海上换流站外冷却水工装的研发应用

姚琪 杜波

摘 要：在社会科技发展的今天，能源资源形势逐渐严峻的情况下，各国均将眼光投向了风力资源巨大的海域，我国更加努力发展海上风力发电。海上换流站是世界上最先进的海上风电站，各项设计及研发都是世界上最先进的科学技术。海上换流站用于海上风电柔性直流输电工程，是海上风电项目的重要组成部分，负责汇聚附近风电场的电能，并将其转换为直流电，减少能源输送损耗，输送至陆上电网。由于目前国家大力扶持，很多企业都加大研发投入，想办法加快建造周期。其中，外冷却水工装能有效完成换流站系统的岸上调试工作，能够让海上换流站项目边生产边调试，有效缩短海上换流站建造周期，因此得到广泛需求。

关键词：海上换流站;直流输电;外冷却水工装;建造周期

引言

海上换流站是世界上最先进的海上风电站，各项设计及研发都是世界上最先进的科学技术。为了加快研发和满足市场需求，其各个环节都在创新研发，工艺提升和工艺改进，以缩短其制造周期。外冷水系统作为换流站的核心系统，是换流站调试和运行的基本保障。换流站在岸上建造调试必须依靠该系统，而其原水泵设置在导管架上，岸上无法满足其取水条件，大部分海上换流站产品待发运至海上安装后再进行调试，因而导致整体建造周期长、成本高。为了能够有效解决该问题，因此研发并应用外冷水工装。

1 外冷水工装整体设计布局

换流站的外冷却水工装整体设计（图一），整体思路是利用大功率潜水泵和临时管路，将长江水引入码头施工的换流站外冷水系统，替代产品本身的外冷水系统功能，从而服务于需要调试的设备。

首先，准备2台潜水泵（一用一备），根据潜水泵外形尺寸，制作其存放箱，将潜水泵安装在存放箱内。用钢丝绳将存放箱放入水中适合的深度，将钢丝绳系固在码头缆桩或加固的工装上，并将潜水泵取水软管和电源线引出至码头系固，这样就完成了潜水泵的安装。

其次，在码头布置潜水泵软启动箱，将潜水泵电源线接入。根据换流站与码头的距离，布置两路适当长度的金属软管或硬管，一路与潜水泵和换流站引出的软管连接，使潜水泵与换流站外冷水进口贯通，注意潜水泵出口设置两只闸阀，以控制流量以及两台泵的切换;另一路与外冷水回水口贯通，引入长江内，形成整个循环回路。

外冷水工装系统的连接布局（图二），根据换流站冷却系统图中，从图中的位置将管子断开，连接到工装水系统上，保证系统循环。从最后的换流站冷却水排水位置接入工装排水软管连接到排水口。通过照片（图三）我们可以了解现场实际的连接位置和布局位置，仅供参考。

2 工装泵的选材

潜水泵是取水工装系统核心组成，合适的潜水泵选型，才能满足该系统的调试需要。潜水泵的流量和扬程是决定是否满足使用的主要两个重要参数。我们以三峡如东海上柔直换流站为例。

首先该换流站设计外冷水系统循环参数（表一），四台泵总运行时海水循环额定流量是1900450m3/h，因调试时可单设备独立操作，因此一台泵运行即可，所以可以确定潜水泵流量需达到450m3/h以上，才可以满足该系统调试。

潜水泵扬程的选型更加重要，因为换流站建造用的胎架及换流站上部模块本身高度较高，如扬程不够，直接影响使用效果。泵的扬程计，即

H=（p2-p1）/ρg+（c2^2-c1^2）/2g+z2-z1

式中 H——扬程，m;

p1，p2——泵进出口处液体的压力，Pa;

c1，c2——流体在泵进出口处的流速，m/s;

z1，z2——進出口高度，m;

ρ——液体密度，kg/m3;

g——重力加速度，m/s2。

通过实地测试相关数据可以算出需要扬程40m，因此我们选材下图结构的潜水泵（图四），型号为AT450QHB500-50/2。

潜水泵主要参数：

（1）流量：500m3/h.

