特高壓換流站閥冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

閆 俊，周 策，杜麗華

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

近年來，隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，特高壓換流站的建設(shè)與應(yīng)用得到越來越廣泛的關(guān)注。作為電力輸送的關(guān)鍵一環(huán)，特高壓換流站的安全與穩(wěn)定成為電力建設(shè)的重要研究課題。在特高壓換流站的幾大功能模塊中，閥冷卻系統(tǒng)是其最重要的輔助設(shè)備之一。在實際運行過程中，它可以直接給出閉鎖指令，引發(fā)換流站工作故障，從而直接影響整個直流系統(tǒng)的運行[1]。

1 閥冷卻系統(tǒng)

換流站中最核心的設(shè)備是換流閥[2]，它在進行交直流轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生大量的熱量，閥冷卻系統(tǒng)通過冷卻介質(zhì)帶走這些熱量，從而使換流閥維持在一定的安全溫度范圍內(nèi)。雁門關(guān)換流站閥冷卻系統(tǒng)以水作為冷卻介質(zhì)，由閥內(nèi)冷系統(tǒng)和閥外冷系統(tǒng)兩部分組成，其中，閥內(nèi)冷系統(tǒng)分為一級冷卻回路和二級冷卻回路，閥外冷系統(tǒng)作為三級冷卻回路，閥冷卻系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

1.1 閥內(nèi)冷水系統(tǒng)

閥內(nèi)冷水系統(tǒng)是一個密閉的循環(huán)水系統(tǒng)，其直接將閥體中各元器件產(chǎn)生的熱量排放到閥廳外，因此，閥內(nèi)冷水系統(tǒng)一般對水質(zhì)的要求較高。雁門關(guān)換流站閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)主要包括主循環(huán)回路、水處理系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)、加熱器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如圖1中內(nèi)冷卻系統(tǒng)流程圖所示，內(nèi)冷水有2個循環(huán)方式，分別作為一級冷卻回路和二級冷卻回路。

在閥內(nèi)冷水系統(tǒng)中，主循環(huán)回路主要包含主循環(huán)泵、管道回路、補水泵、補水罐、膨脹罐、各種閥門等，其中，主循環(huán)泵配置2臺，互為備用；補水泵配置2臺，互為主輔；補水罐用來存儲蒸餾水，當(dāng)內(nèi)冷水系統(tǒng)水量不足時，通過補水泵為內(nèi)冷水提供水源；膨脹罐的主要作用是減緩內(nèi)冷水因水溫的變化而帶來的膨脹壓力，并對內(nèi)冷水的水位起到一定的監(jiān)視作用。水處理系統(tǒng)由過濾器、脫氣罐、離子交換器組成，通過水處理系統(tǒng)使內(nèi)冷卻水具有低導(dǎo)電率，無結(jié)垢、結(jié)塊、氣泡等現(xiàn)象，確保閥內(nèi)冷系統(tǒng)水質(zhì)。風(fēng)冷系統(tǒng)作為閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)主要的冷卻方式，通常配備變頻控制器根據(jù)內(nèi)冷水的溫度調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，從而將內(nèi)冷水控制在一定的溫度范圍內(nèi)。從圖1中可以看出，閥內(nèi)冷系統(tǒng)在主循環(huán)泵及風(fēng)冷系統(tǒng)前都配置有若干加熱器，這是為了防止因環(huán)境溫度過低導(dǎo)致內(nèi)冷水溫度低于0℃以下，造成管道結(jié)冰、凍裂，管路及換流閥器件表面凝露等危險情況發(fā)生。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括一些濕度、壓力、溫度表計等。

圖1 閥冷卻系統(tǒng)流程圖

當(dāng)啟用一級冷卻回路時，電磁閥1、三通電磁閥1、電磁閥2、三通電磁閥2均關(guān)閉，內(nèi)冷卻水經(jīng)過換流閥閥廳將晶閘管元件工作時產(chǎn)生的熱量帶走，通過主循環(huán)泵提供的循環(huán)動力在一級冷卻回路中進行循環(huán)，并在循環(huán)的過程中將一定的熱量散發(fā)至周圍環(huán)境中。可以看出，一級冷卻回路僅適用于換流閥溫度不高或者環(huán)境溫度較低的情況。當(dāng)換流閥發(fā)熱量較大，一級冷卻回路不能滿足換流閥散熱要求時，電磁閥1、三通電磁閥1，或者電磁閥2、三通電磁閥2打開，內(nèi)冷卻水經(jīng)過主循環(huán)泵后進入二級冷卻回路，流通至風(fēng)冷系統(tǒng)進行二級降溫，然后再循環(huán)至換流閥。

