高壓直流輸電中閥冷卻系統的研究

0閥冷卻系統的研究現狀基于這種特點，高壓直接供電技術在我國得到了迅速發展，是“西電東送”戰略實施的首選。據統計,目前已規劃的高壓直流輸電工程多達50余項,包括了30多項特高壓直流工程。高壓直流輸電中最核心的技術設備是換流閥,與之配套的冷卻系統直接關系著整個換流閥能否安全穩定運行。因此,閥冷卻技術在我國不同環境地區的應用,將推動我國高壓直流輸電技術的發展。隨著高壓直流輸電技術的不斷發展,特別是特高壓直流輸電工程的推廣,換流閥及其輔助設備工作時產生的熱量越來越大,同時,對閥冷卻系統的要求也越來越高,具體體現在要求的冷卻容量越來越大、冷卻水流量越來越高、要求的進閥水溫度越來越低等幾個方面。此外,我國西北地區具有干旱缺水、夏季炎熱、冬季寒冷、晝夜溫差大,以及大風、沙塵暴等惡劣天氣的特點,使得閥冷卻系統在該地區運行時存在換熱效率低、耗能極大、使用壽命短等問題,無法滿足換流閥正常運行。這些因素不僅給閥冷卻系統的可靠運行帶來極大風險,也直接限制著閥冷卻系統的應用范圍。目前,針對換流閥冷卻系統的相關研究比較少,大多集中在對閥冷卻系統進行故障分析和改造等方面。此外,劉輝根據自己的工程設計經驗和已有研究成果,給出了換流閥冷卻系統具體的選型依據,并提出高寒地區換流站閥冷卻系統采用空氣冷卻器較為適宜,但是,并未考慮西北地區極端氣候環境等因素對閥冷卻系統設計造成的影響,同時也存在較高的能耗和水耗等問題。鑒于此,結合哈密地區氣候環境的特點,開發出一種超低能耗運行的換流閥冷卻系統。該系統不僅能夠充分利用當地環境特點,在不同環境下選擇不同的運行模式,且在環境溫度較高、晝夜溫差較大時,實現閥冷卻系統夜間蓄冷、白天釋放冷量的循環蓄冷功能,同時具備超低能耗和水耗的特點。1循環冷卻水冷卻換流閥冷卻系統由內冷系統和外冷系統組成。其中,內冷主要是去離子水循環冷卻;外冷主要有水冷和空氣冷卻兩種方式,與之相對應的冷卻設備分別為閉式冷卻塔和空冷器。閥冷卻系統的工作原理:冷卻水在室內換流閥熱交換器內吸熱升溫后,由循環水泵驅動進入室外冷卻裝置中進行冷卻,降溫后的冷卻水再由循環水泵送入室內,從而達到循環冷卻的目的。常規的換流閥冷卻系統如圖1所示。換流閥冷卻裝置主要由主循環泵、穩壓裝置、旁路水處理裝置、補水裝置和室外換熱設備等組成。其中,主循環泵是換流閥一次冷卻水循環的動力源;穩壓裝置是系統穩定運行的必要前提和基礎;旁路水處理裝置是保證一次冷卻水水質滿足換流閥要求的必須設備;補水裝置是在系統水量不足時必要的補充設施;室外換熱設備是保證換流閥冷卻要求的核心和基礎,如果缺失該部分將導致整個閥冷卻系統失效。2閥冷卻系統結構設計西北地區極端的氣候環境條件,導致常規的閥冷卻系統在該地區運行時受到限制,主要包括:冷卻性能良好且耗水量較大的閉式冷卻塔在該地區無法使用;由于換流閥的輸送功率極大,對最大進閥水溫度的要求越來越低,而在炎熱夏季時,單純使用空冷器無法將去離子水冷卻到環境溫度或環境溫度以下,并且會導致閥冷卻系統能耗劇增;西北地區酷寒的冬季可能會使換熱面積較大的冷卻器結凍,導致閥冷卻系統可靠性降低,同時給換流閥的正常運行帶來極大風險。因此,閥冷卻系統在設計時不僅要考慮冷卻容量、進出閥水溫度、冷卻介質類型及額定流量等參數,還要考慮環境條件對閥冷卻系統的影響。鑒于此,設計一種適用于在西北地區運行的換流閥冷卻系統,其在滿足換流閥正常運行的前提下,能夠根據進閥水溫度和環境溫度的不同,選擇相應的閥冷卻運行模式,最大限度減少不必要設備的運行,從而達到節能的目的。系統原理如圖2所示。閥冷卻系統中包含板式換熱器、蓄冷主循環泵、蓄冷水池、蓄冷空冷器以及水-風板翅式換熱器等設備。其中,板式換熱器是換流閥周圍環境溫度較高時的輔助冷卻設備;蓄冷主循環泵是蓄冷和輔助冷卻的動力源;蓄冷空冷器與蓄冷水池的功能分別是依靠風機強制通風冷卻蓄冷水和儲存冷量,而水-風板翅式換熱器則是依靠自然風冷卻并儲存冷量。