高压直流输电中阀冷却系统的研究

高压直流输电中阀冷却系统的研究

0阀冷却系统的研究现状基于这种特点，高压直接供电技术在我国得到了迅速发展，是“西电东送”战略实施的首选。据统计,目前已规划的高压直流输电工程多达50余项,包括了30多项特高压直流工程。高压直流输电中最核心的技术设备是换流阀,与之配套的冷却系统直接关系着整个换流阀能否安全稳定运行。因此,阀冷却技术在我国不同环境地区的应用,将推动我国高压直流输电技术的发展。随着高压直流输电技术的不断发展,特别是特高压直流输电工程的推广,换流阀及其辅助设备工作时产生的热量越来越大,同时,对阀冷却系统的要求也越来越高,具体体现在要求的冷却容量越来越大、冷却水流量越来越高、要求的进阀水温度越来越低等几个方面。此外,我国西北地区具有干旱缺水、夏季炎热、冬季寒冷、昼夜温差大,以及大风、沙尘暴等恶劣天气的特点,使得阀冷却系统在该地区运行时存在换热效率低、耗能极大、使用寿命短等问题,无法满足换流阀正常运行。这些因素不仅给阀冷却系统的可靠运行带来极大风险,也直接限制着阀冷却系统的应用范围。目前,针对换流阀冷却系统的相关研究比较少,大多集中在对阀冷却系统进行故障分析和改造等方面。此外,刘辉根据自己的工程设计经验和已有研究成果,给出了换流阀冷却系统具体的选型依据,并提出高寒地区换流站阀冷却系统采用空气冷却器较为适宜,但是,并未考虑西北地区极端气候环境等因素对阀冷却系统设计造成的影响,同时也存在较高的能耗和水耗等问题。鉴于此,结合哈密地区气候环境的特点,开发出一种超低能耗运行的换流阀冷却系统。该系统不仅能够充分利用当地环境特点,在不同环境下选择不同的运行模式,且在环境温度较高、昼夜温差较大时,实现阀冷却系统夜间蓄冷、白天释放冷量的循环蓄冷功能,同时具备超低能耗和水耗的特点。1循环冷却水冷却换流阀冷却系统由内冷系统和外冷系统组成。其中,内冷主要是去离子水循环冷却;外冷主要有水冷和空气冷却两种方式,与之相对应的冷却设备分别为闭式冷却塔和空冷器。阀冷却系统的工作原理:冷却水在室内换流阀热交换器内吸热升温后,由循环水泵驱动进入室外冷却装置中进行冷却,降温后的冷却水再由循环水泵送入室内,从而达到循环冷却的目的。常规的换流阀冷却系统如图1所示。换流阀冷却装置主要由主循环泵、稳压装置、旁路水处理装置、补水装置和室外换热设备等组成。其中,主循环泵是换流阀一次冷却水循环的动力源;稳压装置是系统稳定运行的必要前提和基础;旁路水处理装置是保证一次冷却水水质满足换流阀要求的必须设备;补水装置是在系统水量不足时必要的补充设施;室外换热设备是保证换流阀冷却要求的核心和基础,如果缺失该部分将导致整个阀冷却系统失效。2阀冷却系统结构设计西北地区极端的气候环境条件,导致常规的阀冷却系统在该地区运行时受到限制,主要包括:冷却性能良好且耗水量较大的闭式冷却塔在该地区无法使用;由于换流阀的输送功率极大,对最大进阀水温度的要求越来越低,而在炎热夏季时,单纯使用空冷器无法将去离子水冷却到环境温度或环境温度以下,并且会导致阀冷却系统能耗剧增;西北地区酷寒的冬季可能会使换热面积较大的冷却器结冻,导致阀冷却系统可靠性降低,同时给换流阀的正常运行带来极大风险。因此,阀冷却系统在设计时不仅要考虑冷却容量、进出阀水温度、冷却介质类型及额定流量等参数,还要考虑环境条件对阀冷却系统的影响。鉴于此,设计一种适用于在西北地区运行的换流阀冷却系统,其在满足换流阀正常运行的前提下,能够根据进阀水温度和环境温度的不同,选择相应的阀冷却运行模式,最大限度减少不必要设备的运行,从而达到节能的目的。系统原理如图2所示。阀冷却系统中包含板式换热器、蓄冷主循环泵、蓄冷水池、蓄冷空冷器以及水-风板翅式换热器等设备。其中,板式换热器是换流阀周围环境温度较高时的辅助冷却设备;蓄冷主循环泵是蓄冷和辅助冷却的动力源;蓄冷空冷器与蓄冷水池的功能分别是依靠风机强制通风冷却蓄冷水和储存冷量,而水-风板翅式换热器则是依靠自然风冷却并储存冷量。