海上換流站外冷卻水工裝的研發應用

姚琪 杜波

摘 要：在社會科技發展的今天，能源資源形勢逐漸嚴峻的情況下，各國均將眼光投向了風力資源巨大的海域，我國更加努力發展海上風力發電。海上換流站是世界上最先進的海上風電站，各項設計及研發都是世界上最先進的科學技術。海上換流站用于海上風電柔性直流輸電工程，是海上風電項目的重要組成部分，負責匯聚附近風電場的電能，并將其轉換為直流電，減少能源輸送損耗，輸送至陸上電網。由于目前國家大力扶持，很多企業都加大研發投入，想辦法加快建造周期。其中，外冷卻水工裝能有效完成換流站系統的岸上調試工作，能夠讓海上換流站項目邊生產邊調試，有效縮短海上換流站建造周期，因此得到廣泛需求。

關鍵詞：海上換流站;直流輸電;外冷卻水工裝;建造周期

引言

海上換流站是世界上最先進的海上風電站，各項設計及研發都是世界上最先進的科學技術。為了加快研發和滿足市場需求，其各個環節都在創新研發，工藝提升和工藝改進，以縮短其制造周期。外冷水系統作為換流站的核心系統，是換流站調試和運行的基本保障。換流站在岸上建造調試必須依靠該系統，而其原水泵設置在導管架上，岸上無法滿足其取水條件，大部分海上換流站產品待發運至海上安裝后再進行調試，因而導致整體建造周期長、成本高。為了能夠有效解決該問題，因此研發并應用外冷水工裝。

1 外冷水工裝整體設計布局

換流站的外冷卻水工裝整體設計（圖一），整體思路是利用大功率潛水泵和臨時管路，將長江水引入碼頭施工的換流站外冷水系統，替代產品本身的外冷水系統功能，從而服務于需要調試的設備。

首先，準備2臺潛水泵（一用一備），根據潛水泵外形尺寸，制作其存放箱，將潛水泵安裝在存放箱內。用鋼絲繩將存放箱放入水中適合的深度，將鋼絲繩系固在碼頭纜樁或加固的工裝上，并將潛水泵取水軟管和電源線引出至碼頭系固，這樣就完成了潛水泵的安裝。

其次，在碼頭布置潛水泵軟啟動箱，將潛水泵電源線接入。根據換流站與碼頭的距離，布置兩路適當長度的金屬軟管或硬管，一路與潛水泵和換流站引出的軟管連接，使潛水泵與換流站外冷水進口貫通，注意潛水泵出口設置兩只閘閥，以控制流量以及兩臺泵的切換;另一路與外冷水回水口貫通，引入長江內，形成整個循環回路。

外冷水工裝系統的連接布局（圖二），根據換流站冷卻系統圖中，從圖中的位置將管子斷開，連接到工裝水系統上，保證系統循環。從最后的換流站冷卻水排水位置接入工裝排水軟管連接到排水口。通過照片（圖三）我們可以了解現場實際的連接位置和布局位置，僅供參考。

2 工裝泵的選材

潛水泵是取水工裝系統核心組成，合適的潛水泵選型，才能滿足該系統的調試需要。潛水泵的流量和揚程是決定是否滿足使用的主要兩個重要參數。我們以三峽如東海上柔直換流站為例。

首先該換流站設計外冷水系統循環參數（表一），四臺泵總運行時海水循環額定流量是1900450m3/h，因調試時可單設備獨立操作，因此一臺泵運行即可，所以可以確定潛水泵流量需達到450m3/h以上，才可以滿足該系統調試。

潛水泵揚程的選型更加重要，因為換流站建造用的胎架及換流站上部模塊本身高度較高，如揚程不夠，直接影響使用效果。泵的揚程計，即

H=（p2-p1）/ρg+（c2^2-c1^2）/2g+z2-z1

式中 H——揚程，m;

p1，p2——泵進出口處液體的壓力，Pa;

c1，c2——流體在泵進出口處的流速，m/s;

z1，z2——進出口高度，m;

ρ——液體密度，kg/m3;

g——重力加速度，m/s2。

通過實地測試相關數據可以算出需要揚程40m，因此我們選材下圖結構的潛水泵（圖四），型號為AT450QHB500-50/2。

潛水泵主要參數：

（1）流量：500m3/h.

