牛寨换流站阀厅设备运行环境控制改进分析

张杰 何其愚 丁汉林 李更达 郭明登 李超 夏子军 李琳 杜天成 唐帆

1 南网超高压输电公司曲靖局

2 云南新天地人工环境工程有限公司

0 引言

换流站阀厅运行时静电大，粉尘容易吸附在阀塔内各种电子电路板卡上，易造成晶闸管误导通。近年超高压系统内也发生过因为阀厅“污秽”导致的晶闸管误导通事件，直接影响直流系统的正常运行。同时粉尘过多也造成空调系统维护工作量大、系统故障率升高。因此很有必要对阀厅设备运行环境控制进行系统研究，找到粉尘高的原因及解决办法[1-3]。

在空调系统的设计中，空调过滤、阀厅空气正压控制是阀厅粉尘的控制手段，此外并无其它的特殊控制手段，如风管并没有采取控制粉尘的手段，也没有对粉尘含量进行检测的设置，人员进入也不需要特殊的清洁处理，这也是南方电网各换流站阀厅标准做法[4-5]。

鉴于此，本文主要致力于阀厅通风空调系统粉尘来源与控制的研究。

1 阀厅环境现状

1.1 阀厅空调功能构成

本文以±文以调kV 牛寨换流站阀厅空调系统作为研究对象。阀厅空调系统由冷水机组，水泵及水系统，组合空调，电气及控制系统等组成，具有对阀厅温湿度控制（包括升温降温、加湿降湿）和空气过滤功能。阀厅现场水冷螺杆机组有加热和制冷两种模式运行，加热模式几乎不用。降温采用的式冷水机组产生的冷冻水，降湿是通过电加热器加热空气方式实现，加湿采用高压喷雾加湿方式。牛寨换流站所处地方常年空气比较潮湿，电加热器启动较多，加湿功能不需要使用也从未使用，其它功能均能正常使用。

1.2 阀厅空调系统构成

根据设计资料，阀厅空调系统构成如下：

1）四个厅的空调系统形式和设备选型相同，采用出风冷热水机组，空调机组，风管，阀门和风口等组成的中央空调系统。

2）该系统采用两套完全相同的机组，以保证100%备用。机组交替运行以保证均匀磨损。由运行机组到备用机组的切换自动进行。

3）空调系统具有变化新回风的功能，可在室外空气温度合适的季节大量使用室外的新鲜空气以节约能源和降低运行费用，新风量可根据室外温度的变化自动调节。

4）风冷冷热水机组，组合式空气处理机组，水泵和补水定压装置均露天布置在阀厅外靠近阀厅处。

1.3 主要参数与设备清单

1.3.1 阀厅设计参数

按阀厅空调系统设计，阀厅设计温湿度如下：

1）温度：10～50 ℃

2）相对湿度：25%～60%

3）房间正压值：5～30 Pa

这一组设计数据中，相对湿度和正压值的要求还算正常，温度要求范围则过宽。按这么宽的温度要求范围，阀厅不需要设置制冷或采暖空调，仅靠有控制的通风系统即可满足温度要求。实际运行中，阀厅温度范围为：18～30 ℃

1.3.2 主要设备清单

表1 为主要设备清单配置表。

表1 主要设备清单配置表

1.4 设备现状

整个空调系统虽有较高故障率，自控系统经常异常报警，但空调本体设备正常运行时能满足阀厅温湿度要求。

现场观察，空调系统也是外观良好，运行中的空调本体设备没有异常状况。

针对换流站阀厅通风空调系统，依据日常运行人员的走访、运行参数记录、现场参数实测、与南方电网内其他换流站的对比，从围护结构完整性、空气温湿度、空气成分三个方面，对设备运行环境进行分析。

1.5 围护结构完整性

换流站阀厅是完整的密闭式的工业厂房，墙体结构完整，满足一般空调要求。但局部密封性不够。主要表现为：

1）厂门密封不严。部分厂门有明显缝隙。

2）消防排烟风机密封不严。阀厅设置独立的排烟系统，排烟由安装在阀厅外墙上部的消防高温排烟轴流风机进行排烟，在确认火被扑灭不会复燃的情况下，手动打开安装在排烟风机进行风口处的排烟防火阀和排烟风机进行排烟。正常情况下，排烟防火阀应该处于关闭状态，实际检查发现，许多阀门存在明显缝隙，甚至有阀门处于开启状态，如图1 所示。

