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特高压换流站阀外冷系统废热评估及再利用_王鸿.pdf
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1、2023 年 2 月总第 349 期特高压换流站阀外冷系统废热评估及再利用收稿日期:20220817;修回日期:20220918作者简介:王鸿(1982),男,陕西汉中人,工程师,主要从事高压直流输电系统换流站管理研究,E-mail:。通信作者:尹琦云(1994),男,宁夏银川人,工程师,主要从事特高压直流运检研究,E-mail:。王鸿1,刘志远2,尹琦云2,李其1,安康1,王学良1摘要:换流阀冷却系统是特高压直流输电的核心之一,对换流阀起到散热降温作用,常规换流阀冷却系统由内、外水冷以及外风冷部分组成,运行期间排放大量热能。在西北地区,寒冷季节户外温度达到-25-45,部分户外设备需要在低温
2、时进行加热。基于此,本文提出了一种特高压换流站阀外冷废热评估及再利用方案,将换流阀冷却系统运行产生的废热加以二次利用,以大幅减少冬季设备加热成本,助力碳达峰、碳中和目标早日实现。关键词:换流阀冷却系统;废热利用;碳达峰;碳中和中图分类号:X706文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2023.02.073(1.国网新疆电力有限公司超高压分公司,新疆乌鲁木齐830000;2.国网宁夏电力有限公司超高压公司,宁夏银川750001)文章编号:1674-9146(2023)0207304换流阀是换流站的核心设备,运行时其内部电流热效应导致晶闸管、电抗器等元件温度上升。
3、为防止元器件过热损坏,换流站均配置有阀冷系统对换流阀进行冷却。冬季为换流站外送负荷高峰,阀冷系统多数时间仍然持续大量散热。同时,西北地区室外温度达到-25-45,部分户外设备则需要辅助加热以防止低温损坏。以 GIS 断路器为例,除需要增加伴热带外,部分换流站还需额外增加GIS 防冻棚。随着碳达峰、碳中和目标在现代设备管理的深入融合,如何充分利用换流站现有资源,成为了行业内的共同追求,也是换流站亟需攻克的技术问题。为此,本文提出了特高压换流站阀外冷系统废热评估及再利用创新方法,以提升换流站阀冷废热利用能力。1换流站阀冷系统工作原理1.1阀冷系统组成特高压换流站阀冷系统由内、外冷部分共同组成,冷却
4、介质循环通过内冷系统主循环泵进入外冷系统,经过空气冷却器蛇形散热盘管或闭式喷淋塔散热盘管将热量排出,冷却介质降温后循环回到换流阀。控制主机通过控制空气冷却器风机、闭式冷却塔启停、运行频率、转速等实现换流阀温度控制。1.2冷却系统温度调节原理1.2.1外冷风机、喷淋塔散热控制外冷风机按照不同的温度限值、延时判据、工/变频率启动方式,进行投入/推出切换,以保证外冷系统具备足够的散热能力,同时,配合外冷系统配置的防冻棚卷帘门开度大小进行调整。1.2.2内冷电加热器防止低温控制冬天室外环境温度极低而换流阀又处于低负荷运行时,电加热器(H01/H02)将启动以避免冷却水进阀温度过低。冷却水进阀温度21时
5、,电加热器 H03 和H04 启动;冷却水进阀温度23时,电加热器H03 和 H04 停止。冷却水进阀温度20时,电加热器 H01 和H02 启动;冷却水进阀温度22时,电加热器H01 和 H02 停止。冷却水进阀温度接近阀厅露点温度时,4 台电加热器强制启动;高于露点温度 4时,4 台电加热器停止。如果冷却水进阀温度高,4 台电加热器强制停止,防止超温,此逻辑优先1。2设计原理2.1特高压换流站阀外冷废热评估计算以1 100kV 昌吉换流站为例进行阀外冷系统废热量评估,主要分为两种方式:第一种采用考虑各环节发热量与散热量差值对比计算进行精准评估2;第二种考虑以换流阀冷却介质与温度变化作为核心
6、指标进行粗略评估。具体方案如下。1)阀冷系统热量精确计算流程见第 74 页图 1。-073-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023,Total No.349图 1阀冷系统热量精确计算流程图内冷水管散热(Q2)水循环产热(Q1)晶闸管产热(Q2)阀厅环境产热(Q3)外冷风扇空冷散热(Q1)外冷喷淋塔散热(Q2)阀厅空调制冷(Q1)热量产生Qa=(Q1+Q2+Q3)热量外排Qb=(Q1+Q2)热量散失Qc=(Q1+Q2)热交换变动量Qsum=Qa-Qb-QcQsum是否大于 0设备降温设备温升是否Qsum 热交换变动量计算公式为Qsum=(Q1+
