特高压换流站阀冷系统平衡水池抽水功能的完善

李昊，刘钊

(国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750011)

0 引 言

随着国家西电东送战略、国家电网公司“全球能源互联网”战略的深入推进，特高压交直流输电工程的数量逐年增长[1-2]。换流阀是特高压直流输电工程的核心设备，是实现交直流电能转换的核心功能单元[3]。换流阀在进行交直流电能转化功能时，阀内各类元器件会产生大量的热[4]。为防止阀内元器件过热导致运行异常，换流阀配有专用的阀冷系统进行热交换[5]。特高压换流站阀冷系统通常由3部分组成：阀内冷系统、阀外风冷系统以及阀外水冷系统[6]。阀内冷系统主要用于转移换流阀内的热量至阀厅外，阀外风冷系统以及阀外水冷系统配合对阀内冷系统冷却介质携带的热量进行交换[7]。

阀外水冷系统使用的外冷水经过过滤、软化、除藻灭菌等处理流程后储存在平衡水池中，当阀冷系统进阀温度达到定值后，喷淋泵带动平衡水池中的外冷水参与到阀冷系统的热量交换中[8]。通常情况下，特高压换流站的4个阀组对应配置4个平衡水池，每个平衡水池蓄水量平均在300 m3左右。

为保证平衡水池储存的外冷水水质符合要求，每年需要对平衡水池排空进行检查及清洗。考虑到资源节约，直接排空平衡水池内的1 200 m3外冷水过于浪费，因此采用排空1池300 m3外冷水后其余3池水相互转移的方式进行。现有外冷水转移方式为放置临时潜水泵，通过消防水带进行转移。由于临时潜水泵的功率有限，该转移方式需要消耗大量时间，占用了整个平衡水池检查清洗作业时长的极大比重。此外，平衡水池内总量约1 200m3的外冷水可作为消防作战车的重要补给，延长消防车战斗时间，但是目前的平衡水池缺乏高效稳定的抽水功能，无法与换流站内配置的消防作战车有效衔接。基于以上问题，本文设计了一种平衡水池抽水系统，对特高压换流站阀冷系统平衡水池的抽水功能进行了完善，大幅提升了平衡水池之间储备水转移效率的同时，为消防作战车接入平衡水池进行灭火战斗提供了高效的解决方案。

1 现有平衡水池抽水方式

1.1 现有平衡水池储备水转移方式

现有平衡水池无固定且接入阀冷系统的抽水系统，需要对平衡水池内进行检查及清洗作业时，只能通过2种方式对池内排空：一是直接将池内储备的外冷水排入下水道，不再回收使用；二是通过放置临时潜水泵并敷设消防水带至另一平衡水池进行外冷水转移的方式。

特高压换流站一般配置有4个平衡水池，共计约1 200 m3储备水，若4个水池均选用方式一直接排入下水道，将造成水资源的大量浪费。此外，制备水质符合条件的外冷水需要经过过滤、软化、除藻灭菌等处理流程，重新对1 200 m3储备水的制备将造成制水设备、材料及耗材的大幅损耗；因此，现有平衡水池均采用方式二进行储备水的转移，交替对特高压换流站的4个平衡水池进行检查清洗作业。

如图1所示，方式二中，现场作业人员首先放置临时潜水泵将极1高端平衡水池提前排入下水道中，排空后进行检查清洗作业，作业完成后放置临时潜水泵至极1低端平衡水池底部并敷设临时消防水带至极1高端平衡水池内，进行储备外冷水的转移。待极1低端平衡水池腾空后进行检查清洗作业，作业完成后极2低端、极2高端以此类推，按顺序进行。待极2高端平衡水池作业完毕后，直接对水池进行制水补水，补至满液位。

