±800 kV新松換流站換流閥外冷卻系統(tǒng)選型與設計

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(西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

滇西北至廣東±800 kV特高壓直流輸電工程是貫徹落實國家大氣污染防治行動計劃的重點輸電工程，工程建成投產后將滇西北水電送至珠三角地區(qū)，每年至少可減少珠三角地區(qū)煤炭消耗5.2×106t，減少二氧化碳排放量1.9×107t，減少二氧化硫排放量9400 t，節(jié)能減排效益明顯。該工程直流輸送容量為5000 MW，額定電壓為±800 kV，額定電流為3125 A；西起云南省大理州±800 kV新松換流站，東至廣東省深圳市±800 kV東方換流站，輸電線路總長大約1900 km。

換流站是直流輸電系統(tǒng)中完成交、直流電能轉換的站點，而換流閥是換流站內實現(xiàn)交、直流電能轉換的核心設備。換流閥內的晶閘管元件在運行過程中因功率損耗所轉換的熱量會導致晶閘管元件溫度上升，溫升一旦超過晶閘管的最高結溫，晶閘管就會損壞，因此換流閥需要使用冷卻介質循環(huán)吸熱排放到閥廳外，確保晶閘管結溫保持在正常允許的范圍之內[1-4]。因此，換流閥冷卻系統(tǒng)是確保換流閥安全可靠運行的重要保障。

±800 kV新松換流站位于云南省大理白族自治州劍川縣羊岑鄉(xiāng)，站址海拔高度2328 m。站址附近無可靠河流水源，在20 km范圍內有大干場水庫、玉華水庫、劍湖3個主要水庫(湖泊)，其富裕水量均能滿足換流站用水要求；站址地區(qū)四季溫差小，夏無酷暑，冬無嚴寒，多年極端最高氣溫僅32.7 ℃。因此，換流閥外冷卻系統(tǒng)具有采用水冷卻的水源條件，同時也具有采用空氣冷卻的氣象條件。下面依托±800 kV新松換流站工程設計，對水冷卻、空氣冷卻兩種外冷卻方式進行了技術經濟比較，完成了換流閥外冷卻系統(tǒng)的選型與設計，最終在南方電網域內±800 kV換流站的換流閥外冷卻系統(tǒng)設計中首次采用了空氣冷卻方式。

1 設計條件

1.1 水源條件

站址附近無可靠河流水源，在20 km范圍內有大干場水庫、玉華水庫、劍湖3個主要的水庫(湖泊)，根據(jù)換流站用水量計算分析，3個水庫(湖泊)的富裕水量均能滿足換流站的用水要求。

表1 站址水源

1.2 環(huán)境條件

站址地區(qū)屬低緯高原山地季風氣候，受太陽輻射、大氣環(huán)流、地理地貌等因素的相互作用，其主要氣候特征是：四季溫差小，垂直差異明顯，雨熱同季，干濕季分明，具典型的立體氣候特征。夏秋兩季受西南暖濕氣流、海洋季風和西南季風控制，雨量充足，6月至9月降雨量占全年降雨量的80%以上；冬春兩季受南支西風氣流、大陸季風控制，晴天多，日照充足，空氣干燥，雨量特少。站址主要環(huán)境條件見表2。

表2 站址主要環(huán)境條件

2 換流閥冷卻系統(tǒng)方案設計

2.1 冷卻系統(tǒng)概述

晶閘管換流閥是換流站的核心設備之一，在換流站中承擔交-直流轉換功能，其內部的晶閘管元件在運行過程中將產生大量的熱。大部分熱需要由冷卻介質通過熱交換帶走，才能使晶閘管元件的運行溫度不高于80℃，以保證元件的正常使用并防止其老化。因此在影響換流閥運行可靠性的多種因素中，散熱是至關重要的一個。所以選擇適當?shù)睦鋮s方式，并進行合理的設計，是使晶閘管閥的潛力得到充分發(fā)揮、提高系統(tǒng)可靠性不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一。冷卻介質的選擇應考慮電絕緣性、化學穩(wěn)定性、對材料的腐蝕性、對環(huán)境的影響和易燃性及應用的普及程度。可用的冷卻介質有水、油、空氣和氟利昂等，由于水在比熱容、換熱系數(shù)和對環(huán)境的影響等方面具有優(yōu)勢，綜合考慮節(jié)約用水及保證冷卻水的純度，目前換流閥內冷卻系統(tǒng)均采用閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，冷卻介質為去離子純凈水或蒸餾水。