1.2 閥外冷水系統(tǒng)

閥外冷水系統(tǒng)是一個非密閉的循環(huán)水系統(tǒng)，其主循環(huán)回路主要包括噴淋泵、管道回路、緩沖水池、原水及各種閥門等，其中，每臺冷卻塔配備有主、備兩臺噴淋泵，為外冷水循環(huán)提供動力；雁門關(guān)換流站共配置2臺冷卻塔，每臺冷卻塔配有噴淋裝置，以及2臺變頻冷卻風(fēng)機；水處理系統(tǒng)主要包括加藥回路、過濾器、軟水器等，防止外冷水結(jié)垢、腐蝕管道；與閥內(nèi)冷系統(tǒng)相似，閥外冷水?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括一些濕度、壓力、溫度表計等。

雁門關(guān)換流站閥外冷水系統(tǒng)作為三級冷卻回路來維持換流閥體溫度，當(dāng)一級、二級冷卻回路都不能滿足換流閥降溫需求時，投入閥外冷水系統(tǒng)，并根據(jù)實際情況選擇投入冷卻塔的數(shù)量，此時噴淋泵、冷卻風(fēng)機啟動，外冷卻水從緩沖水池通過噴淋裝置為內(nèi)冷水管道進行降溫，產(chǎn)生的蒸汽由冷卻風(fēng)機排出，從而加快熱交換速度，剩余外冷卻水再次排入緩沖水池。加藥回路旁路泵、加藥泵應(yīng)處于常開狀態(tài)，確保外冷卻水水質(zhì)達標(biāo)。當(dāng)緩沖水池水位較低時，補水閥開啟，原水經(jīng)過濾器、軟水器處理后進入緩沖水池，迅速補充外冷卻水。當(dāng)環(huán)境溫度處于高溫階段，閥體溫度較高時，可向緩沖水池中加入適量冰塊，以迅速降低換流閥溫度。

1.3 閥冷卻控制系統(tǒng)

閥冷卻控制系統(tǒng)對冷卻設(shè)備直接下達指令，起到大腦指揮作用，是閥冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行的保障，也是其核心內(nèi)容。閥冷卻控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括冷卻系統(tǒng)的控制、保護及監(jiān)控。閥冷卻系統(tǒng)的交、直流電源，可編程邏輯控制器PLC（programmable logic control） 的中央處理器CPU（central processing unit）、模擬量及數(shù)字量輸入輸出模塊I/O（input/output）模塊、通信模塊均采用冗余配置。當(dāng)一路電源或控制單元發(fā)生故障時，進行無擾切換，確保閥冷卻系統(tǒng)安全穩(wěn)定、不間斷運行。

2 閥冷卻系統(tǒng)故障分析

作為換流站的重要輔助系統(tǒng)，閥冷卻系統(tǒng)必須保持長期安全、可靠運行。據(jù)統(tǒng)計，有近25%的換流站閉鎖事故是由閥冷卻系統(tǒng)故障引起的[3]。本文通過統(tǒng)計分析事故案例，將這些事故的原因分為設(shè)備故障、控制及保護缺陷、管理缺失3個方面。

設(shè)備故障是閥冷卻系統(tǒng)跳閘的主要因素，常見的有循環(huán)泵故障、閥門故障、傳感器擾動誤報、傳感器故障、系統(tǒng)漏水、水管脫落、腐蝕、電導(dǎo)率過高等。例如鵝城換流站曾因內(nèi)冷卻水管法蘭漏水引發(fā)系統(tǒng)跳閘，導(dǎo)致停運[4]。

控制及保護缺陷一般是由控制及保護策略設(shè)計缺陷導(dǎo)致，在閥冷卻系統(tǒng)處于特殊工作狀態(tài)或受到干擾時，控制器下達錯誤指令使得系統(tǒng)跳閘，引發(fā)換流站閉鎖。常見的故障有：保護定值設(shè)置不合理、傳感器未冗余配置、泵切換失敗、保護跳閘延時不合理等。例如，2013年7月，復(fù)龍換流站站用電系統(tǒng)異常震蕩，致使循環(huán)泵切換失敗，引發(fā)低流量保護動作跳閘[5]。

閥冷卻系統(tǒng)管理缺失會間接導(dǎo)致設(shè)備故障、控制及保護缺陷，通過對多起閥冷卻系統(tǒng)故障分析可以看出，閥冷卻系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行離不開嚴(yán)謹(jǐn)、全面的管理體系。例如，鵝城換流站可通過定期設(shè)備巡檢發(fā)現(xiàn)內(nèi)冷卻水漏水征兆，進而避免系統(tǒng)事故。

