特高壓換流站閥冷卻系統優化設計

閆 俊，周 策，杜麗華

（國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

0 引言

近年來，隨著我國電力事業的發展，特高壓換流站的建設與應用得到越來越廣泛的關注。作為電力輸送的關鍵一環，特高壓換流站的安全與穩定成為電力建設的重要研究課題。在特高壓換流站的幾大功能模塊中，閥冷卻系統是其最重要的輔助設備之一。在實際運行過程中，它可以直接給出閉鎖指令，引發換流站工作故障，從而直接影響整個直流系統的運行[1]。

1 閥冷卻系統

換流站中最核心的設備是換流閥[2]，它在進行交直流轉換過程中會產生大量的熱量，閥冷卻系統通過冷卻介質帶走這些熱量，從而使換流閥維持在一定的安全溫度范圍內。雁門關換流站閥冷卻系統以水作為冷卻介質，由閥內冷系統和閥外冷系統兩部分組成，其中，閥內冷系統分為一級冷卻回路和二級冷卻回路，閥外冷系統作為三級冷卻回路，閥冷卻系統流程圖如圖1所示。

1.1 閥內冷水系統

閥內冷水系統是一個密閉的循環水系統，其直接將閥體中各元器件產生的熱量排放到閥廳外，因此，閥內冷水系統一般對水質的要求較高。雁門關換流站閥內冷卻系統主要包括主循環回路、水處理系統、風冷系統、加熱器、數據采集系統等。如圖1中內冷卻系統流程圖所示，內冷水有2個循環方式，分別作為一級冷卻回路和二級冷卻回路。

在閥內冷水系統中，主循環回路主要包含主循環泵、管道回路、補水泵、補水罐、膨脹罐、各種閥門等，其中，主循環泵配置2臺，互為備用；補水泵配置2臺，互為主輔；補水罐用來存儲蒸餾水，當內冷水系統水量不足時，通過補水泵為內冷水提供水源；膨脹罐的主要作用是減緩內冷水因水溫的變化而帶來的膨脹壓力，并對內冷水的水位起到一定的監視作用。水處理系統由過濾器、脫氣罐、離子交換器組成，通過水處理系統使內冷卻水具有低導電率，無結垢、結塊、氣泡等現象，確保閥內冷系統水質。風冷系統作為閥內冷卻系統主要的冷卻方式，通常配備變頻控制器根據內冷水的溫度調節風扇轉速，從而將內冷水控制在一定的溫度范圍內。從圖1中可以看出，閥內冷系統在主循環泵及風冷系統前都配置有若干加熱器，這是為了防止因環境溫度過低導致內冷水溫度低于0℃以下，造成管道結冰、凍裂，管路及換流閥器件表面凝露等危險情況發生。數據采集系統主要包括一些濕度、壓力、溫度表計等。

圖1 閥冷卻系統流程圖

當啟用一級冷卻回路時，電磁閥1、三通電磁閥1、電磁閥2、三通電磁閥2均關閉，內冷卻水經過換流閥閥廳將晶閘管元件工作時產生的熱量帶走，通過主循環泵提供的循環動力在一級冷卻回路中進行循環，并在循環的過程中將一定的熱量散發至周圍環境中。可以看出，一級冷卻回路僅適用于換流閥溫度不高或者環境溫度較低的情況。當換流閥發熱量較大，一級冷卻回路不能滿足換流閥散熱要求時，電磁閥1、三通電磁閥1，或者電磁閥2、三通電磁閥2打開，內冷卻水經過主循環泵后進入二級冷卻回路，流通至風冷系統進行二級降溫，然后再循環至換流閥。

1.2 閥外冷水系統

閥外冷水系統是一個非密閉的循環水系統，其主循環回路主要包括噴淋泵、管道回路、緩沖水池、原水及各種閥門等，其中，每臺冷卻塔配備有主、備兩臺噴淋泵，為外冷水循環提供動力；雁門關換流站共配置2臺冷卻塔，每臺冷卻塔配有噴淋裝置，以及2臺變頻冷卻風機；水處理系統主要包括加藥回路、過濾器、軟水器等，防止外冷水結垢、腐蝕管道；與閥內冷系統相似，閥外冷水數據采集系統主要包括一些濕度、壓力、溫度表計等。

