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特高压换流站阀冷却系统优化设计

发表时间：2020/7/21 来源：《电力设备》2020年第8期作者：牟品璋

[导读] 摘要：在特高压换流站运行中阀冷却系统是非常重要的辅助设备，当其发生误动或故障可能造成直流系统停止运行，因此提高阀冷却系统的可靠性极为重要。

        (国网内蒙古东部有限公司检修分公司扎鲁特换流站内蒙古通辽市 028000)
        摘要：在特高压换流站运行中阀冷却系统是非常重要的辅助设备，当其发生误动或故障可能造成直流系统停止运行，因此提高阀冷却系统的可靠性极为重要。阐述了特高压换流站阀冷却系统的主要设备和工作原理，通过统计、分析近期事故案例，总结出常见事故原因，并结合雁门关换流站的实际情况，从阀冷却系统优化和管理优化两方面提出改进措施，进而提高阀冷却系统运行质量和抗风险能力，确保直流系统的安全与稳定。
        关键词：阀冷却系统；特高压换流站；系统优化
        引言
        阀冷却系统作为换流阀的必要辅助系统，通过精确调控阀冷水的温度、流量、压力、水质等技术指标，达到节能环保、高效冷却的目的，保证换流阀安全、稳定、可靠运行。换流阀冷却系统主要分为内冷水系统和外冷水系统。在换流过程中，换流站设备中的部分发热元件会产生热量，通过阀冷系统内循环的去离子冷却水流入各个组件，带走发热元件产生的热量；外冷水系统为通过冷却塔对内冷水进行冷却，间接实现冷却功能，然后通过外冷设备将内冷水带出的热量发散到大气环境中。
        1换流阀冷却系统的结构
        1.1阀外冷水系统
        阀外冷水系统是一个非密闭的循环水系统，其主循环回路主要包括喷淋泵、管道回路、缓冲水池、原水及各种阀门等，其中，每台冷却塔配备有主、备两台喷淋泵，为外冷水循环提供动力；换流站共配置2台冷却塔，每台冷却塔配有喷淋装置，以及2台变频冷却风机；水处理系统主要包括加药回路、过滤器、软水器等，防止外冷水结垢、腐蚀管道；与阀内冷系统相似，阀外冷水数据采集系统主要包括一些湿度、压力、温度表计等。换流站阀外冷水系统作为三级冷却回路来维持换流阀体温度，当一级、二级冷却回路都不能满足换流阀降温需求时，投入阀外冷水系统，并根据实际情况选择投入冷却塔的数量，此时喷淋泵、冷却风机启动，外冷却水从缓冲水池通过喷淋装置为内冷水管道进行降温，产生的蒸汽由冷却风机排出，从而加快热交换速度，剩余外冷却水再次排入缓冲水池。加药回路旁路泵、加药泵应处于常开状态，确保外冷却水水质达标。当缓冲水池水位较低时，补水阀开启，原水经过滤器、软水器处理后进入缓冲水池，迅速补充外冷却水。当环境温度处于高温阶段，阀体温度较高时，可向缓冲水池中加入适量冰块，以迅速降低换流阀温度。
        1.2阀内冷系统
        （1）主水回路。主水回路内冷却水循环主要是采用可控硅阀和冷却塔，使用主循环泵、冷却水管、以及可控硅阀和冷却塔等主要器件。为了确保主循环泵的安全运行，通常会留一台为备用。为实现晶闸管级冷却水的均匀，各个管级冷却水需要确保均匀冷却，因此，使用并联布置的方式铺设冷却水路为宜。水路中会含有金属配件，长期使用会引起腐蚀，为避免其受到严重损坏，需在主水路安装电极，确保电位得到固定。为充分冷却内冷水，将冷却塔内的冷水管道设为蛇形笔，同时遵循低进高出的原理。（2）水处理回路。主回路中，有一部分水会留经水处理回路，1h左右流经水处理回路中的水量是系统的总容量。水处理回路包括离子交换器、膨胀器和补水泵。
        2换流阀冷却系统典型问题
        控制及保护缺陷一般是由控制及保护策略设计缺陷导致，在阀冷却系统处于特殊工作状态或受到干扰时，控制器下达错误指令使得系统跳闸，引发换流站闭锁。常见的故障有：保护定值设置不合理、传感器未冗余配置、泵切换失败、保护跳闸延时不合理等。例如，2013年7月，复龙换流站站用电系统异常震荡，致使循环泵切换失败，引发低流量保护动作跳闸。阀冷却系统管理缺失会间接导致设备故障、控制及保护缺陷，通过对多起阀冷却系统故障分析可以看出，阀冷却系统安全稳定运行离不开严谨、全面的管理体系。例如，鹅城换流站可通过定期设备巡检发现内冷却水漏水征兆，进而避免系统事故。