7、Q2+Q3)-(Q1+Q2)-(Q1+Q2)(1)式中:Qsum为热交换变动量;Q1为阀冷系统冷却介质运动产热;Q2为晶闸管运行电流热效应产热;Q3为阀厅温升;Q1为外冷风扇空冷散失热量;Q2为喷淋塔散失热量;Q1为阀厅空调制冷量;Q2为水冷管道散失热量。2)通过已知进阀温度与功率曲线拟合,结合温度变化与冷却介质总量,进行仿真3Qf=cmT(2)式中:Qf为热量变动量,单位为 J;c 为介质比热容,单位为 J/(kg ),昌吉站取 4 170 J/(kg );m 为冷却介质总质量,单位为 kg;T 为温度变化量,单位为。在不考虑热量损耗与空调制冷情况下,近似估计阀组发热量与空冷器换热量相等,通
8、过单阀组30 000 L 冷却液输送功率计算对应阀组发热量,得到单位输送功率对应的阀组发热量为 2.2 kW/MW3。昌吉换流站 2022 年 14 月功率曲线见图 2,昌吉换流站单月功率与进阀温度拟合曲线见图 3。通过图 2、图 3 数据进行拟合分析,可以得出昌吉换流站 2022 年 1 月 19 日、1 月 29 日、2 月 2 日冬季最低环境温度约-30、日均功率 4 000 MW 时达到极端情况。阀冷启动加热器进行辅助加热,随后又出现了几次加热器启动情况,总计加热时长约占全年的 1.9%。通过对比以上极端情况并结合式(2)换算冬季最低温-30情况下,日平均负荷维持在 4 127 MW
9、以上时,换流阀仍将处于对外散热状态。2.2特高压换流站阀外冷废热再利用设计通过上述分析,进一步设计废热利用通道(见第 75 页图 4):在阀外冷防冻棚顶端开设面积为2 m2的孔洞,安装自闭百叶窗;选定位置布设管道支架,满足换流变运输最大高度和车辆通过需求;时间(年/月/日)2021/12/302022/1/42022/1/92022/1/192022/1/242022/1/292022/2/32022/1/14昌吉换流站极 1 高端阀冷 1 月进阀温度曲线3530252015进阀温度/图 2昌吉换流站 2022 年 14 月功率曲线1000090008000700060005000400030
10、002000100002022/1/12022/1/82022/1/152022/1/222022/1/292022/2/52022/2/122022/2/192022/2/262022/3/52022/3/192022/3/262022/4/22022/4/92022/4/162022/4/232022/4/302022/3/12日平均负荷日最小负荷日最大负荷功率/kW图 3昌吉换流站单月功率与进阀温度拟合曲线可持 续 发 展Sustainable Development时间(年/月/日)昌吉换流站极 1 高端阀冷 2 月进阀温度曲线4035302520时间(年/月/日)进阀温度/2022/
11、1/292022/2/32022/2/82022/2/232022/2/282022/2/132022/2/18-074-2023 年 2 月总第 349 期采用轻质保温双层合金管道敷设;管道末尾与 GIS防冻棚连接的位置进行扩径,在底部安装两台轴流风机;在 GIS 防冻棚两端底部设置微正压式逆止排气阀,排出底部冷气加快热交换。冬季低温时段控制器接收阀冷防冻棚传感器温度信号自动研判打开轴流风机,废热顺温度交换管道被抽送到 GIS 防冻棚内,持续对 GIS 设备加热。在不考虑闭式冷却塔启动的情况下,外冷风机换热能力可以近似表达为Qh=npt (3)式中:Qh为对应时间外冷风机散热量,单位为kW
12、h;n 为投入的换热器组数,单位为台;p 为风机散热功率,单位为 kW,昌吉站取 30 kW;t 为时间变化量,单位为 h。考虑系统冷却功率情况,按照特高压单阀组标准配置风机寒冷时段平均投入剩余 24 台(考虑工频、变频情况),单台平均换热效率约为 30 kW(考虑干球、湿球及热岛因素)计算,计入交换过程中自然损失 20%散热量4,单日 24 h 阀冷系统风机散热总量仍然能达到 49 766.4 MJ。同时,单一GIS 防冻棚可连接全部 4 阀组管道5,相当于安装576 台额定功率 4 kW 的电加热器全天候运行。2.3特高压换流站阀外冷废热再利用设计与传统GIS 防冻棚加热器对比1)本系统设
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