牛寨換流站閥廳設備運行環境控制改進分析

張杰 何其愚 丁漢林 李更達 郭明登 李超 夏子軍 李琳 杜天成 唐帆

1 南網超高壓輸電公司曲靖局

2 云南新天地人工環境工程有限公司

0 引言

換流站閥廳運行時靜電大，粉塵容易吸附在閥塔內各種電子電路板卡上，易造成晶閘管誤導通。近年超高壓系統內也發生過因為閥廳“污穢”導致的晶閘管誤導通事件，直接影響直流系統的正常運行。同時粉塵過多也造成空調系統維護工作量大、系統故障率升高。因此很有必要對閥廳設備運行環境控制進行系統研究，找到粉塵高的原因及解決辦法[1-3]。

在空調系統的設計中，空調過濾、閥廳空氣正壓控制是閥廳粉塵的控制手段，此外并無其它的特殊控制手段，如風管并沒有采取控制粉塵的手段，也沒有對粉塵含量進行檢測的設置，人員進入也不需要特殊的清潔處理，這也是南方電網各換流站閥廳標準做法[4-5]。

鑒于此，本文主要致力于閥廳通風空調系統粉塵來源與控制的研究。

1 閥廳環境現狀

1.1 閥廳空調功能構成

本文以±文以調kV 牛寨換流站閥廳空調系統作為研究對象。閥廳空調系統由冷水機組，水泵及水系統，組合空調，電氣及控制系統等組成，具有對閥廳溫濕度控制（包括升溫降溫、加濕降濕）和空氣過濾功能。閥廳現場水冷螺桿機組有加熱和制冷兩種模式運行，加熱模式幾乎不用。降溫采用的式冷水機組產生的冷凍水，降濕是通過電加熱器加熱空氣方式實現，加濕采用高壓噴霧加濕方式。牛寨換流站所處地方常年空氣比較潮濕，電加熱器啟動較多，加濕功能不需要使用也從未使用，其它功能均能正常使用。

1.2 閥廳空調系統構成

根據設計資料，閥廳空調系統構成如下：

1）四個廳的空調系統形式和設備選型相同，采用出風冷熱水機組，空調機組，風管，閥門和風口等組成的中央空調系統。

2）該系統采用兩套完全相同的機組，以保證100%備用。機組交替運行以保證均勻磨損。由運行機組到備用機組的切換自動進行。

3）空調系統具有變化新回風的功能，可在室外空氣溫度合適的季節大量使用室外的新鮮空氣以節約能源和降低運行費用，新風量可根據室外溫度的變化自動調節。

4）風冷冷熱水機組，組合式空氣處理機組，水泵和補水定壓裝置均露天布置在閥廳外靠近閥廳處。

1.3 主要參數與設備清單

1.3.1 閥廳設計參數

按閥廳空調系統設計，閥廳設計溫濕度如下：

1）溫度：10～50 ℃

2）相對濕度：25%～60%

3）房間正壓值：5～30 Pa

這一組設計數據中，相對濕度和正壓值的要求還算正常，溫度要求范圍則過寬。按這么寬的溫度要求范圍，閥廳不需要設置制冷或采暖空調，僅靠有控制的通風系統即可滿足溫度要求。實際運行中，閥廳溫度范圍為：18～30 ℃

1.3.2 主要設備清單

表1 為主要設備清單配置表。

表1 主要設備清單配置表

1.4 設備現狀

整個空調系統雖有較高故障率，自控系統經常異常報警，但空調本體設備正常運行時能滿足閥廳溫濕度要求。

現場觀察，空調系統也是外觀良好，運行中的空調本體設備沒有異常狀況。

針對換流站閥廳通風空調系統，依據日常運行人員的走訪、運行參數記錄、現場參數實測、與南方電網內其他換流站的對比，從圍護結構完整性、空氣溫濕度、空氣成分三個方面，對設備運行環境進行分析。

1.5 圍護結構完整性

換流站閥廳是完整的密閉式的工業廠房，墻體結構完整，滿足一般空調要求。但局部密封性不夠。主要表現為：

1）廠門密封不嚴。部分廠門有明顯縫隙。

2）消防排煙風機密封不嚴。閥廳設置獨立的排煙系統，排煙由安裝在閥廳外墻上部的消防高溫排煙軸流風機進行排煙，在確認火被撲滅不會復燃的情況下，手動打開安裝在排煙風機進行風口處的排煙防火閥和排煙風機進行排煙。正常情況下，排煙防火閥應該處于關閉狀態，實際檢查發現，許多閥門存在明顯縫隙，甚至有閥門處于開啟狀態，如圖1 所示。

