工業循環冷卻水處理設計規范》[11]，循環水濃縮倍數一般取4～4.5。由于本方案循環水采用反滲透膜處理后的產水，循環水中的鈣、鎂離子濃度較低，根據現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式(3)進行計算。

Q3=0.001%Qw

(3)

式中：Qw為循環水量，L/s；數值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]中規定，中小型塔不大于循環水量的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，一般為工業補水流量的1.5～2倍(蒸發量、排污量之和，可以由工業補水流量估算)，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，反滲透回收率設計為70%，則外冷單位時間工業補水量(耗水量)如式(6)所示。

(6)

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

(7)

3.3 噴淋水處理系統產水量計算

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(假設額定容量575 MVA)，其外冷系統散熱功率約為4 500 kW。

換流閥與水冷變壓器共用噴淋補水處理系統后，外冷系統的總散熱功率是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。外冷水系統最大補充水量Q為31.32 m3/h。在實際系統中，噴淋水處理系統可按照產水量32 m3/h設計。

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

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

4 外冷系統一體化設計在海上柔性直流換流站的應用

陸上的柔性直流換流站水冷系統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、結構緊湊，為了節省建造成本，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一體化設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，換流站冷卻系統的設計可結合換流閥冷卻系統、暖通供熱系統、變壓器冷卻系統統一考慮，共用海水冷卻系統。海水冷卻系統一體化設計原理如圖8所示。

圖8 海水冷卻系統一體化設計原理圖Fig.8 Schematic diagram of sea-water cooling system integrated design

換流閥和變壓器產生的熱量通過內冷卻系統帶走后，再通過淡水板式換熱器傳遞到中間淡水循環，然后淡水循環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直接將熱量通過海水板式換熱器傳遞給海水帶走。

5 結語

本文分析了柔性直流輸電換流站換流閥、變壓器等主要設備外冷卻系統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備共用噴淋水池與噴淋水處理系統的同套配置優化設計方案，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產水量分析計算，該方案具有節約水資源、減少排污等優點。本文提出的柔性直流換流閥與水冷變壓器外冷系統一體化設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展理念，可廣泛應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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