與換流閥晶閘管元件進行了熱交換而升溫的閥冷卻水，須經過二次冷卻(外冷卻)降低水溫后再進入換流閥進行熱交換，如此周而復始地循環(huán)。故換流閥冷卻系統(tǒng)主要由兩個循環(huán)系統(tǒng)組成，即閥內冷卻系統(tǒng)和外冷卻系統(tǒng)。

換流閥內冷卻系統(tǒng)為閉式循環(huán)水系統(tǒng)，主要是為晶閘管閥提供冷卻水，吸收工作中換流閥所散發(fā)出的熱量，以維持換流閥的正常工作溫度。外冷卻系統(tǒng)為開式循環(huán)系統(tǒng)，是通過室外換熱設備將換流閥內冷卻水中的熱量排入大氣從而降低內冷卻水的水溫。

新松換流站直流輸送容量為5000 MW，直流額定電壓為±800 kV，直流電流為3125 A。±800 kV直流場采用典型直流雙極接線，換流區(qū)采用每極2組12脈動閥組串聯(lián)接線。全站設極1高端閥廳、極1低端閥廳、極2高端閥廳、極2低端閥廳，相應設置4套換流閥組。每套換流閥組設置一套獨立的閥冷卻系統(tǒng)，4套系統(tǒng)配置完全一致。換流閥采用5 in閥片，換流閥冷卻系統(tǒng)主要技術參數(shù)如表3所示。

表3 換流閥冷卻系統(tǒng)主要技術參數(shù)

2.2 外冷卻系統(tǒng)方案設計

換流閥外冷卻系統(tǒng)需對閥組提供足夠的冷卻容量，以保證閥組安全可靠運行。換流閥外冷卻系統(tǒng)的冷卻方式主要有兩種：水冷卻方式和空氣冷卻方式，根據(jù)工程條件，可采用全水冷卻、全空氣冷卻或空氣冷卻串聯(lián)輔助水冷卻的方式。

2.2.1 水冷卻方式

水冷卻方式的主要換熱設備為密閉式蒸發(fā)型冷卻塔，外冷卻系統(tǒng)主要設備包括：密閉式蒸發(fā)型冷卻塔、噴淋水泵、噴淋水池、噴淋水過濾及軟化裝置、加藥裝置、自循環(huán)旁路過濾系統(tǒng)等。

與換流閥晶閘管元件進行了熱交換而升溫的閥內冷卻水由循環(huán)水泵升壓進入密閉式蒸發(fā)型冷卻塔的換熱盤管內進行冷卻，閥外冷卻噴淋水經噴淋水泵升壓后進入密閉式蒸發(fā)型冷卻塔，均勻噴灑到冷卻塔內的換熱盤管內表面，同時冷卻塔所設置的風機不停地向上抽風，使內冷卻水中的熱量通過噴淋水的蒸發(fā)排入大氣，從而降低內冷卻水的水溫。冷卻塔出水回流至冷卻塔下面的噴淋水池中循環(huán)使用。水冷卻系統(tǒng)流程見圖1所示。

圖1 水冷卻方式系統(tǒng)流程

由于噴淋水不斷的蒸發(fā)將造成噴淋水含鹽量逐漸增加，為了控制鹽類濃度，防止噴淋水在冷卻塔換熱盤管外壁結垢而影響傳熱效率，需對外冷卻水系統(tǒng)進行連續(xù)排污并連續(xù)補水。補充水進水池之前需進行軟化處理，從而控制外冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍率，使循環(huán)水的含鹽量維持在某一定值。

為了減少外冷卻水的耗量，未蒸發(fā)的噴淋水將回收并循環(huán)使用，需設置室外噴淋水池收集噴淋水。考慮到在噴淋補水系統(tǒng)發(fā)生故障或檢修時冷卻系統(tǒng)可繼續(xù)運行一段時間，噴淋水池容積按300 m3考慮。

每套換流閥外冷卻系統(tǒng)選用3臺冷卻塔(3×50%容量)，當其中1臺冷卻塔被完全切除后(冷卻塔進出口閥門關閉)，另外2臺冷卻塔仍具有足夠的冷卻容量。每臺冷卻塔裝有2臺可調速軸流式風機，每臺冷卻塔對應2臺噴淋水循環(huán)泵(一運一備)。