根據(jù)以往發(fā)生的事故案例，多數(shù)文章對某特定故障類型進行分析并提出相對應(yīng)的優(yōu)化和整改措施[6-10]，從而提升閥冷卻系統(tǒng)安全性，但是這樣易忽視整個系統(tǒng)內(nèi)模塊之間、系統(tǒng)與管理之間的關(guān)聯(lián)性。因此，本文根據(jù)以往的閥冷卻系統(tǒng)故障的相關(guān)案例分析，結(jié)合雁門關(guān)換流站的實際情況提出閥冷卻系統(tǒng)及管理優(yōu)化方案，進一步提升閥冷卻系統(tǒng)的可靠性。

3 閥冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 循環(huán)泵切換優(yōu)化

電源切換可能使主、備循環(huán)泵發(fā)出瞬時故障信號，引發(fā)循環(huán)泵切換失敗，因此在循環(huán)泵切換控制系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)將電源切換時循環(huán)泵故障信號發(fā)出時間延時1 s，避免誤發(fā)故障信號引發(fā)循環(huán)泵切換失敗。其系統(tǒng)邏輯圖如圖2所示。

圖2 循環(huán)泵切換保護邏輯圖

3.2 在線儀表檢測優(yōu)化

雁門關(guān)換流站閥冷卻系統(tǒng)中主要有溫度、壓力、流量、液位等9類共200余塊儀表和傳感器，這些設(shè)備是閥冷卻系統(tǒng)運行參數(shù)的重要依據(jù)。為避免異常干擾、擾動等引發(fā)系統(tǒng)跳閘，對主要保護邏輯進行優(yōu)化，重要測點采取3取2的冗余方式：模擬量均無故障時，從3個選取數(shù)值取中值進行判斷；1臺儀表故障時，從其余2個測點取均值進行判斷；2臺儀表故障時，采用單臺無故障測點數(shù)值進行判斷；3臺儀表均故障時，發(fā)出傳感器故障信號。

雁門關(guān)換流站多處儀表、傳感器安裝未滿足最小影響原則，易導(dǎo)致壓力測點受到影響、測點數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問題。為避免此類問題發(fā)生，應(yīng)調(diào)整儀表、傳感器安裝位置，將測壓儀器安裝于測溫儀器之前，儀表、傳感器安裝距離避免過近，以減少干擾。

3.3 系統(tǒng)保護優(yōu)化

雁門關(guān)換流站閥冷卻系統(tǒng)主要配備壓力低保護、流量低保護、溫度高保護、微分泄漏保護、液位低保護，為避免系統(tǒng)擾動、瞬時超限引發(fā)系統(tǒng)跳閘，在跳閘信號發(fā)出之前，應(yīng)先后設(shè)置報警和延時邏輯，系統(tǒng)邏輯圖如圖3所示。

圖3 閥冷卻系統(tǒng)保護邏輯圖

3.4 風(fēng)機控制優(yōu)化

雁門關(guān)換流站閥冷卻風(fēng)冷系統(tǒng)共配置5排、8列共40臺冷卻風(fēng)機，其中，第1、2排冷卻風(fēng)機為變頻風(fēng)機，用以調(diào)節(jié)風(fēng)冷系統(tǒng)控制溫度，其余為工頻風(fēng)機。風(fēng)冷系統(tǒng)是二級冷卻回路主要內(nèi)容。考慮到雁門關(guān)換流站緯度較高，冬季時節(jié)前后晝夜溫差大等特點，對風(fēng)冷系統(tǒng)進行控制優(yōu)化，進而降低能耗、提高冷卻效率，具體內(nèi)容有以下幾方面。

a）當(dāng)進閥水溫處于低溫度段時，閥冷卻系統(tǒng)主要通過一級冷卻回路自然冷卻和加熱器對內(nèi)冷水溫度進行控制。

b）當(dāng)進閥水溫進入中溫段并未達到高溫段時，電磁閥1、三通電磁閥1，或者電磁閥2、三通電磁閥2打開，此時冷卻風(fēng)機無需啟動，系統(tǒng)主要以自然冷卻方式運行。其中，冷卻強度通過三通電磁閥開度控制，以中溫段初始溫度時三通電磁閥開度為0%，高溫段初始溫度時三通電磁閥開度為100%進行線性控制，從而調(diào)節(jié)內(nèi)冷卻水進入風(fēng)冷系統(tǒng)的比例。

