關于特（超）高壓直流換流站閥冷卻系統冷卻方式的對比研究

黃殿龍，陳倩，潘明昊，陸為雨，楊震

（1.南方電網超高壓輸電公司昆明局；2.南方電網數字電網研究院有限公司,云南 昆明 650214）

晶閘管換流閥是換流站的核心設備之一，系統運行過程中會產生大量的熱，因此，可通過采用合適的冷卻方式提供晶閘管正常的工作環境，也提高系統的穩定運行能力。換流閥冷卻系統主要由兩個循環系統組成，即閥內冷卻系統和外冷卻系統。外冷卻系統的特點是非封閉的循環系統，其散熱方式是把換流閥里冷卻水中的熱量通過外部的換熱設備散到設備外。根據介質的不同，外冷系統的方式主要有水冷方式、空氣冷卻方式以及空氣冷卻串聯輔助水冷卻的方式。本文分別對水冷卻方式、空氣冷卻方式以及空氣冷卻串聯輔助水冷卻方式進行了介紹，并在換熱效率、復雜環境下的可靠性、初期投資以及維護與檢修等方面進行了分析與比較。

1 閥冷卻系統冷卻方式

（1）水冷卻方式。水冷方式主要通過冷卻塔進行散熱，冷卻塔是全封閉進行蒸發處理。其外冷需要的設備有：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、自循環旁路過濾系統等。工作原理是，冷卻水將換流閥晶閘管元件上產生的熱量帶走，通過水泵循環壓入冷卻塔中，冷卻塔中有處理散熱的換熱盤，冷卻水經過換熱盤時，冷卻塔頂的噴淋頭會把水噴淋水換熱盤上，冷卻水的熱量將噴淋水轉化為水蒸氣進行散熱，冷卻水得到冷卻，同時冷卻塔的抽風機將水蒸氣排到大氣中。冷卻水冷卻后，繼續循環進入換流閥中，繼續進行熱交換冷卻換流閥。

（2）空氣冷卻方式。換流閥外冷卻設備所用的空氣冷卻器為翅片管換熱器，也稱作空氣冷卻換熱器，簡稱空冷器。空氣冷卻器的原理是，冷卻水將換流閥元件中產生的熱量帶走，通過水泵進入空氣外冷設備中，空氣外冷設備是通過高頻的鼓風達到空氣流動從而散熱，散熱處為一個帶鋁翅片的散熱管，高功率的風機將室外的冷空氣驅進設備內，與散熱管熱表面交換熱量進行冷卻，經過散熱管后，冷卻水得到冷卻。循環送進換流閥中繼續進行冷卻工作。

（3）空氣冷卻串聯輔助水冷卻方式。空氣冷卻器無法將被冷卻介質的溫度降至環境溫度以下，空氣冷卻器多應用在寒冷、溫度偏低的地區；而閉式冷卻塔的散熱主要靠水分蒸發散熱，其耗水量較大，對水源依賴性很大，所以，閉式冷卻塔多應用在水分充足的地區。當空氣冷卻方式不能滿足冷卻需求時，需要在常規的系統外添加一套備用冷卻系統。在散熱需求不高時，只有常規的散熱設備運行，在系統高效運行或者外部環境溫度較高時，備用冷卻系統自動投入運行，緩解散熱需求。這種冷卻方式在一定程度上可以解決單一散熱設備存在的問題，相應地，其建造成本也會大幅增加。

2 各冷卻方式對比

本文分別從換熱效率、設備占地面積、水源要求、水電能耗、工業水池、凈水及廢水排放、設備噪聲、初期投資成本、多復雜環境條件下的可靠性，以及維護及檢修幾個方面對各冷卻方式進行比較與分析。

（1）換熱效率。水的導熱性能遠遠大于空氣，常溫情況時，水的比熱為4180kJ/m3·K，而空氣為1.2kJ/m3。水導熱系數同比是空氣的20多倍。這樣的導熱性會使二者的換熱性有著巨大的差別。根據牛頓冷卻公式可以算出二者的換熱系數，計算式如下：