根據(jù)新松換流站環(huán)境條件及閥冷系統(tǒng)設計參數(shù)進行計算，得到每套閥組水冷卻方案主要技術參數(shù)如表4所示。

表4 水冷卻方案主要技術參數(shù)

換流站閥廳為“面對面”布置方式，配合電氣總平面布置方案，每組3臺冷卻塔及水池布置于每極高、低端換流變壓器側空地上。為節(jié)省占地，縮短管道長度，減少管路損失，噴淋水池布置于地下，而冷卻塔布置于水池上。

噴淋水泵、噴淋水過濾及軟化裝置、加藥裝置及自循環(huán)旁路過濾系統(tǒng)均布置在閥內冷設備間內。

2.2.2 空氣冷卻方式

采用空氣冷卻方式時，外冷卻系統(tǒng)的主要換熱設備為空氣冷卻器，空氣冷卻器由換熱管束、風機、百葉窗、風箱、構架及附件(平臺、梯子)等組成。

與換流閥晶閘管元件進行了熱交換而升溫的閥內冷卻水由循環(huán)水泵升壓送至室外空氣冷卻器內的翅片管束，同時空氣冷卻器所設置的風機不停地向翅片管束送冷風，通過熱水和冷風之間的熱交換，使翅片管束內的水得以冷卻，降溫后的冷卻水再進入換流閥，如此周而復始地循環(huán)[5]，其冷卻系統(tǒng)流程見圖2所示。

圖2 空氣冷卻系統(tǒng)流程

空氣冷卻器的配置需滿足在極端最高溫度且換流閥達到最大負荷時，其總換熱面積仍有35%的冗余度。

根據(jù)新松換流站環(huán)境條件及閥冷系統(tǒng)設計參數(shù)進行計算，考慮到熱島效應影響，新松換流站的設計環(huán)境溫度為極端環(huán)境最高溫度加3 ℃熱島效應，得到每套閥組空氣冷卻方案的主要技術參數(shù)如表5所示。

表5 空氣冷卻方案主要技術參數(shù)

采用空氣冷卻器時，因空氣的換熱效率比水低，設備體積較大，且考慮到安裝、檢修條件，空氣冷卻器不能緊靠閥廳布置，需布置到離閥廳較遠的空地上。

2.2.3 空氣冷卻串聯(lián)輔助水冷卻方式

結合氣象條件及換流閥的進水溫度，當采用常規(guī)空氣冷卻方式不能滿足冷卻要求時，需串連運行一套輔助冷卻系統(tǒng)。當環(huán)境溫度或內冷水進閥溫度較低時，只運行空氣冷卻器；當環(huán)境溫度或內冷水進閥溫度較高時，自動投運輔助冷卻系統(tǒng)。

由于新松換流站極端最高氣溫僅為32.7℃，氣象條件較好，進閥水溫與室外氣溫的溫差較大，在夏季高溫季節(jié)，采用全空氣冷卻方案即可滿足換流閥冷卻要求，故不考慮增設輔助水冷的方案。

3 換流閥外冷卻系統(tǒng)方案選擇

新松換流站換流閥外冷卻系統(tǒng)具有采用水冷卻的水源條件，同時也具有采用空氣冷卻的氣象條件。根據(jù)站址水源及氣象條件對水冷卻及空氣冷卻兩種冷卻方式進行了技術經濟比較，以選擇經濟合理的換流閥外冷卻方案。

3.1 方案技術比較

兩方案技術比較見表6所示。

表6 換流閥外冷卻方案技術比較

根據(jù)技術比較可以看出，空氣冷卻方案無需水源、亦無排污，運行維護簡單，設備占地面積雖然較大，但相應的泵房及水池占地面積較小。水冷卻方案換熱效率高、占地小、噪音低，但水冷卻方案對水源要求高、站外輸水管線較長，噴淋水需要經常加藥，冷卻塔換熱盤管外壁表面易結垢，運行管理維護較復雜，并且存在排污問題，對環(huán)境有一定的影響。

3.2 方案經濟比較

經濟比較采用年費用最小法(動態(tài))，年費用最小法之年費用的計算公式為

NF=(Z0-L)×Sn+L×i+U

式中：NF為使用期內等額年費用；Z0為工程投資；Sn為年固定費用率，取Sn=0.097；U為年運行費用；L為工程殘值，取L=0；i為投資回收率，取i=9%；n為經濟使用年限，按30年考慮。

