虞城站特高壓直流輸電工程換流閥水冷系統(tǒng)節(jié)流孔板設(shè)計(jì)計(jì)算

宗 斌 嚴(yán)鵬航 任海瑩 李 冬

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司 南京 211106；2.北京國電富通科技發(fā)展有限責(zé)任公司 北京 100070；3.南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司 南京 211106）

0 引言

高壓直流輸電工程換流閥水冷系統(tǒng)是換流站特有的核心輔助設(shè)備，其機(jī)械回路和控制保護(hù)回路均比較復(fù)雜，其中進(jìn)閥溫度、壓力及流量均一性要求較高，波動(dòng)較大易危及高壓直流輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。其中進(jìn)閥溫度主要依賴電動(dòng)三通閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)外冷流量來實(shí)現(xiàn)溫度控制，但由此會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)支路壓阻變化。如圖1所示，電動(dòng)三通閥置于主循環(huán)冷卻水回路室外換熱設(shè)備進(jìn)水側(cè)，可調(diào)節(jié)室外換熱設(shè)備的冷卻水流量比例，但由于室外換熱設(shè)備及其較長連接管路存在明顯壓降，同時(shí)根據(jù)工程實(shí)測數(shù)據(jù)反饋，電動(dòng)三通閥工作時(shí)進(jìn)閥壓力及流量存在陡變的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 白-江工程換流閥水冷系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)壓力示意圖Fig.1 Schematic diagram of node pressure of the converter valve cooling system in Bai-jiang project

在發(fā)電廠及化工行業(yè)工程建設(shè)中，管道的前后壓差較大時(shí)，往往采用加設(shè)節(jié)流孔板的方式，其原理是：流體在管道中流動(dòng)時(shí)，孔板導(dǎo)致的局部阻力可使流體的能量損耗，壓力降低，流量降低，達(dá)到降低流體壓力的目的，在熱力學(xué)稱為節(jié)流現(xiàn)象[2]。節(jié)流孔板的選型需要經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)計(jì)算，避免出現(xiàn)氣蝕、管道震顫等現(xiàn)象，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。陳瑩等研究了氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理，開展液體節(jié)流孔板壓降、級(jí)數(shù)及孔徑的設(shè)計(jì)計(jì)算[2]；謝輝等探究了節(jié)流孔板開孔形狀及結(jié)構(gòu)對(duì)管道壓降效果及振動(dòng)輻射噪聲的影響[3]；楊杰等應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的孔板流量計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬[4]；目前國內(nèi)外各換流閥水冷系統(tǒng)從未開展加裝節(jié)流孔板的研究，我方根據(jù)閥冷系統(tǒng)的多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)支撐，開展此項(xiàng)研究，可優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行工況，提升換流站工程質(zhì)量。

本文以新建白鶴灘-江蘇±800kV 特高壓直流輸電工程虞城站換流閥水冷系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)為基準(zhǔn)，基于孔板計(jì)算公式進(jìn)行理論計(jì)算，同時(shí)利用一維軟件Flowmaster 進(jìn)行仿真分析，并將二者結(jié)果對(duì)比得出孔徑推薦值，最后通過該水冷系統(tǒng)等比例樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析，取孔徑最優(yōu)值應(yīng)用于實(shí)際工程中。

1 節(jié)流孔板理論計(jì)算分析

1.1 節(jié)流孔板前后壓差ΔP 計(jì)算分析

如圖1所示，閥冷系統(tǒng)介質(zhì)在主泵的驅(qū)使下進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)三通閥開度為100%時(shí)，介質(zhì)流通路徑為三通閥-較長管路-冷卻塔-過濾器；當(dāng)三通閥開度為0%時(shí)，介質(zhì)流通路徑為三通閥-極短管路-過濾器。對(duì)比可知，隨著三通閥開度的變化，兩條路徑的壓降差距較大，造成了系統(tǒng)壓力及流量波動(dòng)，故需通過加設(shè)節(jié)流孔板的方式進(jìn)行有效控制，設(shè)計(jì)節(jié)流孔板前后壓差為冷卻塔+較長管路壓降之和。

其中冷卻塔壓降根據(jù)廠家選型報(bào)告可知：

較長管路壓降依據(jù)虞城站換流閥冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可知：管路采用DN250 規(guī)格，其中直管段管長約133.1m，包含DN250 長半徑彎頭8 個(gè)。

依據(jù)GB 50015-2003 建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范沿程水頭損失計(jì)算公式：

式中：i為管道單位長度水頭損失，kPa/m；dj為管道計(jì)算內(nèi)徑，m；qg為設(shè)計(jì)流量，m3/s；Ch為海澄威廉系數(shù)（不銹鋼管取130）。