c）當(dāng)進閥水溫進入高溫段，且高于風(fēng)機啟動值保持1 min后，投入風(fēng)冷系統(tǒng)，第一排冷卻風(fēng)機啟動，當(dāng)?shù)谝慌庞酗L(fēng)機工頻運行時，且進閥水溫高于目標(biāo)值1℃并持續(xù)1 min，啟動第二排風(fēng)機，同理依次啟動第三排至第五排風(fēng)機。其中第一、二排風(fēng)機為變頻風(fēng)機，采用比例—積分—微分PID（proportion-integral-differential） 控制風(fēng)機投入數(shù)量和運行頻率。

d）當(dāng)進閥水溫低于目標(biāo)值1℃且持續(xù)1 min后，依次停止先啟動的工頻風(fēng)機，最后降低變頻風(fēng)機運行頻率，直至停止。

e）當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生驟降，進閥溫度超過報警值時，風(fēng)冷系統(tǒng)前加熱器應(yīng)自動運行，再進行風(fēng)冷系統(tǒng)退出作業(yè)，避免溫度急劇降低，風(fēng)冷系統(tǒng)來不及完全退出，引發(fā)管道結(jié)冰、凍裂等事故。

4 閥冷卻系統(tǒng)管理優(yōu)化

4.1 系統(tǒng)性能試驗

控制系統(tǒng)的可靠性對于閥冷卻系統(tǒng)尤為重要，要求在年度檢修項目中進行相應(yīng)系統(tǒng)性能試驗，主要包括：電源切換試驗、各類備用泵聯(lián)鎖啟動試驗、各項系統(tǒng)保護動作試驗等。定期主循環(huán)泵切換應(yīng)選擇低負荷時間段，避免切換失敗對電網(wǎng)系統(tǒng)造成影響。

4.2 報警分級

雁門關(guān)換流站閥冷卻系統(tǒng)未進行系統(tǒng)報警分級，易使工作人員面對報警時不分主次，隨意采取緊急處理措施，導(dǎo)致重要隱患無法第一時間處理得當(dāng)，而當(dāng)報警信息頻繁時，易放松警惕，忽略重要隱患。因此，建議將閥冷卻系統(tǒng)報警進行三級分類，其中第三級報警優(yōu)先級、重要程度最高。面對三級報警時，工作人員需立即行動，采取應(yīng)急方案。當(dāng)面對優(yōu)先級較低報警信號時，工作人員可有時間對信息進行分析、排查，避免高危隱患發(fā)生。

在各項保護定值中也應(yīng)進行分級設(shè)定，例如，內(nèi)冷水閥前溫度保護定值應(yīng)設(shè)定低一值、低二值、低三值。低一值表明閥前溫度低于設(shè)定溫度，但短時間不影響系統(tǒng)運行，超過低一值時應(yīng)發(fā)出一級報警信號；低二值表示閥前溫度明顯低于設(shè)定溫度，有可能影響系統(tǒng)運行，超出此值時應(yīng)發(fā)出二級報警信號；超過低三值則表示閥前溫度已不滿足系統(tǒng)運行條件，立即發(fā)出三級報警信號，并經(jīng)過延時后發(fā)出跳閘信號。

4.3 儀表及傳感器整改

雁門關(guān)換流站閥冷卻系統(tǒng)配置近200塊儀表、傳感器，這些表計部分未進行檢定工作，表計精確度無法得到保證。針對此問題，應(yīng)在每次年度檢修期間進行表計送檢、量值傳遞工作，確保各表計精度準(zhǔn)確、降低故障發(fā)生率；同時，各類冗余表計、傳感器數(shù)值都應(yīng)顯示在系統(tǒng)換面中，而不應(yīng)當(dāng)僅顯示模擬量冗余計算后的取值，這樣不利于故障信號的判斷。

5 結(jié)束語

統(tǒng)計分析了全國近期閥冷卻系統(tǒng)事故案例，提出了增加循環(huán)泵故障信號時間延時進而避免錯誤跳閘，重要測點采取三取二的冗余方式，加強儀表、傳感器量值傳遞工作，建立報警分級制度，優(yōu)化風(fēng)機控制系統(tǒng)，健全在線儀表檢測、報警分級、系統(tǒng)保護、風(fēng)機控制、系統(tǒng)性能試驗等閥冷卻系統(tǒng)性能試驗機制等優(yōu)化方案，從而提高閥冷卻系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性，可為其他相關(guān)工程改進提供借鑒。