系統工作原理:當周圍環境溫度低于系統設定值的最小值時,要求閥門V01打開,而V02和V03處于關閉狀態,此時,冷卻水在換流閥內吸熱升溫后,在循環水泵的驅動下進入內冷空冷卻器內,然后通過變頻調速風機驅動室外空氣,使其以沖刷換熱盤管的翅片管表面的方式對循環水進行冷卻,最后主循環泵將降溫后的循環水再次送至換流閥內,從而實現循環冷卻的目的;當周圍環境溫度較高時,要求閥門V01關閉,V02和V03均處于打開狀態,系統在內冷空冷器出口端的旁通回路中設置一臺板式換熱器,使內冷循環水流入板式換熱器與外冷蓄冷水進行熱交換,實現內循環水的冷卻。其中,外冷蓄冷水是取自地下一定深度水池中的自來水。當晝夜溫差較大或夜間環境溫度極低時,要求V04和V05打開,此時,在外冷循環水泵的驅動下,蓄冷水將被送入蓄冷空冷器和水-風板翅式換熱器進行蓄冷。如此操作,不僅可以實現閥冷卻系統在夜間蓄冷,白天釋放冷量的功能,同時也降低整個系統的能耗。3系統的運行模式由于換流閥對進閥水溫度有著嚴格的要求,溫度過高或過低都將影響換流閥的正常運行。因此,在設計時綜合考慮了進閥水溫度、環境溫度等其它因素,并給出相應的5種運行模式,使系統能夠根據實時的進閥水溫度和環境溫度,自動地選取單種或多種組合的工作模式。此外,還將進閥水溫度分成低溫段、中溫段、高溫段及極高溫段4個階段,分別對應的溫度是小于20℃、20～28℃、28～34℃、34℃以上,它們的設定值均可根據實際運行環境在人機接口處進行重新設定與修改。3.1電加熱器分組投放系統的控制策略當進閥水溫度處于低溫段時,閥冷卻系統將啟動內冷主循環泵和電加熱器對內冷循環水進行加熱,以防止水溫過低對換流閥造成損壞。同時,要求電動三通閥處于關閉狀態,內冷循環水不再流入內冷空冷器,且電加熱器將根據內冷循環水的溫度進行分組投入與停止,以提高加熱效率和節約能耗。系統配置了兩組電加熱器,其中,一組電加熱器的啟停溫度設定值要大于兩組電加熱器的啟停值,電加熱器分組投入與停止的具體控制策略:(1)當進閥水溫度小于一組而大于兩組電加熱器的設定溫度啟動值,或接近凝露報警時,則啟動一組電加熱器進行加熱。(2)當進閥水溫度小于兩組電加熱器的設定溫度啟動值或可能產生凝露報警時,則啟動兩組電加熱器進行加熱。(3)當兩組電加熱器在運行時,若進閥水溫度大于兩組而小于一組電加熱器的停止溫度設定值時,將其中一組電加熱器停止加熱。(4)當僅有一組電加熱器在運行時,若進閥水溫度大于一組電加熱器的停止溫度設定值時,則將該電加熱器停止加熱。(5)當出現電加熱器過熱、電加熱器故障、電加熱器溫度傳感器故障、內冷主循環泵未運行、內冷卻水流量超低以及進閥水溫度較高等情況時,應停止電加熱器加熱且相應的電加熱器不允許啟動。3.2調節開度的確定當進閥水溫度處于中溫段時,系統將以自然風冷的方式對換流閥產生的熱量進行冷卻,要求內冷主循環泵和電動三通閥啟動,且內冷循環水進入內冷空冷器后,無需啟動內冷空冷器的風機進行強迫風冷。此時,電動三通閥將根據進閥水溫度所在的溫度段按比例調節三通閥開度,進而調節內冷循環水進入內冷空冷器內進行冷卻的比例。在系統中,電動三通閥調節開度的具體方式為:當進閥水溫度處于極高溫段時,系統設定的閥開度為100%,內冷循環水將全部流向內冷空冷器及室外換熱設備中進行冷卻;當進閥水溫度處于高溫段時,設定的閥開度為75%,此時,大部分的內冷循環水將流入內冷空冷器及室外換熱設備進行冷卻;而進閥水溫度處于中溫段和低溫段時,設定的閥開度分別為50%、0%。此外,電動三通閥閥開度的設定值同樣可根據實際運行環境在人機接口處進行設定與修改。3.3內冷空冷器風機控制方案設計當進閥水溫度處于高溫段,選擇冷卻模式時還要考慮環境溫度這一因素。若環境溫度低于進閥水溫度目標值,則選擇內循環風冷模式,使進閥水溫度穩定在設定的目標值內。