系统工作原理:当周围环境温度低于系统设定值的最小值时,要求阀门V01打开,而V02和V03处于关闭状态,此时,冷却水在换流阀内吸热升温后,在循环水泵的驱动下进入内冷空冷却器内,然后通过变频调速风机驱动室外空气,使其以冲刷换热盘管的翅片管表面的方式对循环水进行冷却,最后主循环泵将降温后的循环水再次送至换流阀内,从而实现循环冷却的目的;当周围环境温度较高时,要求阀门V01关闭,V02和V03均处于打开状态,系统在内冷空冷器出口端的旁通回路中设置一台板式换热器,使内冷循环水流入板式换热器与外冷蓄冷水进行热交换,实现内循环水的冷却。其中,外冷蓄冷水是取自地下一定深度水池中的自来水。当昼夜温差较大或夜间环境温度极低时,要求V04和V05打开,此时,在外冷循环水泵的驱动下,蓄冷水将被送入蓄冷空冷器和水-风板翅式换热器进行蓄冷。如此操作,不仅可以实现阀冷却系统在夜间蓄冷,白天释放冷量的功能,同时也降低整个系统的能耗。3系统的运行模式由于换流阀对进阀水温度有着严格的要求,温度过高或过低都将影响换流阀的正常运行。因此,在设计时综合考虑了进阀水温度、环境温度等其它因素,并给出相应的5种运行模式,使系统能够根据实时的进阀水温度和环境温度,自动地选取单种或多种组合的工作模式。此外,还将进阀水温度分成低温段、中温段、高温段及极高温段4个阶段,分别对应的温度是小于20℃、20～28℃、28～34℃、34℃以上,它们的设定值均可根据实际运行环境在人机接口处进行重新设定与修改。3.1电加热器分组投放系统的控制策略当进阀水温度处于低温段时,阀冷却系统将启动内冷主循环泵和电加热器对内冷循环水进行加热,以防止水温过低对换流阀造成损坏。同时,要求电动三通阀处于关闭状态,内冷循环水不再流入内冷空冷器,且电加热器将根据内冷循环水的温度进行分组投入与停止,以提高加热效率和节约能耗。系统配置了两组电加热器,其中,一组电加热器的启停温度设定值要大于两组电加热器的启停值,电加热器分组投入与停止的具体控制策略:(1)当进阀水温度小于一组而大于两组电加热器的设定温度启动值,或接近凝露报警时,则启动一组电加热器进行加热。(2)当进阀水温度小于两组电加热器的设定温度启动值或可能产生凝露报警时,则启动两组电加热器进行加热。(3)当两组电加热器在运行时,若进阀水温度大于两组而小于一组电加热器的停止温度设定值时,将其中一组电加热器停止加热。(4)当仅有一组电加热器在运行时,若进阀水温度大于一组电加热器的停止温度设定值时,则将该电加热器停止加热。(5)当出现电加热器过热、电加热器故障、电加热器温度传感器故障、内冷主循环泵未运行、内冷却水流量超低以及进阀水温度较高等情况时,应停止电加热器加热且相应的电加热器不允许启动。3.2调节开度的确定当进阀水温度处于中温段时,系统将以自然风冷的方式对换流阀产生的热量进行冷却,要求内冷主循环泵和电动三通阀启动,且内冷循环水进入内冷空冷器后,无需启动内冷空冷器的风机进行强迫风冷。此时,电动三通阀将根据进阀水温度所在的温度段按比例调节三通阀开度,进而调节内冷循环水进入内冷空冷器内进行冷却的比例。在系统中,电动三通阀调节开度的具体方式为:当进阀水温度处于极高温段时,系统设定的阀开度为100%,内冷循环水将全部流向内冷空冷器及室外换热设备中进行冷却;当进阀水温度处于高温段时,设定的阀开度为75%,此时,大部分的内冷循环水将流入内冷空冷器及室外换热设备进行冷却;而进阀水温度处于中温段和低温段时,设定的阀开度分别为50%、0%。此外,电动三通阀阀开度的设定值同样可根据实际运行环境在人机接口处进行设定与修改。3.3内冷空冷器风机控制方案设计当进阀水温度处于高温段,选择冷却模式时还要考虑环境温度这一因素。若环境温度低于进阀水温度目标值,则选择内循环风冷模式,使进阀水温度稳定在设定的目标值内。