式中，h為換熱系數，單位為W/m2·K；tw為壁面溫度，單位為℃；tf為流體，單位為℃。

由公式可知，水的熱系數為104W/m2·K，空氣為水的1/100。水冷系統的冷卻效率會遠大于空冷。

（2）設備占地面積。一般地，采用水冷卻方式時 ，水冷面積包括冷卻塔和噴淋水池，需要60～80m2的工作面積。而空氣冷卻面積需要300～350m2。因此，空氣冷卻方式的占地面積遠比水冷卻方式大。在高海拔環境下，兩者的換熱效率均有所下降。

（3）水源要求。水冷卻方式中，源水經過軟化、反滲透等處理成為合格的外冷水后，加入冷卻塔內對內冷水進行冷卻。但是，當源水的水質較差、較渾濁時，外冷水中鈣、鎂等離子含量將會超標，長期使用會降低對內冷水的冷卻效果。對于空氣冷卻方式來說，由于其冷卻效果主要來自風機，由風機驅動室外大氣沖刷換熱管束外表面進行散熱，因此，不需要水源水質的要求。

（4）水電能耗。空氣冷卻方式高峰時耗電300kW（不含室內設備），無須水源，也無排污，空氣冷卻方式高峰時耗電300kW（不含室內設備），無須水源、也無排污。水冷卻方式時，在高峰段，不包括室內設備用電耗電為45kW，同時耗水量為15m3/h，350t/d。因此，水冷卻方式耗水量大，耗電量小；空氣冷卻方式無耗水，但耗電量大。

（5）工業水池。在水冷卻的過程中，噴淋出的水會有不被蒸發的，可以收集起來進行循環利用。因此，可設置工業水池收集。為了使噴淋水系統在故障或者檢修時能維持工作，工業水池的容積設為300m3。而對于空氣冷卻方式來說，由于沒有外界水的交換損耗，因此，并無此項需求。

（6）凈水及廢水排放。空氣冷卻方式系統僅由變頻調速風機和換熱盤管組成，排水量極少。而對水冷卻方式而言，噴淋是冷卻的重點環節，需要保持效率，對水質質量有要求，會排放一部分含有化學藥劑的水，這些水難以再利用，且不能隨意排，只能排至下水道。

（7）設備噪聲。水冷卻方式利用水與空氣接觸蒸發吸熱，冷卻裝置數量少，運行時噪聲較低；而空氣冷卻方式系統由變頻調速風機和換熱盤管組成，冷卻風機臺數多，運行時噪聲大。

（8）初期投資成本。不考慮土建、水源以及供水設施投資其他因素，但從設備投資考慮，水冷卻設備主要有冷卻塔、加藥裝置、噴淋設施，空冷卻方式主要為空冷器。以現有的某換流站為例，空氣冷卻器約需要1200萬元，水冷卻設備約需要800萬元，空氣冷卻方式是水冷卻方式投資的1.5倍。

（9）多復雜環境條件下的可靠性。在嚴寒條件下，水冷卻方案會受到限制，寒冷的天氣會使水冷過程中的蒸汽在室外冷卻凝結成冰，覆蓋在設備附近，對系統的安全運行產生影響。而在高溫環境時，只依靠空氣冷卻會出現散熱效果不佳的現象，同時，嚴寒條件也會使空冷器結冰，影響換流閥正常工作。

空冷和水冷結合的混合冷卻可以兼顧多變的環境。在這種冷卻方案中，在效率要求不高的情況下，采用空冷方式，在散熱要求達到閾值時，使用水冷冷卻塔輔助散熱，從而達到保證冷卻效果。因此，空氣冷卻方式比水冷卻方式的可靠性更高，更適于復雜多變的環境。

（10）維護及檢修。空氣冷卻系統的日常維護和檢修并不復雜，平常只需對風機的工作狀態進行維護即可，而水冷卻系統的維護則需要定期添藥劑，為換熱盤的表面進行除垢等，復雜度上升。

3 結語

通過對閥冷卻系統各冷卻方式進行比較分析，可以得出：

從散熱性能來看，水冷卻方式具有較高的換熱效率，占地面積、耗電量以及噪聲均較小，適合水源充足，對系統散熱要求較高的應用場合。

從經濟和技術方面分析，空氣冷卻的方式不需要用水，不用化學藥劑，更加環保，設備構造簡單，運行方便。

空氣冷卻串聯輔助水冷卻方式結合兩種冷卻方式的優點，適用于復雜環境條件或單一設備無法滿足冷卻要求的場合，投資成本相對高于空氣冷卻方式。