換流閥冷卻系統(tǒng)主循環(huán)泵的運(yùn)行特性研究

鄭登升,陳宇曦,趙盛國,龔海軍

(常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司,江蘇 常州 213025)

換流閥為高壓直流輸電工程中交直流電能轉(zhuǎn)換的核心單元,運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,尤其是其核心部件晶閘管,需要通過高效的換流閥冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱量控制,保證正常工作溫度[1]。為防止這些元器件因溫度過高而損壞,換流站配置有換流閥冷卻系統(tǒng)對(duì)換流閥進(jìn)行冷卻,換流閥冷卻系統(tǒng)是直流輸電工程中最重要的輔助設(shè)備[2],壓力和流速恒定的冷卻介質(zhì),通過主循環(huán)泵提供動(dòng)力,源源不斷地流經(jīng)調(diào)溫裝置,進(jìn)入室外換熱設(shè)備,將換流閥被冷卻器件產(chǎn)生的熱量在室外換熱設(shè)備中進(jìn)行熱交換,然后冷卻介質(zhì)再進(jìn)入換流閥被冷卻器件,形成密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng),保證換流閥的進(jìn)閥水溫在合理范圍內(nèi),因此閥冷卻系統(tǒng)安全穩(wěn)定與否直接關(guān)系到直流輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

主循環(huán)泵是換流閥冷卻系統(tǒng)的重要組成部分,主要給內(nèi)冷水系統(tǒng)提供動(dòng)力[3],使冷卻介質(zhì)在換流閥發(fā)熱部件與冷卻系統(tǒng)室外換熱設(shè)備之間循環(huán),一旦主循環(huán)泵發(fā)生故障,將影響直流輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此,研究換流閥冷卻系統(tǒng)主循環(huán)泵的運(yùn)行特性至關(guān)重要。以往的研究主要集中于換流閥冷卻系統(tǒng)切泵邏輯優(yōu)化,對(duì)主循環(huán)泵不同運(yùn)行工況下流量、壓力的定性研究較少。本文研究閥冷卻系統(tǒng)在啟動(dòng)、停止及運(yùn)行過程中切泵工況下的流量及壓力的建立與跌落特性,為閥冷卻系統(tǒng)的流量、壓力的保護(hù)定值設(shè)定提供參考依據(jù)。

1 換流閥冷卻系統(tǒng)組成分析

換流閥冷卻系統(tǒng)主要由主循環(huán)內(nèi)冷卻回路、去離子水處理回路、外循環(huán)冷卻系統(tǒng)、冷卻介質(zhì)及管路、電氣控制系統(tǒng)等5部分組成[4-5]。主循環(huán)內(nèi)冷卻回路主要由主循環(huán)泵、脫氣罐、主過濾器和電加熱器組成。

換流閥冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)有去離子水處理回路,并聯(lián)在主循環(huán)回路上,設(shè)定一部分冷卻介質(zhì)流經(jīng)離子交換器,不斷凈化管路中可能析出的離子。去離子水處理回路通過膨脹罐與主循環(huán)回路冷卻介質(zhì)在主循環(huán)泵進(jìn)口合流。與膨脹罐連接的氮?dú)夂銐合到y(tǒng)提供恒定的壓力,使系統(tǒng)充滿冷卻介質(zhì)并隔絕空氣,換流閥冷卻系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

圖1 換流閥冷卻系統(tǒng)工藝流程圖

2 主循環(huán)泵切泵功能分析

2.1 主循環(huán)泵的電源配置分析

換流閥冷卻系統(tǒng)的主循環(huán)泵一般配置兩臺(tái),采用一用一備的方式,單臺(tái)泵能滿足系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)流量[6]。閥冷卻系統(tǒng)中配置主循環(huán)泵P01和P02。每臺(tái)主循環(huán)泵具有兩個(gè)獨(dú)立的電氣回路:主循環(huán)泵工頻旁路回路(主要?jiǎng)恿芈钒ㄖ餮h(huán)泵旁路進(jìn)線斷路器1QF2和2QF2、主循環(huán)泵旁路接觸器1KM2和2KM2)和主循環(huán)泵軟啟回路(主要?jiǎng)恿芈钒ㄖ餮h(huán)泵軟啟回路進(jìn)線斷路器1QF1和2QF1、主循環(huán)泵軟啟動(dòng)器1RQ和2RQ、主循環(huán)泵軟啟回路接觸器1KM1和2KM1),此外,主循環(huán)泵P01動(dòng)力回路中配置安全開關(guān)1QFS,主循環(huán)泵P02動(dòng)力回路中配置安全開關(guān)2QFS。只要任一回路正常均可以保證主循環(huán)泵正常運(yùn)行。閥冷卻系統(tǒng)主循環(huán)泵動(dòng)力電源配置如圖2所示。