在该模式下,要求内冷主循环泵运行且电动三通阀处于全部打开状态,使内冷循环水全部进入内冷空冷器进行冷却,以提高内冷循环水的冷却效率。在系统中,内冷空冷器配置的9台风机全部采用PID控制,使其能够实时检测进阀水温度和进阀水温度目标值之间的偏差,动态地调节风机投入数量和运行频率,达到节能减耗的目的。内冷空冷器风机的具体控制策略:(1)当进阀水温度高于风机启动的设定温度值且持续1min后,启动第1台风机。(2)当系统中已有风机运行且为工频运行,同时进阀水温度仍高于进阀水温度目标值+1℃且持续3min,则启动第2台风机,同理,依次分别启动第3至第9台风机。(3)当系统中有多台风机运行(大于或等于2台)且均在设定的最低频率运行,同时进阀水温度低于进阀水温度目标值-1℃且持续3min,则将先启动的风机停运,同理,依次分别停止其它风机。(4)当仅有1台风机运行,同时进阀水温度低于风机停止的设定温度值且持续5min后,将该风机停运。其中,风机启动温度值、风机停止温度值、进阀水温度目标值等设定值均可在人机接口进行重新设定与修改,控制策略如图3所示。空冷器风机的转速是根据进阀水温度目标值与当前进阀水温度的偏差进行实时控制的。控制器首先根据当前进阀水温度与设定目标温度之间的偏差变化进行PID运算,然后输出一个模拟量信号给变频器,变频器再根据此信号的增大或减小控制频率的升降,实现控制风机实时转速来改变系统散热量大小的目的。如此操作,不仅可以使进阀水温度逐渐逼近且最终稳定在目标温度范围内,并且可达到精确控制进阀水温度的目的。控制原理图如图4所示。3.4外冷循环泵运行工况当环境温度高于进阀水温度目标值时,进阀水温度处于极高温段。由于室外环境温度极高,仅依靠内冷空冷器无法将内冷循环水冷却至进阀水温度目标值以下,此时可采用内循环冷却与板式换热组合的冷却模式。在该模式下,不仅要求内冷主循环泵运行、电动三通阀全部打开、空冷器全部投入且工频运行,同时,还需要启动外冷循环泵驱动外冷蓄冷水流入板式换热器,对内冷循环水进行冷却处理,以降低内冷空冷器的冷却容量,从而提高阀冷却系统的冷却容量及冷却效率,并降低阀冷却系统中设备的能耗。在本系统中,在内冷主循环泵运行的前提下,环境温度或进阀水温度高于进阀水温度目标值,且内冷空冷器的风机全部在工频运行时,需要启动外冷循环泵进行换热。若上述条件均满足且持续3min,则启动外冷循环泵驱动外冷蓄冷水和内冷循环水进行换热。同理,当环境温度低于进阀水温度目标值-1℃或内冷空冷器的运行频率低于40Hz时,外冷循环泵将停运并终止换热。其中,外循环泵采用冗余配置,且具有轮训启动、故障切换、手动切换等功能。外冷换热条件和外冷循环泵的控制如图5所示。3.5外冷蓄冷启动条件在哈密地区,冬季和春季时当地环境温度不高,依靠内冷空冷器即可将进阀水温度稳定在目标值范围内,无需启动室外换热设备和相应的辅助冷却设备。该地区在夏秋季节存在“昼夜温差大”的特点,在白天环境温度较高,需要启动板式换热器将内冷循环水与外冷蓄冷水进行换热,从而导致外冷蓄冷水温度的升高,而在夜间环境温度偏低,可启动蓄冷空冷器再次对外冷蓄冷水进行冷却处理以储存冷量。实践证明,这种冷却模式不仅可以弥补内冷空冷器在环境温度较高时无法将进阀水温度冷却至环境温度以下的缺点,还存在着冷却效果明显、蓄冷效率高,节省能耗等特点,适宜在我国西北地区极端环境中应用。外冷水蓄冷启动条件:(1)根据哈密地区的气候特点,在内冷循环泵运行的前提下,若连续3天的最高环境温度均高于启动蓄冷设定温度时,从该日起启动外冷水蓄冷;若连续10天的最高环境温度均低于停止蓄冷设定温度时,则从该日起停止外冷水蓄冷。(2)在正常蓄冷的时间段内,若当日时间达到启动蓄冷设定的时间时,开始蓄冷;若当日时间达到停止蓄冷的设定时间时,则停止蓄冷。(3)在正常蓄冷的时间段内,若当日环境温度低于启动外冷水蓄冷的设定温