图1 风阀处于开启状态

阀门密闭不严或直接处于开启状态，还可以从各个阀厅地板上大量可见的飞蛾中得到印证。

因换流站阀厅防尘需要，要求排烟风阀为常闭且密封良好。但从实际情况来看，排烟风阀密封状态显然是不满足要求的。

1.6 粉尘问题

空气成分问题包括O2、CO2浓度、粉尘等等。其中O2、CO2等气体浓度对阀厅运行设备不构成影响。但阀厅粉尘含量高，对设备运行影响较大，这是各换流站存在的共性问题。

2 粉尘原因分析

阀厅设备正常运行时并不产生粉尘，阀厅粉尘多则只有如下两个可能的原因：空调设备不正常，失去过滤粉尘的能力。外界不停有粉尘进入。

2.1 确认阀厅负压是产生粉尘的主要原因

粉尘能从外部环境直接进入了阀厅，最直接的就是外部空气透过阀厅的各种缝隙和通道进入内部。除了强风等因素以外，空调系统会在阀厅内形成正负压，正压则室内空气向外流动，负压则室外空气透过缝隙和通道被吸入阀厅内部[6-7]。

2.1.1 房间正负压理论分析计算

阀厅维持正压或负压是组合空调里送风机和回风机合力运行的结果。当送入阀厅的空气明显多于从阀厅抽出的空气时，阀厅维持正压，反过来则维持负压。对于固定的房间，所需要的风量差与正负压差的平方成正比。这一风量差值就是系统的新风量。

设计资料显示，阀厅按正压5～30 Pa 设计。对门窗紧闭的一般密封性房间，需要按正压5～30 Pa 维持正压，则需要进出风量差折合成换气次数1～4 次。每套组合空调所对应的单个阀厅空间容积为34000 m3，即：送风量-回风量=34000～136000 m3/h。

需要特别说明的是，房间正负压差值取决于送排风状况，也取决于房间的密封性。由于房间的缝隙量不可计算，因此维持正负压所需要的风量差也法做准确的理论值计算，一般按经验值计算。阀厅若能做到密封性良好，所要求数值可以适当偏降低。

2.1.2 形成负压原因分析

根据前述，当送风量明显高于回风量，虽不足以形成设计的正压值，但也不会形成负压。经现场查看铭牌，数据显示：回风机风量与送风机一致，均为43362 m3/h，如果双风机都按着风量运行，阀厅里不会产生正压、也不会产生负压。即使按设计数据，阀厅已很难产生所期望的正压值，而实际供货与设计还发生不良偏差，系统也不可能产生正压。显然，组合空调的运行工况没有按设计值进行。

再考虑组合空调中新回风平衡阀的存在（如图2所示），平衡阀之前是排风口和新风口，理论上平衡阀之前的风阻由回风机承担，之后的风阻由送风机承担。显然，尽管同样风量下送风机的全压要高于回风机，但是它们承担的阻力比例要高于全压比例，故而回风量偏大、送风量偏小，从而导致了全面性的阀厅负压。

图2 组合空调功能段结构（局部）

2.1.3 实测确认负压

进入阀厅的观测门处实测，门开缝8 cm 时流入的风速达1.0 m/s。

实测表明，四个阀厅空气全处于明显负压状态。加之围护结构存在各种空隙，意味着不停有空气从室外直接进入阀厅。尽管换流站所远离城市和工地，周边没有特别的粉尘源，但直接进入阀厅的新风会源源不断带入大量粉尘。

由此说明，阀厅负压是造成阀厅粉尘多根本原因。

2.2 孔洞效应

阀厅负压及多处空洞和缝隙，导致未经处理的空气从室外直接进入阀厅，源源不断带入粉尘。

同时飞蛾进入并陈尸阀厅后，尤其在阀厅电气设备上时，飞蛾干燥、粉状化，经空调风一吹，又是一个新的粉尘源了。

3 改进措施

3.1 改进思路

既然是阀厅负压是粉尘进入的主要原因，而阀厅结构不完整形成孔洞效应，导致负压状态下，粉尘能够轻松进入。那么改进的思路就要围绕这两个方面来着力解决：营造阀厅正压环境，降低孔洞效应。