雁門關換流站閥外冷水系統作為三級冷卻回路來維持換流閥體溫度，當一級、二級冷卻回路都不能滿足換流閥降溫需求時，投入閥外冷水系統，并根據實際情況選擇投入冷卻塔的數量，此時噴淋泵、冷卻風機啟動，外冷卻水從緩沖水池通過噴淋裝置為內冷水管道進行降溫，產生的蒸汽由冷卻風機排出，從而加快熱交換速度，剩余外冷卻水再次排入緩沖水池。加藥回路旁路泵、加藥泵應處于常開狀態，確保外冷卻水水質達標。當緩沖水池水位較低時，補水閥開啟，原水經過濾器、軟水器處理后進入緩沖水池，迅速補充外冷卻水。當環境溫度處于高溫階段，閥體溫度較高時，可向緩沖水池中加入適量冰塊，以迅速降低換流閥溫度。

1.3 閥冷卻控制系統

閥冷卻控制系統對冷卻設備直接下達指令，起到大腦指揮作用，是閥冷卻系統穩定、安全運行的保障，也是其核心內容。閥冷卻控制系統的主要內容包括冷卻系統的控制、保護及監控。閥冷卻系統的交、直流電源，可編程邏輯控制器PLC（programmable logic control） 的中央處理器CPU（central processing unit）、模擬量及數字量輸入輸出模塊I/O（input/output）模塊、通信模塊均采用冗余配置。當一路電源或控制單元發生故障時，進行無擾切換，確保閥冷卻系統安全穩定、不間斷運行。

2 閥冷卻系統故障分析

作為換流站的重要輔助系統，閥冷卻系統必須保持長期安全、可靠運行。據統計，有近25%的換流站閉鎖事故是由閥冷卻系統故障引起的[3]。本文通過統計分析事故案例，將這些事故的原因分為設備故障、控制及保護缺陷、管理缺失3個方面。

設備故障是閥冷卻系統跳閘的主要因素，常見的有循環泵故障、閥門故障、傳感器擾動誤報、傳感器故障、系統漏水、水管脫落、腐蝕、電導率過高等。例如鵝城換流站曾因內冷卻水管法蘭漏水引發系統跳閘，導致停運[4]。

控制及保護缺陷一般是由控制及保護策略設計缺陷導致，在閥冷卻系統處于特殊工作狀態或受到干擾時，控制器下達錯誤指令使得系統跳閘，引發換流站閉鎖。常見的故障有：保護定值設置不合理、傳感器未冗余配置、泵切換失敗、保護跳閘延時不合理等。例如，2013年7月，復龍換流站站用電系統異常震蕩，致使循環泵切換失敗，引發低流量保護動作跳閘[5]。

閥冷卻系統管理缺失會間接導致設備故障、控制及保護缺陷，通過對多起閥冷卻系統故障分析可以看出，閥冷卻系統安全穩定運行離不開嚴謹、全面的管理體系。例如，鵝城換流站可通過定期設備巡檢發現內冷卻水漏水征兆，進而避免系統事故。

根據以往發生的事故案例，多數文章對某特定故障類型進行分析并提出相對應的優化和整改措施[6-10]，從而提升閥冷卻系統安全性，但是這樣易忽視整個系統內模塊之間、系統與管理之間的關聯性。因此，本文根據以往的閥冷卻系統故障的相關案例分析，結合雁門關換流站的實際情況提出閥冷卻系統及管理優化方案，進一步提升閥冷卻系統的可靠性。

3 閥冷卻系統優化

3.1 循環泵切換優化

電源切換可能使主、備循環泵發出瞬時故障信號，引發循環泵切換失敗，因此在循環泵切換控制系統中，應當將電源切換時循環泵故障信號發出時間延時1 s，避免誤發故障信號引發循環泵切換失敗。其系統邏輯圖如圖2所示。

圖2 循環泵切換保護邏輯圖

3.2 在線儀表檢測優化

雁門關換流站閥冷卻系統中主要有溫度、壓力、流量、液位等9類共200余塊儀表和傳感器，這些設備是閥冷卻系統運行參數的重要依據。為避免異常干擾、擾動等引發系統跳閘，對主要保護邏輯進行優化，重要測點采取3取2的冗余方式：模擬量均無故障時，從3個選取數值取中值進行判斷；1臺儀表故障時，從其余2個測點取均值進行判斷；2臺儀表故障時，采用單臺無故障測點數值進行判斷；3臺儀表均故障時，發出傳感器故障信號。

雁門關換流站多處儀表、傳感器安裝未滿足最小影響原則，易導致壓力測點受到影響、測點數據不準確等問題。為避免此類問題發生，應調整儀表、傳感器安裝位置，將測壓儀器安裝于測溫儀器之前，儀表、傳感器安裝距離避免過近，以減少干擾。