局部阻力損失計(jì)算公式：

式中：§為局部阻力系數(shù)；v為管內(nèi)流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

則較長管路壓降計(jì)算可得：

最終節(jié)流孔板前后壓差為：

1.2 節(jié)流孔孔徑計(jì)算

依據(jù)DLT 5054-2016火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范水管道上的節(jié)流孔徑計(jì)算公式：

式中：dk為節(jié)流孔板的孔徑，mm；G為通過孔板的流量，t/h；ρ為水的密度，kg/m3；ΔP為孔板前后壓差，MPa。

理論計(jì)算可得節(jié)流孔板的孔徑為：

2 基于Flowmaster仿真軟件計(jì)算分析

2.1 軟件介紹及參數(shù)設(shè)置

Flowmaster軟件是世界一流的一維熱流體系統(tǒng)仿真軟件，對(duì)于各種復(fù)雜的流體系統(tǒng)，工程師可利用Flowmaster快速有效地建立精確的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)求解，并進(jìn)行壓力、流量、溫度、流速等參數(shù)的計(jì)算分析[5]。

參數(shù)設(shè)置：

泵Pump：流量535m3/h=148.611kg/s及為進(jìn)閥總流量、揚(yáng)程80m、功率142kW、如圖2所示，Suter Head-Torque Curve按KSB廠家提供曲線導(dǎo)入[6]。

圖2 MCPK250-200-500泵流量揚(yáng)程曲線Fig.2 MCPK250-200-500 Pump flow head curve

管路Cylindrical Rigid：直徑0.267m，長度依照實(shí)際布置測量值，絕對(duì)粗糙度依據(jù)軟件推薦值取0.025mm。

冷卻塔模塊：水力直徑0.267m，壓降為0.476bar，根據(jù)局部阻力系數(shù)計(jì)算公式[7]可得Loss Coefficient為13.5。

換流閥模塊：水力直徑0.267m，壓降根據(jù)廠家設(shè)計(jì)報(bào)告為4.5bar，根據(jù)局部阻力系數(shù)計(jì)算公式可得Loss Coefficient為127。

三通閥模塊：水力直徑0.267m，如圖3所示，將連桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的蝶閥簡化為V13/V14組成，由閥門控制器調(diào)節(jié)。

圖3 換流閥水冷系統(tǒng)節(jié)流孔板計(jì)算仿真模型Fig.3 Calculation and Simulation Model of Throttle orifice of the converter valve cooling system

節(jié)流孔Orifice：孔板外徑水力直徑0.267m，厚度0.01m。

2.2 仿真模型搭建及計(jì)算

換流閥水冷系統(tǒng)節(jié)流孔板計(jì)算仿真模型依據(jù)虞城站閥冷系統(tǒng)工藝流程圖搭建如圖3所示，通過閥門控制器Valve Opening可控制蝶閥閥門開度，調(diào)節(jié)流經(jīng)冷卻塔及節(jié)流孔回路的流量，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)/瞬態(tài)控制及求解。

表1 不同回路流量及壓降對(duì)比Table 1 Comparison of flow rate and pressure drop in different circuits

首先調(diào)整三通閥開度為100%，此時(shí)介質(zhì)流通路徑為冷卻塔回路。由上表仿真分析計(jì)算后可知，以方案設(shè)計(jì)值為基準(zhǔn)值，仿真模型中冷卻塔回路仿真值各參數(shù)計(jì)算誤差≤3.8%，表明模型建立有效，邊界參數(shù)設(shè)置精確，仿真結(jié)果計(jì)算可靠。

然后調(diào)整三通閥開度為0%，此時(shí)介質(zhì)流通路徑為節(jié)流孔板回路。通過不斷調(diào)節(jié)節(jié)流孔板內(nèi)徑規(guī)格尺寸，促使該回路流量壓降參數(shù)與冷卻塔回路趨于平衡。最終計(jì)算得出節(jié)流孔板孔徑為140.5mm時(shí)可達(dá)到最優(yōu)節(jié)流效果，此時(shí)相較于冷卻塔回路，節(jié)流孔板支路流量及壓力波動(dòng)控制在0.5%以內(nèi)，效果顯著。

3 等比例系統(tǒng)試驗(yàn)分析

3.1 節(jié)流孔板選型設(shè)計(jì)