圖2 主循環(huán)泵電源配置原理圖

2.2 主循環(huán)泵啟停及切泵的控制功能分析

1)主循環(huán)泵軟啟動(dòng)控制。主循環(huán)泵軟啟動(dòng)器在主循環(huán)泵啟動(dòng)過程中投入運(yùn)行,當(dāng)啟動(dòng)完成后,如果相應(yīng)主循環(huán)泵旁路正常,主循環(huán)泵從軟啟內(nèi)置旁路運(yùn)行自動(dòng)切換到主循環(huán)泵頻旁路長期運(yùn)行,軟啟動(dòng)器退出運(yùn)行。

2)主循環(huán)泵旁路控制。當(dāng)兩臺(tái)主循環(huán)泵軟啟回路均故障時(shí),允許從主循環(huán)泵旁路直接啟動(dòng)主循環(huán)泵。

3)主循環(huán)泵定時(shí)、手動(dòng)、遠(yuǎn)程切換功能。運(yùn)行模式下,當(dāng)一臺(tái)主循環(huán)泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間大于系統(tǒng)設(shè)定的定時(shí)切換時(shí)間定值,或在人機(jī)界面手動(dòng)切換主循環(huán)泵,如果此時(shí)備用泵無任何故障,則先切換到無故障的備用泵軟啟回路啟動(dòng),再切換至無故障備用泵工頻旁路運(yùn)行;如果此時(shí)備用泵有故障,則當(dāng)前運(yùn)行泵繼續(xù)運(yùn)行。

4)主循環(huán)泵故障切換功能。

由于主循環(huán)泵實(shí)際運(yùn)行有兩條回路,即旁路回路以及軟啟回路,因此根據(jù)主循環(huán)泵實(shí)際回路出現(xiàn)故障的情況做以下劃分:

當(dāng)運(yùn)行泵在軟啟動(dòng)過程中出現(xiàn)軟啟回路故障,或工頻旁路穩(wěn)定運(yùn)行過程中出現(xiàn)工頻旁路故障,備用泵軟啟回路和工頻旁路均正常時(shí),先切換到備用泵軟啟回路啟動(dòng),啟動(dòng)完成后,再切換至備用泵工頻旁路穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)運(yùn)行泵在工頻旁路穩(wěn)定運(yùn)行過程中出現(xiàn)工頻旁路故障且軟啟回路正常,備用泵軟啟回路正常而工頻旁路有故障時(shí),優(yōu)先考慮切換至備用泵軟啟回路啟動(dòng)運(yùn)行。

當(dāng)運(yùn)行泵出現(xiàn)工頻旁路和軟啟回路均故障、備用泵正常時(shí),自動(dòng)切換至備用泵運(yùn)行。

在兩臺(tái)泵的工頻旁路、軟啟回路均出現(xiàn)故障的極端情況下,保持主循環(huán)泵的最后控制狀態(tài)。

5)主循環(huán)泵壓力切換功能。

當(dāng)主循環(huán)泵的出口壓力和進(jìn)閥壓力均偏低后,自動(dòng)切換到備用泵;如果備用泵運(yùn)行后檢測(cè)到主循環(huán)泵出口壓力、進(jìn)閥壓力還偏低,為了防止主循環(huán)泵頻繁切換,仍保持當(dāng)前泵運(yùn)行。

3 閥冷卻系統(tǒng)主循環(huán)泵的運(yùn)行特性試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)閥冷卻系統(tǒng)與試驗(yàn)方法

以某工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試完成的換流閥冷卻系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象,換流閥冷卻系統(tǒng)的主循環(huán)泵出口配置了壓力變送器PT01,主循環(huán)泵入口配置了壓力變送器PT11,進(jìn)換流閥的管路配置了壓力變送器PT21及流量變送器FIT01,如圖3所示。換流閥冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 閥冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖3 閥冷卻系統(tǒng)配置原理圖

對(duì)閥冷卻系統(tǒng)的主循環(huán)泵進(jìn)行啟動(dòng)、停止、定時(shí)切換、故障切換,依次進(jìn)行模擬動(dòng)作,并記錄主循環(huán)泵出口、主循環(huán)泵入口、進(jìn)閥壓力及主循環(huán)流量數(shù)據(jù),從動(dòng)作時(shí)刻開始記錄,每0.5 s時(shí)間間隔記錄一組流量、壓力數(shù)據(jù),共記錄20 s,根據(jù)記錄數(shù)據(jù)擬合曲線,研究、分析不同工況下流量、壓力的建立與跌落規(guī)律。以P01主循環(huán)泵為試驗(yàn)對(duì)象,模擬主循環(huán)泵的運(yùn)行工況如下:

1)模擬主循環(huán)泵啟動(dòng)過程,通過閥冷系統(tǒng)裝置就地按鈕手動(dòng)啟動(dòng)P01。

2)模擬主循環(huán)泵停止過程,通過閥冷系統(tǒng)裝置就地按鈕手動(dòng)停止P01。

3)模擬定期切泵過程,通過閥冷系統(tǒng)裝置就地按鈕將P01切換到P02。

4)模擬故障切泵過程(P01工頻切P02軟啟)。當(dāng)P01主循環(huán)泵工頻運(yùn)行且P01軟啟回路無故障,P02主循環(huán)泵軟啟回路無故障、工頻旁路故障時(shí),斷開P01主循環(huán)泵工頻旁路進(jìn)線電源斷路器,模擬P01主循環(huán)泵故障切至P02軟啟回路運(yùn)行。

5)模擬故障切泵過程(P01工頻切P02工頻)。當(dāng)P01主循環(huán)泵工頻運(yùn)行且P01軟啟回路無故障,P02主循環(huán)泵軟啟回路故障、工頻旁路無故障時(shí),斷開P01主循環(huán)泵工頻旁路進(jìn)線電源斷路器,模擬P01主循環(huán)泵故障切至P02工頻旁路運(yùn)行。

6)模擬故障切泵過程(P01軟啟切P02工頻)。當(dāng)P01主循環(huán)泵軟啟回路運(yùn)行且P01工頻故障,P02主循環(huán)泵軟啟回路故障、工頻旁路無故障時(shí),斷開P01主循環(huán)泵軟啟回路進(jìn)線電源斷路器,模擬P01主循環(huán)泵故障切至P02工頻旁路運(yùn)行。

7)模擬故障切泵過程(P01軟啟切P02軟啟)。當(dāng)P01主循環(huán)泵軟啟回路運(yùn)行且P01工頻故障,P02主循環(huán)泵軟啟回路無故障、工頻旁路故障時(shí),斷開P01主循環(huán)泵軟啟回路進(jìn)線電源斷路器,模擬P01主循環(huán)泵故障切至P02軟啟回路運(yùn)行。

8)模擬故障切泵過程(P01回切)。當(dāng)P01主循環(huán)泵工頻旁路運(yùn)行,斷開P02主循環(huán)泵安全開關(guān),模擬P01主循環(huán)泵定時(shí)切換至備用泵P02運(yùn)行失敗回切至P01運(yùn)行。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)啟泵、停泵工況下流量建立與跌落特性。

換流閥冷卻系統(tǒng)在啟泵和停泵工況下,主循環(huán)流量隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示,由圖可知,在啟泵過程中,流量從0 m3/h建立到額定值786 m3/h需要20 s,在停泵過程中,流量從額定值786 m3/h跌落到0 m3/h需要20 s,啟泵與停泵的流量建立與跌落的曲線特性一致。

圖4 啟停工況下流量隨時(shí)間變化曲線

2)泵、停泵工況下壓力建立與跌落特性。

換流閥冷卻系統(tǒng)在啟泵、停泵工況下,壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示,由圖可知,在啟泵過程中,主循環(huán)泵出口壓力和進(jìn)閥壓力從系統(tǒng)靜壓值建立到額定值需要4 s,在停泵過程中,主循環(huán)泵出口壓力和進(jìn)閥壓力從系統(tǒng)額定值跌落到靜壓值需要4 s,啟泵、停泵的壓力建立與跌落的曲線特性一致。主循環(huán)泵出口壓力與進(jìn)閥壓力在啟泵建立、停泵跌落的趨勢(shì)一致,相比流量,壓力值建立到額定值與跌落到靜壓值快16 s,從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出壓力值具有更好的靈敏性。

圖5 啟停工況下壓力隨時(shí)間變化曲線

3)不同切泵工況下流量建立與跌落特性。

換流閥冷卻系統(tǒng)在同一額定流量及額定壓力、不同切泵工況下,主循環(huán)流量隨時(shí)間變化曲線如圖6所示,由圖可知,軟啟切工頻工況,流量跌落值最小,重新恢復(fù)到額定流量需要的時(shí)間最少,而主循環(huán)泵的故障回切與工頻切軟啟兩種工況下,流量隨時(shí)間的曲線基本一致,并且在所有切泵工況中,流量跌落值最大,重新恢復(fù)到額定流量需要的時(shí)間最長。根據(jù)流量跌落值及重新完全恢復(fù)到額定值所需要的時(shí)間,可以分析出閥冷卻系統(tǒng)在不同切泵工況下流量重新建立的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間排序?yàn)?故障回切≈工頻切軟啟>工頻切工頻>軟啟切軟啟>定期切泵>軟啟切工頻。