3.3 系統保護優化

雁門關換流站閥冷卻系統主要配備壓力低保護、流量低保護、溫度高保護、微分泄漏保護、液位低保護，為避免系統擾動、瞬時超限引發系統跳閘，在跳閘信號發出之前，應先后設置報警和延時邏輯，系統邏輯圖如圖3所示。

圖3 閥冷卻系統保護邏輯圖

3.4 風機控制優化

雁門關換流站閥冷卻風冷系統共配置5排、8列共40臺冷卻風機，其中，第1、2排冷卻風機為變頻風機，用以調節風冷系統控制溫度，其余為工頻風機。風冷系統是二級冷卻回路主要內容。考慮到雁門關換流站緯度較高，冬季時節前后晝夜溫差大等特點，對風冷系統進行控制優化，進而降低能耗、提高冷卻效率，具體內容有以下幾方面。

a）當進閥水溫處于低溫度段時，閥冷卻系統主要通過一級冷卻回路自然冷卻和加熱器對內冷水溫度進行控制。

b）當進閥水溫進入中溫段并未達到高溫段時，電磁閥1、三通電磁閥1，或者電磁閥2、三通電磁閥2打開，此時冷卻風機無需啟動，系統主要以自然冷卻方式運行。其中，冷卻強度通過三通電磁閥開度控制，以中溫段初始溫度時三通電磁閥開度為0%，高溫段初始溫度時三通電磁閥開度為100%進行線性控制，從而調節內冷卻水進入風冷系統的比例。

c）當進閥水溫進入高溫段，且高于風機啟動值保持1 min后，投入風冷系統，第一排冷卻風機啟動，當第一排有風機工頻運行時，且進閥水溫高于目標值1℃并持續1 min，啟動第二排風機，同理依次啟動第三排至第五排風機。其中第一、二排風機為變頻風機，采用比例—積分—微分PID（proportion-integral-differential） 控制風機投入數量和運行頻率。

d）當進閥水溫低于目標值1℃且持續1 min后，依次停止先啟動的工頻風機，最后降低變頻風機運行頻率，直至停止。

e）當環境溫度發生驟降，進閥溫度超過報警值時，風冷系統前加熱器應自動運行，再進行風冷系統退出作業，避免溫度急劇降低，風冷系統來不及完全退出，引發管道結冰、凍裂等事故。

4 閥冷卻系統管理優化

4.1 系統性能試驗

控制系統的可靠性對于閥冷卻系統尤為重要，要求在年度檢修項目中進行相應系統性能試驗，主要包括：電源切換試驗、各類備用泵聯鎖啟動試驗、各項系統保護動作試驗等。定期主循環泵切換應選擇低負荷時間段，避免切換失敗對電網系統造成影響。

4.2 報警分級

雁門關換流站閥冷卻系統未進行系統報警分級，易使工作人員面對報警時不分主次，隨意采取緊急處理措施，導致重要隱患無法第一時間處理得當，而當報警信息頻繁時，易放松警惕，忽略重要隱患。因此，建議將閥冷卻系統報警進行三級分類，其中第三級報警優先級、重要程度最高。面對三級報警時，工作人員需立即行動，采取應急方案。當面對優先級較低報警信號時，工作人員可有時間對信息進行分析、排查，避免高危隱患發生。

在各項保護定值中也應進行分級設定，例如，內冷水閥前溫度保護定值應設定低一值、低二值、低三值。低一值表明閥前溫度低于設定溫度，但短時間不影響系統運行，超過低一值時應發出一級報警信號；低二值表示閥前溫度明顯低于設定溫度，有可能影響系統運行，超出此值時應發出二級報警信號；超過低三值則表示閥前溫度已不滿足系統運行條件，立即發出三級報警信號，并經過延時后發出跳閘信號。

4.3 儀表及傳感器整改

雁門關換流站閥冷卻系統配置近200塊儀表、傳感器，這些表計部分未進行檢定工作，表計精確度無法得到保證。針對此問題，應在每次年度檢修期間進行表計送檢、量值傳遞工作，確保各表計精度準確、降低故障發生率；同時，各類冗余表計、傳感器數值都應顯示在系統換面中，而不應當僅顯示模擬量冗余計算后的取值，這樣不利于故障信號的判斷。

5 結束語

統計分析了全國近期閥冷卻系統事故案例，提出了增加循環泵故障信號時間延時進而避免錯誤跳閘，重要測點采取三取二的冗余方式，加強儀表、傳感器量值傳遞工作，建立報警分級制度，優化風機控制系統，健全在線儀表檢測、報警分級、系統保護、風機控制、系統性能試驗等閥冷卻系統性能試驗機制等優化方案，從而提高閥冷卻系統安全性和穩定性，可為其他相關工程改進提供借鑒。