图1 4个平衡水池储备水转移步骤

1.2 现有平衡水池与消防作战车衔接补给方式

现有平衡水池没有可以与消防作战车直接衔接的设施。图2为特高压换流站单极换流变压器广场的设备布置平面。

图2 单极换流变压器广场设备布置平面

当换流变压器发生火情时，消防作战车将在广场面对换流变压器进行灭火作业。广场两侧布置有消防管网及消防栓，可同时对4辆消防作战车进行水源补给，但是单台换流变压器内储有100 t以上的绝缘油，若火势难以控制展开拉锯战时，4辆消防作战车的战斗力将远远不足。

这种情况下，作为独立于消防系统的平衡水池，可为上述4辆接入消防管网消防作战车以外的其余消防车辆提供额外的水源补给。以10 m3储水规模的消防作战车为例，约1 200 m3储水量的平衡水池将提供120车次以上的消防供水。

在现有的平衡水池配置条件下，消防作战车需要取水时，取水方式为往返于灭火战斗点至平衡水池之间，利用作战车自有引水泵与临时架设的引水管道衔接进行取水，待注满后继续投入到灭火作业中。

2 现有平衡水池抽水方式问题分析

2.1 现有平衡水池储备水转移耗时

不计平衡水池检查清洁作业时间，现有平衡水池储备水转移耗时计算公式如下：

T=t排+t1+t2+t3+t注

(1)

式中：t排=V/δ—极1高端平衡水池排水耗时，V为储备水体积，δ为临时潜水泵流量;

t1=V/δ—极1低端平衡水池转移至极1高端耗时；

t2=V/δ,极2低端平衡水池转移至极1低端耗时；

t3=V/δ，极2高端平衡水池转移至极2低端耗时；

t注—极2高端制备外冷水至水池满液位耗时，通常情况下平均约1 200 min。

通过公式(1)可知，若t注恒定、各平衡水池储备水体积V相等的理想情况下，平衡水池储备水转移耗时T与临时潜水泵流量δ成反比关系，即：临时潜水泵流量δ越大，耗时T越少。

通过对市面各流量的潜水泵规格进行统计，可得到表1所示参数。

表1 潜水泵参数

由于临时潜水泵为作业人员临时放置，放置点为平衡水池口，周围存在设备及台阶，综合现场安全需求，根据现场经验潜水泵质量一般控制在30 kg以下，最优选择为质量25 kg、流量15 m3/h的规格，由此得出理想情况下的耗时T为6 000 min。以某特高压换流站实际操作时间统计得到表2。

表2 某特高压换流站实际储备水转移时间统计

从表2可知，现有平衡水池储备水转移方式平均需要消耗6 054.7 min。通过对整个转移过程的分析，可以发现，质量符合现场作业安全需求的临时潜水泵，其抽水流量限制了平衡水池储备水的转移速率,进而导致了转移耗时过多，但是由于人力限制，潜水泵流量无法大幅提升。

2.2 现有平衡水池与消防作战车衔接补给方式

现有平衡水池未配置可直接与消防作战车衔接的补给接口，消防作战车仅能依靠自身尾部引水泵进行抽水，虽然引水速度可达6 m3/min，但是标准引水管直径为DN150的硬连接，不具备长距离敷设条件，因此车辆不得不往返于灭火点与平衡水池之间，且尾部必须准确无误地对准平衡水池池口方能进行引水作业。作战车驾驶员需要根据后方操作员的指引，多次调整车辆方向，经某特高压换流站现场测算统计，10 m3容量的消防作战车储备水全部喷完的耗时约在150 s，但是由于车辆位置调整及操作需要通过平衡水池补充水时，约需600 s，该方式导致消防作战车补充水效率十分低下。

3 平衡水池抽水系统设计

综合2.1及2.2问题，目前特高压换流站平衡水池亟需对抽水功能进行完善，因此对平衡水池的抽水系统进行设计。该抽水系统单套主要由2台固定立式潜水泵、主不锈钢管及潜水泵出口止回阀、6支分支不锈钢管、6支标准消防卡口、DN15泄空阀、液位传感器及电气控制柜组成。整体设计如图3所示。

