特高壓換流站閥冷系統平衡水池抽水功能的完善

李昊，劉釗

(國網寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

0 引 言

隨著國家西電東送戰略、國家電網公司“全球能源互聯網”戰略的深入推進，特高壓交直流輸電工程的數量逐年增長[1-2]。換流閥是特高壓直流輸電工程的核心設備，是實現交直流電能轉換的核心功能單元[3]。換流閥在進行交直流電能轉化功能時，閥內各類元器件會產生大量的熱[4]。為防止閥內元器件過熱導致運行異常，換流閥配有專用的閥冷系統進行熱交換[5]。特高壓換流站閥冷系統通常由3部分組成：閥內冷系統、閥外風冷系統以及閥外水冷系統[6]。閥內冷系統主要用于轉移換流閥內的熱量至閥廳外，閥外風冷系統以及閥外水冷系統配合對閥內冷系統冷卻介質攜帶的熱量進行交換[7]。

閥外水冷系統使用的外冷水經過過濾、軟化、除藻滅菌等處理流程后儲存在平衡水池中，當閥冷系統進閥溫度達到定值后，噴淋泵帶動平衡水池中的外冷水參與到閥冷系統的熱量交換中[8]。通常情況下，特高壓換流站的4個閥組對應配置4個平衡水池，每個平衡水池蓄水量平均在300 m3左右。

為保證平衡水池儲存的外冷水水質符合要求，每年需要對平衡水池排空進行檢查及清洗?？紤]到資源節約，直接排空平衡水池內的1 200 m3外冷水過于浪費，因此采用排空1池300 m3外冷水后其余3池水相互轉移的方式進行?，F有外冷水轉移方式為放置臨時潛水泵，通過消防水帶進行轉移。由于臨時潛水泵的功率有限，該轉移方式需要消耗大量時間，占用了整個平衡水池檢查清洗作業時長的極大比重。此外，平衡水池內總量約1 200m3的外冷水可作為消防作戰車的重要補給，延長消防車戰斗時間，但是目前的平衡水池缺乏高效穩定的抽水功能，無法與換流站內配置的消防作戰車有效銜接。基于以上問題，本文設計了一種平衡水池抽水系統，對特高壓換流站閥冷系統平衡水池的抽水功能進行了完善，大幅提升了平衡水池之間儲備水轉移效率的同時，為消防作戰車接入平衡水池進行滅火戰斗提供了高效的解決方案。

1 現有平衡水池抽水方式

1.1 現有平衡水池儲備水轉移方式

現有平衡水池無固定且接入閥冷系統的抽水系統，需要對平衡水池內進行檢查及清洗作業時，只能通過2種方式對池內排空：一是直接將池內儲備的外冷水排入下水道，不再回收使用；二是通過放置臨時潛水泵并敷設消防水帶至另一平衡水池進行外冷水轉移的方式。

特高壓換流站一般配置有4個平衡水池，共計約1 200 m3儲備水，若4個水池均選用方式一直接排入下水道，將造成水資源的大量浪費。此外，制備水質符合條件的外冷水需要經過過濾、軟化、除藻滅菌等處理流程，重新對1 200 m3儲備水的制備將造成制水設備、材料及耗材的大幅損耗；因此，現有平衡水池均采用方式二進行儲備水的轉移，交替對特高壓換流站的4個平衡水池進行檢查清洗作業。

如圖1所示，方式二中，現場作業人員首先放置臨時潛水泵將極1高端平衡水池提前排入下水道中，排空后進行檢查清洗作業，作業完成后放置臨時潛水泵至極1低端平衡水池底部并敷設臨時消防水帶至極1高端平衡水池內，進行儲備外冷水的轉移。待極1低端平衡水池騰空后進行檢查清洗作業，作業完成后極2低端、極2高端以此類推，按順序進行。待極2高端平衡水池作業完畢后，直接對水池進行制水補水，補至滿液位。