圖1 風閥處于開啟狀態

閥門密閉不嚴或直接處于開啟狀態，還可以從各個閥廳地板上大量可見的飛蛾中得到印證。

因換流站閥廳防塵需要，要求排煙風閥為常閉且密封良好。但從實際情況來看，排煙風閥密封狀態顯然是不滿足要求的。

1.6 粉塵問題

空氣成分問題包括O2、CO2濃度、粉塵等等。其中O2、CO2等氣體濃度對閥廳運行設備不構成影響。但閥廳粉塵含量高，對設備運行影響較大，這是各換流站存在的共性問題。

2 粉塵原因分析

閥廳設備正常運行時并不產生粉塵，閥廳粉塵多則只有如下兩個可能的原因：空調設備不正常，失去過濾粉塵的能力。外界不停有粉塵進入。

2.1 確認閥廳負壓是產生粉塵的主要原因

粉塵能從外部環境直接進入了閥廳，最直接的就是外部空氣透過閥廳的各種縫隙和通道進入內部。除了強風等因素以外，空調系統會在閥廳內形成正負壓，正壓則室內空氣向外流動，負壓則室外空氣透過縫隙和通道被吸入閥廳內部[6-7]。

2.1.1 房間正負壓理論分析計算

閥廳維持正壓或負壓是組合空調里送風機和回風機合力運行的結果。當送入閥廳的空氣明顯多于從閥廳抽出的空氣時，閥廳維持正壓，反過來則維持負壓。對于固定的房間，所需要的風量差與正負壓差的平方成正比。這一風量差值就是系統的新風量。

設計資料顯示，閥廳按正壓5～30 Pa 設計。對門窗緊閉的一般密封性房間，需要按正壓5～30 Pa 維持正壓，則需要進出風量差折合成換氣次數1～4 次。每套組合空調所對應的單個閥廳空間容積為34000 m3，即：送風量-回風量=34000～136000 m3/h。

需要特別說明的是，房間正負壓差值取決于送排風狀況，也取決于房間的密封性。由于房間的縫隙量不可計算，因此維持正負壓所需要的風量差也法做準確的理論值計算，一般按經驗值計算。閥廳若能做到密封性良好，所要求數值可以適當偏降低。

2.1.2 形成負壓原因分析

根據前述，當送風量明顯高于回風量，雖不足以形成設計的正壓值，但也不會形成負壓。經現場查看銘牌，數據顯示：回風機風量與送風機一致，均為43362 m3/h，如果雙風機都按著風量運行，閥廳里不會產生正壓、也不會產生負壓。即使按設計數據，閥廳已很難產生所期望的正壓值，而實際供貨與設計還發生不良偏差，系統也不可能產生正壓。顯然，組合空調的運行工況沒有按設計值進行。

再考慮組合空調中新回風平衡閥的存在（如圖2所示），平衡閥之前是排風口和新風口，理論上平衡閥之前的風阻由回風機承擔，之后的風阻由送風機承擔。顯然，盡管同樣風量下送風機的全壓要高于回風機，但是它們承擔的阻力比例要高于全壓比例，故而回風量偏大、送風量偏小，從而導致了全面性的閥廳負壓。

圖2 組合空調功能段結構（局部）

2.1.3 實測確認負壓

進入閥廳的觀測門處實測，門開縫8 cm 時流入的風速達1.0 m/s。

實測表明，四個閥廳空氣全處于明顯負壓狀態。加之圍護結構存在各種空隙，意味著不停有空氣從室外直接進入閥廳。盡管換流站所遠離城市和工地，周邊沒有特別的粉塵源，但直接進入閥廳的新風會源源不斷帶入大量粉塵。

由此說明，閥廳負壓是造成閥廳粉塵多根本原因。

2.2 孔洞效應

閥廳負壓及多處空洞和縫隙，導致未經處理的空氣從室外直接進入閥廳，源源不斷帶入粉塵。

同時飛蛾進入并陳尸閥廳后，尤其在閥廳電氣設備上時，飛蛾干燥、粉狀化，經空調風一吹，又是一個新的粉塵源了。

3 改進措施

3.1 改進思路

既然是閥廳負壓是粉塵進入的主要原因，而閥廳結構不完整形成孔洞效應，導致負壓狀態下，粉塵能夠輕松進入。那么改進的思路就要圍繞這兩個方面來著力解決：營造閥廳正壓環境，降低孔洞效應。