圖6 不同切泵工況下流量隨時(shí)間變化曲線

4)不同切泵工況下主循環(huán)泵出口壓力建立與跌落特性。

換流閥冷卻系統(tǒng)在同一額定流量及額定壓力、不同故障切泵工況下,主循環(huán)泵出口壓力隨時(shí)間變化的曲線如圖7所示,由圖可知,軟啟切工頻工況下,主循環(huán)泵出口壓力值跌落最小,重新恢復(fù)到額定壓力值需要的時(shí)間最少,而主循環(huán)泵故障回切與工頻切軟啟兩種工況下,主循環(huán)泵出口壓力隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本一致,并且在所有切泵工況中,主循環(huán)泵出口壓力跌落值最大,重新恢復(fù)到額定壓力需要的時(shí)間最長。根據(jù)主循環(huán)泵出口壓力跌落值及重新完全恢復(fù)到額定壓力所需要的時(shí)間,可以分析出閥冷卻系統(tǒng)在不同切泵工況下的壓力重新建立的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間排序?yàn)?故障回切≈工頻切軟啟>工頻切工頻>軟啟切軟啟>定期切泵>軟啟切工頻。

圖7 不同切泵工況下主循環(huán)泵出口壓力隨時(shí)間變化曲線

5)不同切泵工況下進(jìn)閥壓力建立與跌落特性。

換流閥冷卻系統(tǒng)在同一額定流量及額定壓力、不同故障切泵工況下,進(jìn)閥壓力隨時(shí)間變化的曲線如圖8所示,由圖可知,軟啟切工頻的工況下,進(jìn)閥的壓力值跌落最小,重新恢復(fù)到額定壓力需要的時(shí)間最少,而主循環(huán)泵的故障回切與工頻切軟啟的兩種工況下,進(jìn)閥壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致,并且在所有切泵工況中,進(jìn)閥壓力跌落值最大,重新恢復(fù)到額定壓力需要的時(shí)間最長。根據(jù)進(jìn)閥壓力的跌落值及重新完全恢復(fù)到額定值所需要的時(shí)間,可以分析出閥冷卻系統(tǒng)在不同切泵工況下壓力重新建立的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間排序?yàn)?故障回切≈工頻切軟啟>工頻切工頻>軟啟切軟啟>定期切泵>軟啟切工頻。

圖8 不同切泵工況下進(jìn)閥壓力隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)換流閥冷卻系統(tǒng)的主循環(huán)泵切換邏輯進(jìn)行分析,通過試驗(yàn)研究了換流閥冷卻系統(tǒng)在啟動(dòng)、停止及運(yùn)行過程中切泵的流量和壓力動(dòng)態(tài)特性,得出以下結(jié)論:

1)模擬換流閥冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)、停止的運(yùn)行工況,對(duì)比流量、壓力建立與跌落時(shí)間,可知壓力的建立與跌落遠(yuǎn)快于流量,基于以上特性,主循環(huán)泵的故障切換邏輯建議采用壓力值作為主循環(huán)泵故障判定條件,通過壓力值偏低判定主循環(huán)泵故障需要的時(shí)間更短,如發(fā)生運(yùn)行主循環(huán)泵故障,能更快速切換到備用泵運(yùn)行。

2)通過對(duì)比分析不同切泵工況下主循環(huán)流量、主循環(huán)泵出口壓力、進(jìn)閥壓力的跌落值及恢復(fù)到額定值所需時(shí)間,可得閥冷卻系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下切泵的流量和壓力重新建立的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間排序:故障回切≈工頻切軟啟>工頻切工頻>軟啟切軟啟>定期切泵>軟啟切工頻,基于以上特性,換流閥冷卻系統(tǒng)在出廠及現(xiàn)場(chǎng)切泵試驗(yàn)中,可取消工頻切工頻、軟啟切軟啟、定期切泵、軟啟切工頻的模擬試驗(yàn),只需模擬故障回切、工頻切軟啟工況下的切泵試驗(yàn),保證在以上兩種工況下,換流閥冷卻系統(tǒng)可以正常切泵運(yùn)行,從而有效降低換流閥冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)的切泵次數(shù)及縮短出廠、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。