复合式换流阀冷却系统的设计与试验

罗永金 ，杨 垒 ，马根坡 ，刘俊杰 ，张琳琳，陈本乾

(1.许昌许继晶锐科技有限公司，河南 许昌 461000；2.国家电网公司运行分公司哈密管理处，新疆 哈密 839000)

0 引言

目前，高压直流(high-voltage direct current，HVDC)[1-3]输电技术在我国得到了飞速发展，尤其是特高压直流输电工程的不断推广，使其成为我国电网发展战略的首选[4]。在特高压直流输电系统中，换流阀冷却系统是保证其核心设备换流阀安全、稳定运行的重要辅助设备。因此，如何满足特高压直流输电工程的发展对冷却系统的苛刻要求[5]，以及提高冷却系统的可靠性是目前研究的热点之一。

当前的换流阀冷却系统中，水-水冷却方式存在使用范围受地域限制，以及排污水污染等问题，不能满足国家相关环境保护的法律与政策要求。而水-风冷却方式存在换热效率低、耗能大、设备维护成本高等问题。上述缺陷直接制约着我国直流输电技术的发展。因此，亟需开发设计一种具有洁净环保、超低水耗和能耗不受使用地区限制等特点的换流阀冷却系统。

1 常规换流阀冷却系统

一般而言，换流阀冷却系统根据冷却水循环回路的不同，分为内冷和外冷系统[1]。其中，内冷系统是一个密闭的循环系统。其主要是在主泵的驱动下，通过内冷水的循环流动带走换流阀产生的热量。内冷系统主要由主泵、三通回路(极端环境低于-5 ℃的地区采用)、电加热器、稳压装置、补水装置及去离子装置等部分组成[1]。它们通过与外冷系统的共同作用，保证内冷水进阀温度、压力、流量及电导率等参数值均稳定在给定的范围内，以满足换流阀稳定运行的要求。

根据换流站所处地域、环境及水源条件的不同，外冷系统主要有以下两种技术方案。①换流站位于水源充足、温度较高地区时(如我国中南部及东部沿海地区)，阀冷却系统采用以闭式冷却塔为换热设备的水-水冷却技术方案。②换流站位于干旱缺水、夏季炎热地区时(如我国西北、华北、东北地区)，阀冷却系统通常采用以空气器为换热设备的水-风冷却技术方案。目前，在所有已投运或在建的换流站中，采用水-水冷却的阀冷却系统约占65%～70%。水-水冷却是较为有效、可靠的冷却方式[6]。

随着环境保护意识的增强，以及国家相关环境保护法律法规的推行，闭式冷却塔的喷淋排水污染问题受到业界更多的关注。如果对其处理不当，可能导致换流站周边水源污染。在我国西北等地区，受水源条件限制，通常采用空气器作为换热设备，其适用范围严重受限于环境条件。其一，在该地区极端高温的夏季，周围环境温度较高时，单纯采用空冷器无法将内冷水冷却至环境温度以下，且能耗极大，给换流阀的正常运行带来巨大风险。相反地，酷寒的冬季可能导致换热面积较大的空冷器结冻，同时会导致外冷系统部分设备损坏，同样会给换流阀的正常运行带来风险。其二，随着换流阀输送功率的不断增大，换流阀要求的进阀温度越来越低，需要采用配置大量空冷器的方式满足换流阀的换热要求。但这将导致能耗过高和设备维护成本上升问题。因此，上述换流阀冷却系统中存在的缺陷，已成为直接制约我国(特)高压直流输电技术发展的因素之一。

目前，已有的研究成果大多集中在换流阀冷却系统故障分析或改造等方面，针对适用于特殊环境下的换流阀冷却系统设计，以及提高换流阀冷却系统的适用性等方面的研究相对较少[6]。阮卫华等根据西北地区气候环境特点，简单地给出三种阀外冷系统的设计方案[7]，但并未对给出方案的可行性及有效性等方面进行验证。罗永金等根据该地区“昼夜温差大”等特点，设计了一种循环蓄冷式换流阀冷却系统[6]。虽然其能够降低换流阀冷却系统的能耗和水耗，但是适用范围依然受到地区限制，同样无法满足将内冷水冷却至环境温度以下的要求。随着国家环境保护新标准的出台，阀冷却系统排污水污染已成为在建或改造换流站亟需解决的问题之一。鉴于此，本文设计了一种以制冷机组为主体的复合式换流阀冷却系统。其具有洁净环保、超低水耗和能耗、不受使用地区限制等特点，尤其适用于我国西北等地区。

