适合严寒地区直流换流站外冷却系统的研究

2014-09-21何世洋孙三祥郑宗达

电力科技与环保 2014年4期

张健，何世洋，孙三祥，郑宗达

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070;2.甘肃省电力设计院，甘肃兰州 730060)

0 引言

高压直流输电技术广泛应用于远距离大功率输电，海底电缆送电及不同或相同额定频率交流系统之间的非同步联络等方面。换流站是高压直流输电系统中实现交直流电力变换的电力工程设施［1］。换流站中换流器是直流输电系统中的关键设备，它的作用是把交流电变换成直流电，或把直流电交换成交流电。而晶闸管可控硅阀是换流器的最基本组成单元。换流阀在运行工程中会产生损耗，对晶闸管元件最直接的影响就是导致元件结温升高。晶闸管元件的正常工作结温允许范围是60～90℃。为保证换流器按规定的要求安全可靠地运行，必须通过冷却系统将运行结温维持在正常的范围内。

阀冷却器将阀体各元器件的功耗发热量排放到阀厅外，保证晶闸管运行结温在正常范围内，这既要求有足够的冷却容量，又要求有较高的可靠性。通常，阀冷却分为内冷却水系统和外冷却系统。内冷却水又称一次循环水，而换流阀外冷却系统主要功能是对一次循环水进行冷却。外冷却系统的冷却方式目前有两种:一种为水冷却方式，另一种为空气冷却方式。

1 水冷却方式

外冷却系统采用水冷却方式时，一般采用蒸发式冷却塔进行冷却降温，其原理如图1所示。内冷却水系统中的介质在换流阀内加热升温后，由循环水泵驱动流入冷却塔内的换热盘管中，喷淋水泵从外冷水池抽水均匀喷洒到冷却塔内的换热盘管表面，冷却塔上设置的风机，从冷却塔下侧引入空气与喷淋水产生剧烈的混合，水汽化吸热，降低换热盘管中内冷却水系统的介质温度。喷淋水吸热后形成的水蒸汽通过风机排至大气，在此过程中，换热盘管内的冷却介质得到了冷却，降温后的冷却水由循环水泵再送至换流阀，如此周而复始地循环运行。

2 空气冷却方式

外冷却系统采用空气冷却方式时，一般常用空气冷却器，其工作原理如图2所示。内冷却水系统中的介质在换流阀内加热升温后，由循环水泵驱动进入室外空气冷却器，空气冷却器配置主要部件有换热盘管(带翅片)和风机，风机驱动室外空气冲刷换热盘管外表面，使换热盘管内的内冷却水系统中的介质得以冷却，降温后的冷却介质由循环水泵再送至换流阀，如此周而复始地循环运行［2］。

图1 水冷却方式原理

图2 空气冷却方式原理

上述两种外冷却方式有各自的优缺点。水冷却方式利用水与空气接触蒸发吸热来降温，其优点是冷却效率高，冷却装置数量少，占地面积小，运行时噪声较低，运行费用少，初投资也低。缺点是需设置二次水系统，对喷淋水的水质有较高要求，需配备水处理设备。同时由于在寒冷地区冬季运行易结冰，堵塞喷嘴，且风机运行时，水汽混合物吹出，易在高压线路上附着冰凌，危害换流站安全运行，因此多数观点认为严寒地区不宜采用水冷却方式。而空气冷却方式是利用室外空气与管内水换热降温，其优点是系统仅由变频调速风机和换热盘管组成，系统部件少，结构简单、维护工作少，且冬季运行时不会出现结冰的危害，因此适于北方寒冷地区应用。缺点是冷却效率较低，设备体积大，占地面积大，且安装的冷却风机台数多，运行时噪声大，运行费用高，设备的初投资也高。

水的导热系数比同温度下空气的导热系数大20多倍。常温下水的比热容为4180kJ/m3·K，空气的比热容为1.2kJ/m3·K，二者相差悬殊，造成换热强度的巨大差异，水的对流换热系数h可以达到104W/m2·K，而空气则只有水的1/100。根据牛顿冷却计算式:

式中:h为对流换热系数，W/m2·K;tw为壁面温度，℃;tf为流体，℃。从式(1)可知，用水冷却内水冷系统比同温度下的空气快得多。

3 适合严寒地区的外水冷系统

3.1 系统工作原理

通过上述对比分析可知，单从冷却方式来看，水冷却方式明显优于空气冷却方式。但目前换流站所广泛使用的闭式冷却塔外水冷方式，仅被用于南方地区，北方严寒地区冬季存在结冰堵塞等危害，使之不被采用。鉴于此，本文提出如图3所示的新型水冷却方式，使之适用于北方严寒地区。

图3 新型水冷却方式原理

将喷淋水管直接引到散水器的正上方，喷淋水通过设置在喷淋水管末端的喷水口喷出，落到散水器上，被均匀地分散到积水盘中，再由漏水孔淋到换热盘管表面。这样就替代了现有水冷式外冷却系统通过在换热盘管上方布置小孔径喷嘴的布水方式。散水器正上方的喷水口直径略小于喷淋水管管径，从而加大喷淋水在喷水口处的流速，这种设置解决了在低温环境条件下现有水冷式外冷却系统补水系统小孔径喷嘴容易结冰的问题。

在寒冷季节，由于水温较低，可以停止风机运行，此时不再产生汽水混合物，也不会出现高压线路凝结冰凌危害换流站安全运行的情况。同时在喷淋立管外表面缠绕电加热装置并且包裹保温层，在停止运转或极端低温时，可自动开启电加热装置，对喷淋水进行加热，这样可防止喷淋水在喷水口结冰堵塞喷水口。

散水器使喷淋水均匀地散落在积水盘上，并形成一定液位高度，再经均匀分布在积水盘上的漏水孔流到换热盘管表面。本新型布水方式比现有的喷水方式结构简单、且造价低、易于维护。

积水盘紧挨着换热盘管，利用温度较高的换热盘管对积水盘进行加热，防止气温低时喷淋水在漏水孔处结冰，堵塞漏水口。

使用循环水对换热盘管进行喷淋，冲刷换热盘管后的喷淋水落回喷淋水箱，在喷淋水泵的驱动下再次流到喷水口进行喷淋。如此反复运行，由于喷淋水吸收了换热盘管内高温冷却水的热量，因此喷淋水箱内的喷淋水温度升高，能够加热由补水管引入的外界水，起到防止喷水口和漏水孔结冰堵塞的作用。

该系统可在北方严寒地区全年使用，在夏季室外环境高温的情况下，可开启变频调速风机，即可增加换热系数，满足高温环境下的使用要求。

3.2 水冷系统传热分析

换热盘管管束可采用叉排方式布置。叉排时，流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动。第一排管子保持外掠单管的特征，从第二排起流动将被前排管子引起的涡旋所干扰。在低Ref下，前排管子的尾部出现的涡旋不强，受粘滞力的作用，这种涡旋会很快消失，对下一排管子的边界层影响很小，故管表面边界层层流占优势，可视为层流工况。随着Ref增加，管子间的湍流漩涡加强，当Ref=5×102～2×105时，大约管的前半周表面为处于湍流漩涡影响下的层流边界层，后半周则是涡旋流，流动状态可视为混合工况。当Ref＞2×105后，管子表面湍流边界层才占优势。除Ref变化外，管子的排数、管径以及管子的间距，包括与流向垂直的横向间距和与流向平行的纵向间距都会产生影响。后几排管子的表面传热系数可达到第一排的 1.3 ～1.7 倍［3－9］。