經濟比較主要是有關水源、取水設施及管道、冷卻設備、運行費用等方面的比較，經濟比較結果如表7所示。

表7 換流閥外冷卻方案經濟比較

從表7可以看出，空氣冷卻方案初投資費用較水冷卻方案低，且折算到使用期內的等額年費用也較低。

3.3 方案選擇

合理選擇換流閥外冷卻系統(tǒng)冷卻方式，對保障換流站安全運行具有重要意義。

由于新松換流站站用水源均較遠，輸水管線較長，敷設困難，運行管理復雜；站址區(qū)夏季氣象條件較好，多年極端最高氣溫僅為32.7 ℃，具有采用空氣冷卻方式的氣象條件，采用空氣冷卻方式既能保證換流閥的安全運行，又不會使空冷系統(tǒng)配置過大；同時，空氣冷卻方式沒有水的蒸發(fā)損失，也無風吹和排污損失，節(jié)水效果明顯，既消除了運行維護的不便，也避免了因水霧、排水而對站區(qū)周圍環(huán)境的影響，有利于保護當?shù)氐淖匀画h(huán)境。綜合技術分析及經濟比較結果，新松換流站換流閥外冷卻方案推薦采用空氣冷卻方案。

4 海拔高度對換流閥外冷卻系統(tǒng)設計的影響

新松換流站站址海拔高度2328 m，地處高海拔地區(qū)。大氣壓力及空氣密度均受海拔高度影響，海拔高度每升高1000 m，相對大氣壓力降低約12%，空氣密度降低約10%。因此，相對低海拔地區(qū)，新松換流站空氣冷卻器的設計需考慮以下幾方面的影響。

4.1 對散熱量的影響

隨著空氣密度的降低，空氣冷卻器的散熱量會大幅度地減少。因此在空冷塔選型計算過程中，應充分考慮空氣密度變化所帶來的影響，如傳熱系數(shù)、空氣質量、空氣流量、風機外壓等，并把這些參數(shù)融人到空氣冷卻器的選型計算中進行精確的散熱量計算。

空冷器的換熱量計算公式為

Q=Gcp(t2-t1)

(1)

式中：Q為散熱量，kW；G為單位時間內空氣質量流量，kg/s；cp為空氣定壓比熱，kJ/(kg·℃)；t1、t2分別為空氣進、出口溫度，℃。

其中空氣質量流量與空氣密度成正比關系，故空氣密度越低，散熱量越小，因此為保證有足夠的冷卻能力，需加大空冷器的傳熱面積。

4.2 對電動機出力的影響

在海拔較高地區(qū)，電動機的出力由于空氣密度的減少而有所減少(空氣密度減少時，電動機的散熱量減少，會影響其出力)[6]。風機的電動機功率PM的計算公式為

(2)

式中：K為電動機容量安全系數(shù)，取1.15；qV為體積流量，m3/s；P為風機全壓，Pa；ρq為計算條件下的空氣密度；η1、η2為分別為風機效率和傳動效率。

結合當?shù)貧鈮?69.2 hPa，則當?shù)乜諝饷芏仁菢藴蚀髿鈮毫Φ?.86倍，因此風機輸出功率僅為在海拔1000 m以下標準大氣壓力時的86%，在選用風機的電動機時應加以考慮，根據(jù)具體情況設計風機電動機額定容量，以保證合適的裕度。

5 結 語

1)新松換流站站址20 km范圍內有大干場水庫、玉華水庫、劍湖3個主要水庫(湖泊)，其富裕水量均能滿足換流閥外冷卻系統(tǒng)采用水冷卻方式的用水量要求，站址具有采用水冷卻方式的水源條件；站址多年極端最高氣溫32.7 ℃，考慮3 ℃熱島效應后，設計環(huán)境溫度為35.7 ℃，低于進閥水溫8.7 ℃，站址具有采用空氣冷卻方式的氣象條件。

2)從技術比較來看，相比水冷卻方式，空氣冷卻方式無需水源、亦無排污，是一種節(jié)水、環(huán)保的冷卻方式，并且運行維護簡單。從經濟比較來看，結合新松換流站站用水源條件，空氣冷卻方式的使用期內等額年費用較低。因此，綜合考慮，新松換流站換流閥外冷卻系統(tǒng)推薦采用空氣冷卻方式。

3)新松換流站站址海拔高度為2328 m，地處高海拔地區(qū)，大氣壓力及空氣密度均受海拔高度影響，空氣冷卻器的設計需考慮海拔高度對于散熱量、電機出力的影響。