关于特（超）高压直流换流站阀冷却系统冷却方式的对比研究

黄殿龙，陈倩，潘明昊，陆为雨，杨震

（1.南方电网超高压输电公司昆明局；2.南方电网数字电网研究院有限公司,云南 昆明 650214）

晶闸管换流阀是换流站的核心设备之一，系统运行过程中会产生大量的热，因此，可通过采用合适的冷却方式提供晶闸管正常的工作环境，也提高系统的稳定运行能力。换流阀冷却系统主要由两个循环系统组成，即阀内冷却系统和外冷却系统。外冷却系统的特点是非封闭的循环系统，其散热方式是把换流阀里冷却水中的热量通过外部的换热设备散到设备外。根据介质的不同，外冷系统的方式主要有水冷方式、空气冷却方式以及空气冷却串联辅助水冷却的方式。本文分别对水冷却方式、空气冷却方式以及空气冷却串联辅助水冷却方式进行了介绍，并在换热效率、复杂环境下的可靠性、初期投资以及维护与检修等方面进行了分析与比较。

1 阀冷却系统冷却方式

（1）水冷却方式。水冷方式主要通过冷却塔进行散热，冷却塔是全封闭进行蒸发处理。其外冷需要的设备有：冷却塔、喷淋水泵、喷淋水池、喷淋水过滤及软化装置、加药装置、自循环旁路过滤系统等。工作原理是，冷却水将换流阀晶闸管元件上产生的热量带走，通过水泵循环压入冷却塔中，冷却塔中有处理散热的换热盘，冷却水经过换热盘时，冷却塔顶的喷淋头会把水喷淋水换热盘上，冷却水的热量将喷淋水转化为水蒸气进行散热，冷却水得到冷却，同时冷却塔的抽风机将水蒸气排到大气中。冷却水冷却后，继续循环进入换流阀中，继续进行热交换冷却换流阀。

（2）空气冷却方式。换流阀外冷却设备所用的空气冷却器为翅片管换热器，也称作空气冷却换热器，简称空冷器。空气冷却器的原理是，冷却水将换流阀元件中产生的热量带走，通过水泵进入空气外冷设备中，空气外冷设备是通过高频的鼓风达到空气流动从而散热，散热处为一个带铝翅片的散热管，高功率的风机将室外的冷空气驱进设备内，与散热管热表面交换热量进行冷却，经过散热管后，冷却水得到冷却。循环送进换流阀中继续进行冷却工作。

（3）空气冷却串联辅助水冷却方式。空气冷却器无法将被冷却介质的温度降至环境温度以下，空气冷却器多应用在寒冷、温度偏低的地区；而闭式冷却塔的散热主要靠水分蒸发散热，其耗水量较大，对水源依赖性很大，所以，闭式冷却塔多应用在水分充足的地区。当空气冷却方式不能满足冷却需求时，需要在常规的系统外添加一套备用冷却系统。在散热需求不高时，只有常规的散热设备运行，在系统高效运行或者外部环境温度较高时，备用冷却系统自动投入运行，缓解散热需求。这种冷却方式在一定程度上可以解决单一散热设备存在的问题，相应地，其建造成本也会大幅增加。

2 各冷却方式对比

本文分别从换热效率、设备占地面积、水源要求、水电能耗、工业水池、净水及废水排放、设备噪声、初期投资成本、多复杂环境条件下的可靠性，以及维护及检修几个方面对各冷却方式进行比较与分析。

（1）换热效率。水的导热性能远远大于空气，常温情况时，水的比热为4180kJ/m3·K，而空气为1.2kJ/m3。水导热系数同比是空气的20多倍。这样的导热性会使二者的换热性有着巨大的差别。根据牛顿冷却公式可以算出二者的换热系数，计算式如下：

