换流阀冷却设备运行发热对辅助加热器选型影响的探讨

许伟

摘 要： 高压直流输电系统中的核心在于换流站，而换流阀又是换流站系统中的核心设备，保证换流阀稳定运行的是阀冷却系统，因此阀冷却系统的稳定运行关系到整个输电系统的安全稳定。在冬季温度较低及换流阀停运时需保证内冷却水温度高于最低进阀温度，此时需开启辅助加热设备进行水温调节，而在系統设计中对于辅助加热设备的选型核算就显得相当重要，但实际中对于设备自然散热量和产热量的准确核算存在较大困难导致设计中辅助加热设备的选型不精准，使阀冷系统运行的安全稳定留下了隐患。

关键词： 高压直流输电；阀冷系统；辅助加热设备；选型

我国地域辽阔，但由于资源和人口分布的不均衡，导致人口分布密集的地方发电能源却严重不足，这将减慢我国经济发展的速度。因此，近年来我国大规模的进行直流输电工程建设，在西部人口密度较小的地区建立大型煤电、水电基地，实现将西部的资源转化为电能支援东部的经济发展，有效的实现资源的优化配置[1-6]。

高压直流输电中最核心的技术主要集中在换流站中，其实现了直流和交流的能量转换，而换流阀又是这其中的核心设备。换流站在正常运行中换流阀中的可控硅元件会产生大量的热损耗，这些热量如果不能及时被带走不但会引起换流阀元件散热不良、元件过热损坏，甚至会导致直流闭锁等重大事故。通过内循环冷却水带走这些热损耗，阀外冷系统将对这些水进行冷却并使其达到所要求的进水温度，因此换流阀水冷却设备是关系到换流站可靠运行的重要保障[7-10]。

在冬季温度较低及阀体停运时需要对冷却水温度进行调节，如循环冷却水的温度低于阀体露点温度时，阀冷设备的管路及器件表面会有凝露的危险，可能会导致漏电事故。这时置于内冷却水回路的点加热器就开始工作，调节水温至露点以上。循环冷却水所需的动力为主循环水泵提供，水泵在工作时与水流摩擦会产生水泵功率的损耗，部分损耗会体现在水流水温中，而在大多数直流阀冷却工程项目中这部分热量却并未考虑，这对于加热器的选型准确性会有很大的影响。文中以我司承接的灵州—绍兴±800kV特高压直流输电工程灵州换流站辅助（空冷）系统一体化工程为例，对辅助加热设备的选型核算进行探讨分析[11]。

1 灵州站阀冷却系统工艺原理简介

灵州站阀冷却系统如图1所示，冷却介质通过循环水泵进入室内换热设备，将换流阀被冷却器件发出的热量在室外换热设备进行热交换，冷却后的介质经主过滤器再进入换流阀被冷却器件带走热量，形成密闭式循环冷却系统。换流阀运行过程中对于冷却介质电导率的要求很高，要长期保持在较低的水平。而随着阀体工作电压的增高，冷却介质中的离子数量会增加，通过离子交换器的去离子功能使系统中的循环冷却介质中的离子维持在较低水平[12]。

当换流阀电压和容量增大时会导致介质中的溶解氧加速对冷却设备和管道的腐蚀，因此需要更进一步的降低介质中的溶解氧。系统中与膨胀罐连接的氮气稳压设备可以保证系统中充满冷却介质并隔绝空气，实际上通过氮气的补充和排放来缓冲系统内冷却介质因温度变化引起的体积变化。

在主循环回路及空冷器进水管路上设置电加热器，在冬季气温较低时及在换流阀停运时对介质水温进行补偿，以此达到防止介质温度过低。[11]

2 灵州站电加热器选型核算

2.1 概述

在工程中对阀冷系统电加热器进行选型核算主要考虑在冬季历史极低温度情况下室外散热设备的自然散热功率，电加热器的总功率要大于室外散热设备的自然散热功率。灵州站的外冷方式为空冷器加闭式冷却塔串联，因此需要分别核算空冷器和闭式冷却塔在历史极低温度下的自然散热量，为电加热器的选型提供依据。

2.2 空冷器自然散热量核算

在冬季温度极低时，为降低空气冷却器的散热量，避免进阀温度过低，阀冷系统设备通过电动三通阀进行温度调节，当进阀温度低于20°时，仅有主流量的50%通过室外空气冷却器，另外50%从旁路流过。根据换流阀的技术要求，进阀温度按不低于10°进行设计。下表为空气冷却器的自然散热量核算。

2.3 冷却塔自然散热量核算

本工程中只有一台闭式冷却塔与空冷器串联，在冬季极低温度下，闭式冷却塔在喷淋泵不启动风机也不启动的情况下的自然散热量为85kW，见下表。

2.4 结果分析

通过以上在冬季极低温度下外冷自然散热量的分析可知，外冷自然散热总量为W总=W空冷+W冷却塔=329+85=414kW，因此需要的辅助加热设备的功率必须要大于外冷总自然散热量。本工程设计方案中设计内冷电加热器为4台30kW，外冷电加热器为4台80kW，总功率为440kW，大于外冷总自然散热量，符合工程要求。

而在实际工程中，内冷设备放置在阀厅内，与外冷连接的管道也大多在室内，正常阀厅运行时内部温度为5～60℃，即在冬季极低温度下室内温度也不至于太低，与循环水温差较小，因此设备的管道散热有限。而主泵在运行时因功率损耗所产生的热量也是非常多的。

如一个功率为132kW的主泵，其泵效率计算为70%，功率损耗就约为40kW，这部分的损耗被内循环水带走，而在设计中却并未考虑此产热量，对辅助加热设备的选型核算的准确性就产生了影响。

3 展望

阀冷系统在冬季极运行时，主循环泵在提升内循环水的同时产生了功率损耗，这部分损被内循环水带走，应计入整个系统的产热量。而在实际工程设计中，只简单的考虑了外冷设备的自然散热量，对于管道和内冷设备的散热量却没有相关计算，对于主泵功率损耗也未计算入内，这对辅助设备的选型核算有很大影响。如果当外冷总自然散热量和管道散热量之和大于电加热器功率加主泵功率损耗时，将会对阀冷系统的安全稳定运行产生威胁。因此准确核算在冬季极低温度下系统的散热量是很有必要的。■

参考文献

[1] 刘振亚.特高压直流输电技术研究成果专辑[M].北京：中国电力出版社，2006：1-10

[2] 汤广福.高压直流输电装备核心技术研发及工程化[J].电网技术，2012，36（1）：1-2.

[3] 梁旭明，张平，常勇.高压直流输电技术现状及发展前景[J].电网技术，2012，36（4）：1-7.

[4] 袁青云.我国特高压直流输电发展规划与研究成果[J].电力设备，2007，8（3）：1-4

[5] 苏宏田，齐旭，吴云.我国特高压直流输电市场需求研究[J].电网技术，2005，29（24）：1-4.

[6] 舒印彪.中国直流输电的现状及展望[J].高电压技术，2004，30（11）：1-2.

[7] 赵中原，邱毓昌.现代HVDC 换流阀设计特点及其技术动向[J].高电压技术，2001，27（6）：3-5.

[8] 倪汝冰，李锋锋.阀冷却系统分析及改进措施[J]，电力建设，2007，28（12）：21-24.

[9] 杨光亮，邰能灵.换流阀水冷系统导致直流停运隐患分析[J].电力系统保护与控制，2010，38（18）：199-203.

[10] 许根富，尚新立.高压晶闸管换流阀外水冷系统分析[J].中国电力，2009，42（12）：42-43.