圖1 4個平衡水池儲備水轉移步驟

1.2 現有平衡水池與消防作戰車銜接補給方式

現有平衡水池沒有可以與消防作戰車直接銜接的設施。圖2為特高壓換流站單極換流變壓器廣場的設備布置平面。

圖2 單極換流變壓器廣場設備布置平面

當換流變壓器發生火情時，消防作戰車將在廣場面對換流變壓器進行滅火作業。廣場兩側布置有消防管網及消防栓，可同時對4輛消防作戰車進行水源補給，但是單臺換流變壓器內儲有100 t以上的絕緣油，若火勢難以控制展開拉鋸戰時，4輛消防作戰車的戰斗力將遠遠不足。

這種情況下，作為獨立于消防系統的平衡水池，可為上述4輛接入消防管網消防作戰車以外的其余消防車輛提供額外的水源補給。以10 m3儲水規模的消防作戰車為例，約1 200 m3儲水量的平衡水池將提供120車次以上的消防供水。

在現有的平衡水池配置條件下，消防作戰車需要取水時，取水方式為往返于滅火戰斗點至平衡水池之間，利用作戰車自有引水泵與臨時架設的引水管道銜接進行取水，待注滿后繼續投入到滅火作業中。

2 現有平衡水池抽水方式問題分析

2.1 現有平衡水池儲備水轉移耗時

不計平衡水池檢查清潔作業時間，現有平衡水池儲備水轉移耗時計算公式如下：

T=t排+t1+t2+t3+t注

(1)

式中：t排=V/δ—極1高端平衡水池排水耗時，V為儲備水體積，δ為臨時潛水泵流量;

t1=V/δ—極1低端平衡水池轉移至極1高端耗時；

t2=V/δ,極2低端平衡水池轉移至極1低端耗時；

t3=V/δ，極2高端平衡水池轉移至極2低端耗時；

t注—極2高端制備外冷水至水池滿液位耗時，通常情況下平均約1 200 min。

通過公式(1)可知，若t注恒定、各平衡水池儲備水體積V相等的理想情況下，平衡水池儲備水轉移耗時T與臨時潛水泵流量δ成反比關系，即：臨時潛水泵流量δ越大，耗時T越少。

通過對市面各流量的潛水泵規格進行統計，可得到表1所示參數。

表1 潛水泵參數

由于臨時潛水泵為作業人員臨時放置，放置點為平衡水池口，周圍存在設備及臺階，綜合現場安全需求，根據現場經驗潛水泵質量一般控制在30 kg以下，最優選擇為質量25 kg、流量15 m3/h的規格，由此得出理想情況下的耗時T為6 000 min。以某特高壓換流站實際操作時間統計得到表2。

表2 某特高壓換流站實際儲備水轉移時間統計

從表2可知，現有平衡水池儲備水轉移方式平均需要消耗6 054.7 min。通過對整個轉移過程的分析，可以發現，質量符合現場作業安全需求的臨時潛水泵，其抽水流量限制了平衡水池儲備水的轉移速率,進而導致了轉移耗時過多，但是由于人力限制，潛水泵流量無法大幅提升。

2.2 現有平衡水池與消防作戰車銜接補給方式

現有平衡水池未配置可直接與消防作戰車銜接的補給接口，消防作戰車僅能依靠自身尾部引水泵進行抽水，雖然引水速度可達6 m3/min，但是標準引水管直徑為DN150的硬連接，不具備長距離敷設條件，因此車輛不得不往返于滅火點與平衡水池之間，且尾部必須準確無誤地對準平衡水池池口方能進行引水作業。作戰車駕駛員需要根據后方操作員的指引，多次調整車輛方向，經某特高壓換流站現場測算統計，10 m3容量的消防作戰車儲備水全部噴完的耗時約在150 s，但是由于車輛位置調整及操作需要通過平衡水池補充水時，約需600 s，該方式導致消防作戰車補充水效率十分低下。

3 平衡水池抽水系統設計

綜合2.1及2.2問題，目前特高壓換流站平衡水池亟需對抽水功能進行完善，因此對平衡水池的抽水系統進行設計。該抽水系統單套主要由2臺固定立式潛水泵、主不銹鋼管及潛水泵出口止回閥、6支分支不銹鋼管、6支標準消防卡口、DN15泄空閥、液位傳感器及電氣控制柜組成。整體設計如圖3所示。