3.2 正压环境分析

3.2.1 设计对正压的考虑

要维持阀厅正压，核心问题即要维持阀厅足够的新风量，然而设计资料对阀厅最小新风量的要求为该系统新风量除可在冬。夏季按总风量的10%取值外，还具有变化新回风比的功能，可在室外空气温湿度合适的季节大量使用室外新鲜空气以节约能源和降低运行费用，新风量可根据室外温度的变化，按总风量的10%～100%自动调节，作为空调设计的卫生新风量。换句话说，设计文件虽然说到要维持一定正压，但在具体实施时并没有采取相应的措施。

3.2.2 正压风量分析

资料显示，送风机风量为43362 m3/h，回风机风量为39026 m3/h。送风量高于回风量，其差值为：43362-39026=4336m3/h。

这一差值远低于前面所述的34000 m3/h，即除非阀厅有非常好的密封性，否则难以形成足够的正压。

3.3 改进方案和措施

3.3.1 阀厅孔洞处理

仔细检查阀厅门墙及排烟风机所形成的孔洞和缝隙，并进行密封处理，切实保证阀厅的密闭性能。设计可靠的空调系统和消防排烟系统联动机制，确保排烟风阀不会误开启。

3.3.2 组合空调改造

由于送风机和回风机的组合空调设计，是形成负压的主要原因之一，所以改造组合空调，是改进措施的重点所在。

原系统设置有送风机和回风机，这一模式称为组合空调的双风机模式。双风机模式一般用于以下两种场合：①室内产生有害气体需要有序排放。②系统和风管结构复杂，阻力大。

显然，阀厅并不产生需要有序排放的有害气体，空调系统就设置在阀厅旁边，风管并不很长且组合空调功能段也不复杂，因此可以改用单风机模式。

单风机模式更便于进行回风量与新风量的分配，更能保证室内正压，同时单风机模式故障率更低、维修工作量更小。

新的风机风量可按原设计43362 m3/h 选取，风压则可按850 Pa 选取。

配合双改单，需要将组合空调功能段改造成如图3 所示的形式。

图3 改进后的风柜示意图

这一改造包括如下主要内容：

①改双风机模式为单风机模式。注意其中新风和回风仍应保留必要的防火调节阀，并在最终调试后确认个阀门的标准开度和新风阀的最小开度。实际改造过程中，也可考虑设置必要的中间段（非功能段），原有的加湿段和加热段如需保留也可保留在表冷段之后，同时保留原有的各调节阀门及其控制模式。

②修改初效过滤段与回风口的相对位置。原设计新风回风混合后先后经过初效过滤器和中效过滤器，考虑到从阀厅返回的空气并无粗大杂质需要过滤，可以直接进入中效过滤器，故做如此修改。修改后可降低整个风系统阻力，降低风机负荷，这也是空调行业的常规方案。

3.3.3 正压调试

每个建筑物因其密封性不一样，维持其一定正压所需要的风量不一样，应该耐心实测和调试，不能仅凭设计数据了事。

因此，上述改造完成以后应该耐心对每个阀厅进行正压调试，在这一过程中应掌握新风量与阀厅正压的关系，确定最小新风量和新风阀最小开度位置。

当然，调试过程中也可以确认为节能而在低温季节允许的最大新风量，甚至掌握全新风运行工况（如可能实现）的控制模式。

3.3.4 设置负压报警

为了保证系统能够按照改进设计方案良好运行，设置阀厅内外微压检测与报警装置，当检测到正压低于5 Pa 时报警，报警可直接接入现有控制系统，也可直接于合适位置设置声光报警。

4 结论

牛寨换流站因空调设备原因导致阀厅形成负压，未经处理的空气通过阀厅墙体上的孔洞和缝隙从室外源源不断直接进入阀厅，带入粉尘，导致阀厅粉尘含量高。

要解决该问题，一方面要改造组合空调，使之能保持阀厅正压，另一方面也需要加强阀厅墙体密封性，降低孔洞效应。