2 复合式换流阀冷却系统原理

本文综合考虑换流阀冷却系统的使用环境条件，以及对冷却容量、介质流量、进出阀温度等参数需求，设计了一套适用于大部分地区的洁净环保、零水耗、以制冷机组为主体的换流阀复合式冷却系统。其在常规换流阀冷却系统设计的基础上，将外冷系统设计成一个密闭式的循环系统，并通过外冷主泵驱动冷冻水与内冷水在板式换热器中进行热交换。

上述操作不仅可以解决排污水污染问题，而且可以解决极端高温环境下的换热问题。

系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图

由图1可知，本文给出的复合式换流阀冷却系统，在内冷部分基本沿用了成熟、可靠的常规阀内冷系统。其工作原理及其控制设备基本保持一致。在外冷部分，进行了重新设计。下面重点阐述外冷系统的工作原理及其控制逻辑。

外冷系统主要由空冷器、外冷主泵、板式换热器、制冷机组、高位水箱以及补水装置等部分组成。其工作原理是：首先，当内冷水进阀温度较高且空冷器冷却风机已启动(即空冷器已无法满足换热要求时)时，外冷主泵启动，且制冷机组延时投入；然后，外冷主泵将驱动冷冻水进入板式换热器，与内冷水进行换热；接着，换热升温后的冷冻水进入制冷机组进行冷却，以达到降低进阀温度的目的。由于制冷机组能够将冷冻水冷却至较低温度，如此往复循环操作，最终能够将内冷水冷却至环境温度以下。

上述外冷系统设备的具体配置可根据实际需求进行确定。

3 复合式换流阀冷却系统控制策略

根据换流阀投运时对进阀温度的要求，本文以环境比较恶劣的西北地区为例，详细阐述阀冷却系统的控制策略，并将进阀温度分为低温、中温、高温和极高温四段进行控制。本文所述的具体控制参数均可根据阀冷却系统的实际运行工况，在控制系统的人机接口模块中进行设定或修改。

3.1 进阀温度处于低、中温控制策略

在西北地区，春季与冬季时环境温度较低。如哈密地区，极端最低气温为-32.0 ℃[7-8]。此时，若换流阀未投运或阀冷却系统停电检修，容易导致进阀温度处于低温或中温阶段。

当阀冷却系统处于低温段时，为防止进阀温度过低或阀厅管道凝露等因素造成阀组件损坏，内冷系统启动运行应根据实际需求，配置一定数量的电加热器。电加热器将根据进阀温度值自动控制启停，同时电动比例阀VB01应处于最小开度状态，以满足换流阀对进阀温度的要求[1]。此时，进板式换热器的电动开关阀VK01关闭，同时空冷器旁通电动开关阀VK02打开，使得内冷水直接回流至内冷系统，即外冷循环系统处于停运状态。此外，还需要对制冷机组等室外设备进行防冻处理，如在冷冻水中添加一定比例的防冻液，以防止其在环境温度较低时结冰。

当阀冷却系统处于中温段时，系统主要以自然风冷的方式对内冷水进行冷却，通过调节电动比例阀VB01至空冷器的开度，即可满足换流阀对进阀温度的要求，无需启动冷却风机和外冷循环系统进行冷却。

3.2 进阀温度处于高温控制策略

当换流阀投运且环境温度较低时，在主泵的驱动下，内冷水进入换流阀进行吸热并升温至高温段。此时，内冷系统的电动比例阀VB01将随着进阀温度上升自动调节至全开状态，外冷系统进板式换热器的电动开关阀VK01打开，空冷器旁通电动开关阀VK02关闭，使得内冷水全部进入空冷器和板式换热器中进行冷却。冷却风机启停控制策略如图2所示。

图2 冷却风机启停控制策略图

在该阶段，阀冷却系统将根据进阀温度大小，自动控制空冷器冷却风机的启动与停止。同时，为了防止进阀温度骤升骤降，本文将多个冷却风机按照一定的比例配置为变频风机与工频风机，并对其进行合理分组，以确保空冷器的冷却管束散热均匀。变频风机采用PID控制原理进行控制，其转速可根据进阀温度目标值与当前进阀温度的偏差值进行实时控制[1]，并动态调节变频风机的投入组数和运行频率。当变频风机全部启动且以最大频率运行时(即变频风机无法满足当前换热要求)，工频风机将分组投入，以确保进阀温度稳定在目标值范围内。冷却风机按照先变频后工频的启动顺序和先工频后变频的停止顺序进行控制，且在启停过程中遵循轮循机制。如此操作，不仅能够精确调节进阀温度，而且能够达到降低能耗和冷却风机同周期磨损的目的。冷却风机的启动和停止温度，以及进阀温度目标值均可在人机接口模块进行设定与修改。