依據(jù)HGT 20570.15-1995管路限流孔板的設(shè)置節(jié)流孔板分類及選型要點(diǎn)：

液體：

（1）當(dāng)液體壓降小于或等于2.5MPa時(shí)，選擇單板孔板。

（2）當(dāng)液體壓降大于2.5MPa時(shí)，選擇多板孔板，且使每塊孔板的壓降小于2.5MPa。

孔數(shù)的確定：

（1）管道公稱直徑小于或等于150mm的管路，通常采用單孔孔板；大于150mm時(shí)，采用多孔孔板。

（2）多孔孔板的孔徑（d0），一般可選用12.5mm，20mm，25mm，40mm。

由此可知，本系統(tǒng)工況節(jié)流孔板液體壓降遠(yuǎn)小于2.5MPa，同時(shí)管道采用DN250標(biāo)準(zhǔn)管，公稱直徑大于150mm，考慮流動(dòng)噪聲影響，故采用單板多孔孔板[8]。

多孔孔板的孔數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：N為多孔限流板的孔數(shù)，個(gè)；d為單孔限流孔板的孔徑，m；d0為多孔限流孔板的孔徑，m。

結(jié)合理論計(jì)算及仿真分析結(jié)果，基于換流閥水冷系統(tǒng)冗余量要求，考量節(jié)流管道振動(dòng)及輻射噪聲影響，多孔孔板的孔徑選用40mm[9]，節(jié)流孔板選型設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 節(jié)流孔板選型計(jì)算表Table 2 Calculation table for throttle orifice selection

如圖4所示，節(jié)流孔板多孔均勻布置，采取半圓角型節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)，可有效防止氣蝕的產(chǎn)生，降低流動(dòng)噪聲[10]。

圖4 節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.4 Structural design drawing of throttle orifice plate

3.2 孔板安裝及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

如圖5所示，安裝節(jié)流孔板于閥冷系統(tǒng)指定位置，通過調(diào)節(jié)閥門開度模擬現(xiàn)場工況。分別對(duì)比未加裝節(jié)流孔板、加裝節(jié)流孔板（12孔/16孔）的系統(tǒng)流量狀態(tài)。同時(shí)考慮系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)呈波動(dòng)態(tài)勢，故取閥冷系統(tǒng)穩(wěn)定工況下的平均流量記錄并分析。

圖5 換流閥水冷系統(tǒng)節(jié)流孔板安裝位置Fig.5 Installation position of throttle orifice plate of the converter valve cooling system

如圖6所示為加裝不同節(jié)流孔板，換流閥水冷系統(tǒng)進(jìn)閥總流量隨三通閥閥門開度變化趨勢圖。明顯可以看出加裝節(jié)流孔板后，系統(tǒng)流量曲線波動(dòng)趨勢趨于穩(wěn)定。

圖6 進(jìn)閥總流量隨三通閥閥門開度變化趨勢圖Fig.6 The trend diagram of the total flow of the inlet valve with the opening of the three-way valve

如表3所示為進(jìn)閥總流量波動(dòng)記錄表，對(duì)比可知，加裝節(jié)流孔板（12孔）后的進(jìn)閥總流量波動(dòng)相較未加裝節(jié)流孔板狀態(tài)，波動(dòng)比值降低為6.01%，下降幅度超過一半，效果顯著。白鶴灘-江蘇±800KV特高壓直流輸電工程虞城站換流閥水冷系統(tǒng)最終采用節(jié)流孔板（孔徑40mm、孔數(shù)12個(gè)）選型設(shè)計(jì)。

表3 進(jìn)閥總流量波動(dòng)記錄表Table 3 Record table of total flow fluctuation of inlet valve

4 結(jié)論

Flowmaster可快速有效地建立精確的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)求解，并進(jìn)行換流閥水冷系統(tǒng)壓力、流量、溫度、流速等參數(shù)的計(jì)算分析。本文通過建立白鶴灘-江蘇特高壓直流輸電工程虞城站換流閥水冷系統(tǒng)仿真模型，分析三通調(diào)節(jié)閥閥門開度對(duì)進(jìn)閥總流量、壓力等參數(shù)的影響，仿真結(jié)論與以往項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)及波動(dòng)趨勢相符，證明仿真模型建立可靠；同時(shí)結(jié)合理論計(jì)算和仿真分析得出節(jié)流孔板設(shè)計(jì)參數(shù)，具體實(shí)施于虞城站換流閥水冷裝置中，通過同比例系統(tǒng)試驗(yàn)比較，可明顯觀察到加裝節(jié)流孔板（12孔，40mm）后，系統(tǒng)流量曲線趨于平緩，波動(dòng)比值降低為6.01%，下降幅度超過一半。基于閥冷系統(tǒng)外冷結(jié)構(gòu)壓降值設(shè)計(jì)加裝的節(jié)流孔板可明顯優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，為后續(xù)新建工程及工程改造提供了理論和運(yùn)行依據(jù)。