3.2 正壓環境分析

3.2.1 設計對正壓的考慮

要維持閥廳正壓，核心問題即要維持閥廳足夠的新風量，然而設計資料對閥廳最小新風量的要求為該系統新風量除可在冬。夏季按總風量的10%取值外，還具有變化新回風比的功能，可在室外空氣溫濕度合適的季節大量使用室外新鮮空氣以節約能源和降低運行費用，新風量可根據室外溫度的變化，按總風量的10%～100%自動調節，作為空調設計的衛生新風量。換句話說，設計文件雖然說到要維持一定正壓，但在具體實施時并沒有采取相應的措施。

3.2.2 正壓風量分析

資料顯示，送風機風量為43362 m3/h，回風機風量為39026 m3/h。送風量高于回風量，其差值為：43362-39026=4336m3/h。

這一差值遠低于前面所述的34000 m3/h，即除非閥廳有非常好的密封性，否則難以形成足夠的正壓。

3.3 改進方案和措施

3.3.1 閥廳孔洞處理

仔細檢查閥廳門墻及排煙風機所形成的孔洞和縫隙，并進行密封處理，切實保證閥廳的密閉性能。設計可靠的空調系統和消防排煙系統聯動機制，確保排煙風閥不會誤開啟。

3.3.2 組合空調改造

由于送風機和回風機的組合空調設計，是形成負壓的主要原因之一，所以改造組合空調，是改進措施的重點所在。

原系統設置有送風機和回風機，這一模式稱為組合空調的雙風機模式。雙風機模式一般用于以下兩種場合：①室內產生有害氣體需要有序排放。②系統和風管結構復雜，阻力大。

顯然，閥廳并不產生需要有序排放的有害氣體，空調系統就設置在閥廳旁邊，風管并不很長且組合空調功能段也不復雜，因此可以改用單風機模式。

單風機模式更便于進行回風量與新風量的分配，更能保證室內正壓，同時單風機模式故障率更低、維修工作量更小。

新的風機風量可按原設計43362 m3/h 選取，風壓則可按850 Pa 選取。

配合雙改單，需要將組合空調功能段改造成如圖3 所示的形式。

圖3 改進后的風柜示意圖

這一改造包括如下主要內容：

①改雙風機模式為單風機模式。注意其中新風和回風仍應保留必要的防火調節閥，并在最終調試后確認個閥門的標準開度和新風閥的最小開度。實際改造過程中，也可考慮設置必要的中間段（非功能段），原有的加濕段和加熱段如需保留也可保留在表冷段之后，同時保留原有的各調節閥門及其控制模式。

②修改初效過濾段與回風口的相對位置。原設計新風回風混合后先后經過初效過濾器和中效過濾器，考慮到從閥廳返回的空氣并無粗大雜質需要過濾，可以直接進入中效過濾器，故做如此修改。修改后可降低整個風系統阻力，降低風機負荷，這也是空調行業的常規方案。

3.3.3 正壓調試

每個建筑物因其密封性不一樣，維持其一定正壓所需要的風量不一樣，應該耐心實測和調試，不能僅憑設計數據了事。

因此，上述改造完成以后應該耐心對每個閥廳進行正壓調試，在這一過程中應掌握新風量與閥廳正壓的關系，確定最小新風量和新風閥最小開度位置。

當然，調試過程中也可以確認為節能而在低溫季節允許的最大新風量，甚至掌握全新風運行工況（如可能實現）的控制模式。

3.3.4 設置負壓報警

為了保證系統能夠按照改進設計方案良好運行，設置閥廳內外微壓檢測與報警裝置，當檢測到正壓低于5 Pa 時報警，報警可直接接入現有控制系統，也可直接于合適位置設置聲光報警。

4 結論

牛寨換流站因空調設備原因導致閥廳形成負壓，未經處理的空氣通過閥廳墻體上的孔洞和縫隙從室外源源不斷直接進入閥廳，帶入粉塵，導致閥廳粉塵含量高。

要解決該問題，一方面要改造組合空調，使之能保持閥廳正壓，另一方面也需要加強閥廳墻體密封性，降低孔洞效應。