3.3 进阀温度处于极高温控制策略

西北等地区夏季时酷热高温，极易发生极端高温情况。以哈密地区为例，其极端最高气温达到43.9 ℃，且每年平均有45天气温超过35 ℃[7-10]。此时,仅依赖空冷器无法将进阀温度冷却至环境温度以下，需要启动外冷主泵与制冷机组进行辅助冷却，以满足换流阀稳定运行的要求。

当环境温度大于启动外冷主泵的给定环境温度值、实时进阀温度超过进阀温度目标值2.0 ℃，或者环境温度小于启动外冷主泵的给定环境温度值、实时进阀温度超过进阀温度目标值3.0 ℃时，外冷主泵启动运行。待其建立稳定的冷冻水流量及压力后，制冷机组投入运行并对换热后的冷冻水进行冷却。制冷机组启动后，将按照人机接口给定的冷冻水出水温度目标值运行，同时根据制冷机组冷冻水温度与冷冻水出水目标值的偏差值大小，以25%、50%、75%及100%的制冷量自动调节制冷功率。如此操作，外冷主泵将驱动温度较低的冷冻水与高温较高的内冷水，不断地在板式换热器中进行热交换，从而达到将内冷水进阀温度冷却至环境温度以下的目的。

当内冷水进阀温度小于进阀温度目标值且制冷机组以低制冷功率运行时，延时停止制冷机组，最后停止外冷主泵。同时，为提高外冷循环系统的可靠性，外冷主泵及制冷机组等均应冗余配置，且应具备相应的故障切换、定时切换等功能。具体的外冷循环控制策略如图3所示。

图3 外冷循环控制策略图

4 复合式换流阀冷却系统样机试验

为了验证所设计的复合式换流阀冷却系统的有效性及实用性，本文根据换流阀冷却系统的实际冷却容量需求，将冷却系统同比例缩小后，搭建样机试验平台进行试验。采用大功率的电加热器模拟换流阀发热，试验过程具体如下。

试验在极高温度段进行，重点验证冷却系统是否满足换流阀在极端高温环境下的换热要求。试验条件为：环境温度33.2 ℃、换流阀进阀温度目标值32.0 ℃、制冷机组冷冻水出水目标温度10.0 ℃、制冷机组启动延时与升降功率间隔为2 min，启动外冷主泵进阀温度设定值为45.0 ℃。

在同等条件下，重复试验5次且在试验过程中详细记录每次试验的进阀温度、制冷机组进水温度与出水温度、制冷功率及其功率变化时间等信息，并取5次试验数据的平均值进行分析。

试验结果如图4所示。

图4 试验结果

由图4可以看出，当满足启动外冷循环系统的条件时，外冷主泵及制冷机组延时启动，且制冷机组的进水最高温度可达45.8 ℃。这说明制冷机组在进水温度较高的条件下仍然能够正常启动，具有较高的可靠性，适用于换流阀冷却系统。此外，外冷循环系统从启动到冷却的设定响应时间较长，实际使用中可根据具体情况调整其响应时间。

当外冷循环系统启动后，制冷机组的进水温度、出水温度及换流阀进阀温度逐渐下降，尤其是制冷功率上升至75%时各温度值的下降速率均较快，说明外冷系统完全满足设计需求。当制冷机组的冷冻水出水温度接近设定目标值时，制冷机组自动调节其制冷功率至50%，进阀温度已稳定在给定的目标值范围内，即进阀温度已被冷却至环境温度以下。当制冷功率维持在50%时，进阀温度已下降并稳定在目标温度值以下，空冷器的变频风机已降频运行，说明换流阀的发热与阀冷却系统的散热已达到平衡。综上所述，本文给出的复合式换流阀冷却系统具有良好的换热效果，能够保证换流阀在极端高温环境下安全、稳定地运行。

5 结束语

本文开发设计了一种无排污水污染、零水耗、低能耗且可不受使用环境条件限制的复合式换流阀冷却系统，有效解决了目前换流阀冷却系统水-水冷却存在的排污水污染环境与使用地区受限，以及水-风冷却存在的能耗高、换热效率低等问题。通过在样机上进行的多次试验，验证了该系统的有效性、实用性及可靠性。该系统能够为我国特高压直流输电工程的发展提供技术支撑，同时为已投运换流阀冷却系统的技术改造提供指导。