（2）揚程：50m。

（3）電源：480V 60Hz

（4）轉速：1750r/min

換流站外冷水系統的設計要求流量為450m3/h，揚程30m，所以通過以上參數，可以明確選用的工裝泵各參數可以滿足外冷卻水系統調試要求。我們采用兩臺，一用一備，以交替使用，以免長時間單臺使用造成故障，同時延長潛水泵使用壽命。

由于江水中泥沙等浮游垃圾較多，為了防止潛水泵泵入口以及管路系統堵塞，需在潛水泵的取水口增加濾網，將大部分大顆粒雜質進行初步過濾，同時，在潛水泵的出口管路上設置濾器，達到二次過濾的作用。如果海上換流站的建造場所靠近海洋，為了防止海水微生物滋生，還需在存放箱上安裝防海洋生物裝置。

3 外冷水工裝的實際運用

海上換流站的外冷卻系統主要用于對換流閥、主變壓器、空調這三大設備的內冷系統進行冷卻。該產品配置的海水泵安裝在導管架上，取水口設置于海水面以下，頂部固定在泵房安裝底座上。海水泵提升海水與淡水循環系統的循環水在換熱器內進行熱交換，降低進閥水溫。海水泵的設計流量兼顧換流閥、換流變及空調系統的需求。

換流閥內冷卻水系統吸收換流閥的熱量后溫度上升，升溫后的熱水由循環水泵驅動進入換熱器 ，在換熱器內與中間淡水循環系統中的冷卻水通過非接觸的方式進行熱量交換，降溫后的內冷卻水回至換流閥，升溫后的冷卻水再通過非接觸的方式與海水進行熱量交換，升溫的海水排入大海，如此周而復始地循環。

主變壓器的絕緣冷卻油吸收換流變的熱量后溫度上升，升溫后的絕緣油由驅動裝置加壓進入換熱器，在換熱器內與中間淡水循環系統中的冷卻水通過非接觸的方式進行熱量交換，降溫后的絕緣油回至換流變，升溫后的冷卻水再通過非接觸的方式與海水進行熱量交換，升溫的海水排入大海， 如此周雨復始地循環。絕緣油的溫度上限值應由換流變廠提供。

空調系統冷卻水吸收空調嶺媒的熱量后溫度上升，升溫后的冷卻水由驅動裝置加壓進入換熱器，在換熱器內 與外冷卻水進行熱量交換，如此周面復始地循環。

綜上系統原理，我們可以知道設備調試前，需要將冷卻水送到后，才可以開啟設備調試，不然會因熱量導致損壞設備。因此系統調試前，整套外冷水工裝的安裝是否可靠尤為重要，必須將管路法蘭、設備等連接件螺栓擰到規范要求的扭力，管路密性試驗合格。控電箱以及電源線絕緣正常，線路施工連接正確等。整套工裝正式運行前，必須形成檢查清單，待逐一檢查簽字后，啟動工裝潛水泵。過程中觀察系統的各項動態參數是否正常，并且保持專人全程監護。

外冷水工裝運行過程中注意事項：

（1）潛水泵必須時刻潛入水中，不能因潮水的退去露出水面，以免潛水泵發熱損壞潛水泵，或者抽不到水，導致換流站系統設備損壞。

（2）當壓力過大或者過低時，開啟系統旁通閥，調節好系統壓力。

（3）系統使用時要記錄各個時候的數據，提供后續提供使用。

（4）工裝系統運作周圍不能有施工作業，避免水壓泄露傷人，做好監護工作。

4 結語

大力發展風電產業是國家實現“雙碳”目標的重要舉措，在加速我國經濟和能源轉型方面有著舉足輕重的重要意義，而海上換流站是世界上目前最先進的海上風電站，因此其建造在技術創新和工藝改進上，要求更高、意義更大。海上換流站外冷水工裝的應用，直接將海上調試工作周期前移至岸上完成，大大縮短了整體建造周期。同時，該套工裝的成功應用也為船舶、海工等行業的產品制造提供了借鑒依據，提升了企業在該領域的競爭力。

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作者簡介：

姚琪（1981-），男，江蘇南通人，工程師，上海振華重工集團股份有限公司，船舶機械制造裝置，主要從事海工及船舶施工及技術管理。