式中，h为换热系数，单位为W/m2·K；tw为壁面温度，单位为℃；tf为流体，单位为℃。

由公式可知，水的热系数为104W/m2·K，空气为水的1/100。水冷系统的冷却效率会远大于空冷。

（2）设备占地面积。一般地，采用水冷却方式时 ，水冷面积包括冷却塔和喷淋水池，需要60～80m2的工作面积。而空气冷却面积需要300～350m2。因此，空气冷却方式的占地面积远比水冷却方式大。在高海拔环境下，两者的换热效率均有所下降。

（3）水源要求。水冷却方式中，源水经过软化、反渗透等处理成为合格的外冷水后，加入冷却塔内对内冷水进行冷却。但是，当源水的水质较差、较浑浊时，外冷水中钙、镁等离子含量将会超标，长期使用会降低对内冷水的冷却效果。对于空气冷却方式来说，由于其冷却效果主要来自风机，由风机驱动室外大气冲刷换热管束外表面进行散热，因此，不需要水源水质的要求。

（4）水电能耗。空气冷却方式高峰时耗电300kW（不含室内设备），无须水源，也无排污，空气冷却方式高峰时耗电300kW（不含室内设备），无须水源、也无排污。水冷却方式时，在高峰段，不包括室内设备用电耗电为45kW，同时耗水量为15m3/h，350t/d。因此，水冷却方式耗水量大，耗电量小；空气冷却方式无耗水，但耗电量大。

（5）工业水池。在水冷却的过程中，喷淋出的水会有不被蒸发的，可以收集起来进行循环利用。因此，可设置工业水池收集。为了使喷淋水系统在故障或者检修时能维持工作，工业水池的容积设为300m3。而对于空气冷却方式来说，由于没有外界水的交换损耗，因此，并无此项需求。

（6）净水及废水排放。空气冷却方式系统仅由变频调速风机和换热盘管组成，排水量极少。而对水冷却方式而言，喷淋是冷却的重点环节，需要保持效率，对水质质量有要求，会排放一部分含有化学药剂的水，这些水难以再利用，且不能随意排，只能排至下水道。

（7）设备噪声。水冷却方式利用水与空气接触蒸发吸热，冷却装置数量少，运行时噪声较低；而空气冷却方式系统由变频调速风机和换热盘管组成，冷却风机台数多，运行时噪声大。

（8）初期投资成本。不考虑土建、水源以及供水设施投资其他因素，但从设备投资考虑，水冷却设备主要有冷却塔、加药装置、喷淋设施，空冷却方式主要为空冷器。以现有的某换流站为例，空气冷却器约需要1200万元，水冷却设备约需要800万元，空气冷却方式是水冷却方式投资的1.5倍。

（9）多复杂环境条件下的可靠性。在严寒条件下，水冷却方案会受到限制，寒冷的天气会使水冷过程中的蒸汽在室外冷却凝结成冰，覆盖在设备附近，对系统的安全运行产生影响。而在高温环境时，只依靠空气冷却会出现散热效果不佳的现象，同时，严寒条件也会使空冷器结冰，影响换流阀正常工作。

空冷和水冷结合的混合冷却可以兼顾多变的环境。在这种冷却方案中，在效率要求不高的情况下，采用空冷方式，在散热要求达到阈值时，使用水冷冷却塔辅助散热，从而达到保证冷却效果。因此，空气冷却方式比水冷却方式的可靠性更高，更适于复杂多变的环境。

（10）维护及检修。空气冷却系统的日常维护和检修并不复杂，平常只需对风机的工作状态进行维护即可，而水冷却系统的维护则需要定期添药剂，为换热盘的表面进行除垢等，复杂度上升。

3 结语

通过对阀冷却系统各冷却方式进行比较分析，可以得出：

从散热性能来看，水冷却方式具有较高的换热效率，占地面积、耗电量以及噪声均较小，适合水源充足，对系统散热要求较高的应用场合。

从经济和技术方面分析，空气冷却的方式不需要用水，不用化学药剂，更加环保，设备构造简单，运行方便。

空气冷却串联辅助水冷却方式结合两种冷却方式的优点，适用于复杂环境条件或单一设备无法满足冷却要求的场合，投资成本相对高于空气冷却方式。