（2）扬程：50m。

（3）电源：480V 60Hz

（4）转速：1750r/min

换流站外冷水系统的设计要求流量为450m3/h，扬程30m，所以通过以上参数，可以明确选用的工装泵各参数可以满足外冷却水系统调试要求。我们采用两台，一用一备，以交替使用，以免长时间单台使用造成故障，同时延长潜水泵使用寿命。

由于江水中泥沙等浮游垃圾较多，为了防止潜水泵泵入口以及管路系统堵塞，需在潜水泵的取水口增加滤网，将大部分大颗粒杂质进行初步过滤，同时，在潜水泵的出口管路上设置滤器，达到二次过滤的作用。如果海上换流站的建造场所靠近海洋，为了防止海水微生物滋生，还需在存放箱上安装防海洋生物装置。

3 外冷水工装的实际运用

海上换流站的外冷却系统主要用于对换流阀、主变压器、空调这三大设备的内冷系统进行冷却。该产品配置的海水泵安装在导管架上，取水口设置于海水面以下，顶部固定在泵房安装底座上。海水泵提升海水与淡水循环系统的循环水在换热器内进行热交换，降低进阀水温。海水泵的设计流量兼顾换流阀、换流变及空调系统的需求。

换流阀内冷却水系统吸收换流阀的热量后温度上升，升温后的热水由循环水泵驱动进入换热器 ，在换热器内与中间淡水循环系统中的冷却水通过非接触的方式进行热量交换，降温后的内冷却水回至换流阀，升温后的冷却水再通过非接触的方式与海水进行热量交换，升温的海水排入大海，如此周而复始地循环。

主变压器的绝缘冷却油吸收换流变的热量后温度上升，升温后的绝缘油由驱动装置加压进入换热器，在换热器内与中间淡水循环系统中的冷却水通过非接触的方式进行热量交换，降温后的绝缘油回至换流变，升温后的冷却水再通过非接触的方式与海水进行热量交换，升温的海水排入大海， 如此周雨复始地循环。绝缘油的温度上限值应由换流变厂提供。

空调系统冷却水吸收空调岭媒的热量后温度上升，升温后的冷却水由驱动装置加压进入换热器，在换热器内 与外冷却水进行热量交换，如此周面复始地循环。

综上系统原理，我们可以知道设备调试前，需要将冷却水送到后，才可以开启设备调试，不然会因热量导致损坏设备。因此系统调试前，整套外冷水工装的安装是否可靠尤为重要，必须将管路法兰、设备等连接件螺栓拧到规范要求的扭力，管路密性试验合格。控电箱以及电源线绝缘正常，线路施工连接正确等。整套工装正式运行前，必须形成检查清单，待逐一检查签字后，启动工装潜水泵。过程中观察系统的各项动态参数是否正常，并且保持专人全程监护。

外冷水工装运行过程中注意事项：

（1）潜水泵必须时刻潜入水中，不能因潮水的退去露出水面，以免潜水泵发热损坏潜水泵，或者抽不到水，导致换流站系统设备损坏。

（2）当压力过大或者过低时，开启系统旁通阀，调节好系统压力。

（3）系统使用时要记录各个时候的数据，提供后续提供使用。

（4）工装系统运作周围不能有施工作业，避免水压泄露伤人，做好监护工作。

4 结语

大力发展风电产业是国家实现“双碳”目标的重要举措，在加速我国经济和能源转型方面有着举足轻重的重要意义，而海上换流站是世界上目前最先进的海上风电站，因此其建造在技术创新和工艺改进上，要求更高、意义更大。海上换流站外冷水工装的应用，直接将海上调试工作周期前移至岸上完成，大大缩短了整体建造周期。同时，该套工装的成功应用也为船舶、海工等行业的产品制造提供了借鉴依据，提升了企业在该领域的竞争力。

参考文献：

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[4]大柳康.工程塑料之特性及其加工.世界图书出版公司，2009.

[5]杨理践.供水管系泄漏声型号特性.沈阳工业大学学报，2011.

作者简介：

姚琪（1981-），男，江苏南通人，工程师，上海振華重工集团股份有限公司，船舶机械制造装置，主要从事海工及船舶施工及技术管理。