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根据以往发生的事故案例，多数文章对某特定故障类型进行分析并提出相对应的优化和整改措施，从而提升阀冷却系统安全性，但是这样易忽视整个系统内模块之间、系统与管理之间的关联性。
        3阀冷却系统优化
        3.1多单位、专业配合方面
        1)阀厅钢构、吊梁预留孔位置偏离。表现为管道和管道支架位置偏离;管道对接面不正。应与设计、阀冷厂家、钢结构厂家沟通好，要求提高钢结构加工精度并预留腰型孔。2)设备基础和管道支架埋件位置偏离。表现为设备、管道底座超出埋件;设备和相连的管道偏离。与设计、阀冷厂家、土建施工单位沟通好，要求提高土建施工准确性;并考虑较大的埋件。3)与空调、照明、通风、消防等设备管道位置冲突。致使设备无法正常安装在预定位置，造成返工。要求其空调通风、照明、消防各专业提前策划，合理安排设备的位置。
        3.2冷却塔内部设备检查
        现场对运行超过10年的各回直流阀冷系统冷却塔内部设备进行检查，包括喷嘴、集水管、蛇形盘管、填料、风扇电机及其他塔内设备，检查内容为喷嘴破损情况、喷淋水花以及流量、喷嘴及塔内设备结垢、藻类生长情况、风扇电机运转情况等。现场检查发现各站均存在以下几类问题：（1）冷却塔内喷嘴处结垢严重，喷嘴存在破损，喷嘴出水（喷淋水）流量小；（2）集水管外部结垢；（3）冷却塔下部填料水垢和藻类滋生严重，喷淋管道底部结垢严重；（4）填料损坏严重；（5）盘管边缘没有直接水流冲击的地方滋生水藻；（6）风扇电机转速异常，进一步检查发现风扇皮带松动。
        3.3主泵变频器的谐波治理
        换流站的两套水冷控制保护系统的软件中有检测控制保护板卡故障的功能，正确的设计方案是：若一套水冷控制保护系统检测板卡故障，应触发严重故障告警信号，值班操作人员进行操作以使这套保护系统退出运行，使得出口跳闸的命令无效。而原软件中的设计为当一套水冷控制保护系统检测板卡故障时，闭锁直流系统信号和触发严重故障信号将会同时发出，因此，在控制保护板卡故障后，闭锁直流系统将会被封锁，这样，单一的保护板卡故障就直接导致了直流系统闭锁。应将相关的软件程序进行修改，新程序实现的功能为：当一套水冷控制保护系统检测板卡故障时，先触发严重警告信号退出这套保护系统，增加一段延时后再发出闭锁直流系统命令，相当于屏蔽了闭锁直流命令，避免由单一保护控制板卡故障带来的直流系统闭锁事故。
        3.4传感器冗余优化
        1）增加一个传感器，并修改传感器设定模式，将第一个传感器有效修改为两个传感器数值进行比较然后再取值，以降低直流误跳闸风险。2）在阀冷控制软件中增加传感器上传数据的突变量判断逻辑，增加突变量的防误判据。因为传感器在正常状态下上送的数值均应平滑变化，不应该发生突变，当突变量大于设定值即可认为传感器故障而不是真实的数值变化，闭锁跳闸功能。3）取消个别传感器跳闸逻辑。如内冷水流量低可通过温度高、主水压力低等跳闸功能来实现，深圳换流站取消了内冷水流量低直流跳闸功能。
        结语
        换流站阀水冷却系统由于设计过程复杂，阀门、旋转设备等装置所含的传感器多，对交流供电和系统的运行环境要求高，且在直流系统闭锁中阀水冷系统故障所占的比率较大，因此应加强对阀水冷系统的隐患分析和治理，保证换流站的安全、可靠运行。
        参考文献：
        [1]成敬周，徐政.换流站内的交流系统故障分析及保护动作特性研究.中国电机工程学报，2011，8（18）.
        [2]夏拥，左干清，吴畏，等．高压直流阀冷系统漏水检测功能的改进［Ｊ］．南方电网技术，２００９，３（４）.
        [3]姜海波，翟宾，贺新征，等.高压直流输电换流阀冷却系统可靠性评估[J].电力安全技术，2014，16（5）：60-63.