在該模式下,要求內冷主循環泵運行且電動三通閥處于全部打開狀態,使內冷循環水全部進入內冷空冷器進行冷卻,以提高內冷循環水的冷卻效率。在系統中,內冷空冷器配置的9臺風機全部采用PID控制,使其能夠實時檢測進閥水溫度和進閥水溫度目標值之間的偏差,動態地調節風機投入數量和運行頻率,達到節能減耗的目的。內冷空冷器風機的具體控制策略:(1)當進閥水溫度高于風機啟動的設定溫度值且持續1min后,啟動第1臺風機。(2)當系統中已有風機運行且為工頻運行,同時進閥水溫度仍高于進閥水溫度目標值+1℃且持續3min,則啟動第2臺風機,同理,依次分別啟動第3至第9臺風機。(3)當系統中有多臺風機運行(大于或等于2臺)且均在設定的最低頻率運行,同時進閥水溫度低于進閥水溫度目標值-1℃且持續3min,則將先啟動的風機停運,同理,依次分別停止其它風機。(4)當僅有1臺風機運行,同時進閥水溫度低于風機停止的設定溫度值且持續5min后,將該風機停運。其中,風機啟動溫度值、風機停止溫度值、進閥水溫度目標值等設定值均可在人機接口進行重新設定與修改,控制策略如圖3所示。空冷器風機的轉速是根據進閥水溫度目標值與當前進閥水溫度的偏差進行實時控制的。控制器首先根據當前進閥水溫度與設定目標溫度之間的偏差變化進行PID運算,然后輸出一個模擬量信號給變頻器,變頻器再根據此信號的增大或減小控制頻率的升降,實現控制風機實時轉速來改變系統散熱量大小的目的。如此操作,不僅可以使進閥水溫度逐漸逼近且最終穩定在目標溫度范圍內,并且可達到精確控制進閥水溫度的目的。控制原理圖如圖4所示。3.4外冷循環泵運行工況當環境溫度高于進閥水溫度目標值時,進閥水溫度處于極高溫段。由于室外環境溫度極高,僅依靠內冷空冷器無法將內冷循環水冷卻至進閥水溫度目標值以下,此時可采用內循環冷卻與板式換熱組合的冷卻模式。在該模式下,不僅要求內冷主循環泵運行、電動三通閥全部打開、空冷器全部投入且工頻運行,同時,還需要啟動外冷循環泵驅動外冷蓄冷水流入板式換熱器,對內冷循環水進行冷卻處理,以降低內冷空冷器的冷卻容量,從而提高閥冷卻系統的冷卻容量及冷卻效率,并降低閥冷卻系統中設備的能耗。在本系統中,在內冷主循環泵運行的前提下,環境溫度或進閥水溫度高于進閥水溫度目標值,且內冷空冷器的風機全部在工頻運行時,需要啟動外冷循環泵進行換熱。若上述條件均滿足且持續3min,則啟動外冷循環泵驅動外冷蓄冷水和內冷循環水進行換熱。同理,當環境溫度低于進閥水溫度目標值-1℃或內冷空冷器的運行頻率低于40Hz時,外冷循環泵將停運并終止換熱。其中,外循環泵采用冗余配置,且具有輪訓啟動、故障切換、手動切換等功能。外冷換熱條件和外冷循環泵的控制如圖5所示。3.5外冷蓄冷啟動條件在哈密地區,冬季和春季時當地環境溫度不高,依靠內冷空冷器即可將進閥水溫度穩定在目標值范圍內,無需啟動室外換熱設備和相應的輔助冷卻設備。該地區在夏秋季節存在“晝夜溫差大”的特點,在白天環境溫度較高,需要啟動板式換熱器將內冷循環水與外冷蓄冷水進行換熱,從而導致外冷蓄冷水溫度的升高,而在夜間環境溫度偏低,可啟動蓄冷空冷器再次對外冷蓄冷水進行冷卻處理以儲存冷量。實踐證明,這種冷卻模式不僅可以彌補內冷空冷器在環境溫度較高時無法將進閥水溫度冷卻至環境溫度以下的缺點,還存在著冷卻效果明顯、蓄冷效率高,節省能耗等特點,適宜在我國西北地區極端環境中應用。外冷水蓄冷啟動條件:(1)根據哈密地區的氣候特點,在內冷循環泵運行的前提下,若連續3天的最高環境溫度均高于啟動蓄冷設定溫度時,從該日起啟動外冷水蓄冷;若連續10天的最高環境溫度均低于停止蓄冷設定溫度時,則從該日起停止外冷水蓄冷。(2)在正常蓄冷的時間段內,若當日時間達到啟動蓄冷設定的時間時,開始蓄冷;若當日時間達到停止蓄冷的設定時間時,則停止蓄冷。(3)在正常蓄冷的時間段內,若當日環境溫度低于啟動外冷水蓄冷的設定溫