图3 平衡水池抽水系统整体设计

1)该系统的固定立式潜水泵无需现场作业人员临时放置，因此避免了重量因素，根据平衡水池实际容量，设立2台流量为150 m3/h的固定立式潜水泵。

2)上述2台潜水泵通过DN150不锈钢管道并接至主管路，为防止单台潜水泵运行时水流反向流至备用潜水泵形成换流，在潜水泵出口处设置了1个DN150的止回阀。

3)主管路引出至平衡水池外部后分出6个DN50的支管路，每个支管路配置有可独立控制开合的闸阀及标准的DN50消防卡口，可与消防水带相连，既能与相邻平衡水池快速联通，也可与消防作战车预留的6个DN50注水口相连。

4)考虑到西北地区冬季寒冷气候可能会造成抽水系统管道内的存水结冰膨胀，在主管路的平衡水池口下约1 m高度处设计了1个DN15的泄空阀，用于排空管道内存水。

5)电气控制柜可对2台固定潜水泵独立进行运行/停止操作，上级电源取自400 V站用电，根据具体功率进行级差配置核算及电缆及空开选型，保证潜水泵可长时间运行。

6)液位传感器可对平衡水池液位进行实时监测，当液位低于10%时，自动闭锁潜水泵运行，保证阀冷喷淋系统处于可用状态。

4 效果评价

4.1 抽水系统储备水转移效果评价

2019年，某特高压换流站已对站内4座平衡水池进行了抽水系统的安装。停电检修期间，作业现场对4座平衡水池储备水转移时间进行了3次测算统计，统计结果如表3所示。为节约用水，3次时间测算仅对第1次进行水池排水，平均时间按照单次排水时间计算，仅对第3次进行水池注水，考虑到注水与抽水功能无关，因此平均时间按照单次注水时间计算对整体效果的评价无影响。储备水的转移为往返转移：第1次为极1高端排空，由极1低端开始逐个转移；第2次为极2高端处于空置状态，由极2低端开始逐个转移；第3次重复第1次的顺序。

表3 某特高压换流站抽水功能完善后转移时间统计

通过表3中平均用时与表2平均用时对比可以发现，对平衡水池抽水功能完善后，储备水转移用时由原来的6 054.7 min下降至1 529.1 min，缩短74.7%，大幅提升了平衡水池检查清洗工作的整体效率，效果良好。

4.2 抽水系统与消防作战车衔接效果评价

抽水系统的支管路均装设DN50的标准消防卡口，可通过消防水带长距离延伸对接至消防作战车的6个被动注水口，并实现快速装拆。与消防作战车引水泵作业方式不同，通过6个被动注水口对作战车水箱进行补水，无需车辆进行专移即可直接进行注水，抽水系统的持续补水可以保证消防作战车补水、喷水同时进行，如图4所示。

图4 抽水系统消防水带连接现场

经过现场实际测算，连接不同数量的消防水带至同一辆消防作战车的补水用时如表4所示。

表4 抽水系统对补水消防作战车补水时长统计

以该消防作战车型号作为参考，当平衡水池抽水系统2台潜水泵通过4条以上的消防水带对消防作战车进行补水时，作战车可达到补水、喷水的平衡状态，即不间断进行灭火作战。根据计算，以图2为例，该换流变压器广场的两侧容量为300 m3平衡水池抽水功能完善后，可在换流站消防管网支援基础上额外支援2辆消防作战车持续75 min的持续灭火能力，这对控制特高压换流站内火情有着非常重要的作用。若消防水带储备充足，特高压换流站另一换流变压器广场的2个平衡水池还能够提供600 m3储备水的灭火作战补给，大幅提升消防作战车辆作战能力。

5 结 论

1)特高压换流站平衡水池抽水功能通过抽水系统的完善，在避免水资源浪费的同时，缩短了平衡水池间储备水转移的时间，极大地提升了平衡水池定期检查及清洗工作的效率。

2)平衡水池抽水功能的完善，使平衡水池储备水成为特高压换流站发生火情时消防作战车的关键后备“弹药”，增加了消防作战车辆的取水方式，进一步提升了特高压换流站的消防能力。