圖3 平衡水池抽水系統整體設計

1)該系統的固定立式潛水泵無需現場作業人員臨時放置，因此避免了重量因素，根據平衡水池實際容量，設立2臺流量為150 m3/h的固定立式潛水泵。

2)上述2臺潛水泵通過DN150不銹鋼管道并接至主管路，為防止單臺潛水泵運行時水流反向流至備用潛水泵形成換流，在潛水泵出口處設置了1個DN150的止回閥。

3)主管路引出至平衡水池外部后分出6個DN50的支管路，每個支管路配置有可獨立控制開合的閘閥及標準的DN50消防卡口，可與消防水帶相連，既能與相鄰平衡水池快速聯通，也可與消防作戰車預留的6個DN50注水口相連。

4)考慮到西北地區冬季寒冷氣候可能會造成抽水系統管道內的存水結冰膨脹，在主管路的平衡水池口下約1 m高度處設計了1個DN15的泄空閥，用于排空管道內存水。

5)電氣控制柜可對2臺固定潛水泵獨立進行運行/停止操作，上級電源取自400 V站用電，根據具體功率進行級差配置核算及電纜及空開選型，保證潛水泵可長時間運行。

6)液位傳感器可對平衡水池液位進行實時監測，當液位低于10%時，自動閉鎖潛水泵運行，保證閥冷噴淋系統處于可用狀態。

4 效果評價

4.1 抽水系統儲備水轉移效果評價

2019年，某特高壓換流站已對站內4座平衡水池進行了抽水系統的安裝。停電檢修期間，作業現場對4座平衡水池儲備水轉移時間進行了3次測算統計，統計結果如表3所示。為節約用水，3次時間測算僅對第1次進行水池排水，平均時間按照單次排水時間計算，僅對第3次進行水池注水，考慮到注水與抽水功能無關，因此平均時間按照單次注水時間計算對整體效果的評價無影響。儲備水的轉移為往返轉移：第1次為極1高端排空，由極1低端開始逐個轉移；第2次為極2高端處于空置狀態，由極2低端開始逐個轉移；第3次重復第1次的順序。

表3 某特高壓換流站抽水功能完善后轉移時間統計

通過表3中平均用時與表2平均用時對比可以發現，對平衡水池抽水功能完善后，儲備水轉移用時由原來的6 054.7 min下降至1 529.1 min，縮短74.7%，大幅提升了平衡水池檢查清洗工作的整體效率，效果良好。

4.2 抽水系統與消防作戰車銜接效果評價

抽水系統的支管路均裝設DN50的標準消防卡口，可通過消防水帶長距離延伸對接至消防作戰車的6個被動注水口，并實現快速裝拆。與消防作戰車引水泵作業方式不同，通過6個被動注水口對作戰車水箱進行補水，無需車輛進行專移即可直接進行注水，抽水系統的持續補水可以保證消防作戰車補水、噴水同時進行，如圖4所示。

圖4 抽水系統消防水帶連接現場

經過現場實際測算，連接不同數量的消防水帶至同一輛消防作戰車的補水用時如表4所示。

表4 抽水系統對補水消防作戰車補水時長統計

以該消防作戰車型號作為參考，當平衡水池抽水系統2臺潛水泵通過4條以上的消防水帶對消防作戰車進行補水時，作戰車可達到補水、噴水的平衡狀態，即不間斷進行滅火作戰。根據計算，以圖2為例，該換流變壓器廣場的兩側容量為300 m3平衡水池抽水功能完善后，可在換流站消防管網支援基礎上額外支援2輛消防作戰車持續75 min的持續滅火能力，這對控制特高壓換流站內火情有著非常重要的作用。若消防水帶儲備充足，特高壓換流站另一換流變壓器廣場的2個平衡水池還能夠提供600 m3儲備水的滅火作戰補給，大幅提升消防作戰車輛作戰能力。

5 結 論

1)特高壓換流站平衡水池抽水功能通過抽水系統的完善，在避免水資源浪費的同時，縮短了平衡水池間儲備水轉移的時間，極大地提升了平衡水池定期檢查及清洗工作的效率。

2)平衡水池抽水功能的完善，使平衡水池儲備水成為特高壓換流站發生火情時消防作戰車的關鍵后備“彈藥”，增加了消防作戰車輛的取水方式，進一步提升了特高壓換流站的消防能力。