摘要：特高压直流输电最核心的技术集中于换流站设备，换流站实现了直流输电工程中直流和交流相互能量转换，换流阀是实现能量转换的核心设备。换流阀内的可控硅元件在运行过程中产生很高的热量损耗，现有直流输电工程换流阀热量损耗直接或者间接的排放至空气中，在要求室外换热具有高冷却能力的同时又造成了大量热量的浪费。本文结合目前换流阀冷却系统，提出了一种可以实现换流阀热损耗的利用方式，并对这种利用方式进行分析，在保证阀冷系统安全性和可靠性的基础上，实现了换流阀损耗的热量回收利用。
关键词：特高压直流输电；阀冷系统；热损耗
引言
特高压直流输电最核心的技术集中于换流站设备，换流站实现了直流输电工程中直流和交流相互能量转换，换流阀是实现能量转换的核心设备[1-2]。换流阀内的可控硅元件在运行过程中产生很高的热量损耗，随着我国（特）高压直流输电工程技术的迅速发展，直流输电工程输送功率不断提高，电压等级为±800kV的直流输电工程全站换流阀损耗高达20MW左右，目前正在施工建设的昌吉——古泉±1100kV特高压直流输电工程全站的换流阀损耗甚至达到25MW。
现有直流输电工程换流阀热量损耗主要通过换流阀冷却系统带走，从换流阀带出的热量交换给室外换热设备[3]，直接或者间接的排放至空气中，在要求室外换热具有高冷却能力的同时又造成了大量热量的浪费。
本文结合目前换流阀冷却系统，提出了一种可以实现换流阀热损耗的利用方式，并对这种利用方式进行分析，在保证阀冷系统安全性和可靠性的基础上，实现了换流阀损耗的热量回收利用。
1换流阀冷却系统现状
目前特高压直流输电工程中的换流阀冷却系统工作原理为：冷却水在换流阀热交换器内带走热损耗，由循环水泵驱动进入室外换热设备，通过换热设备进行冷却降温后的冷却水由循环水泵再送至室内，如此周而复始地循环。系统主要由主循环水泵、室外换热设备、去离子装置、脱气罐、膨胀水箱、过滤器、配电及控制等设备组成[4]。
在工程应用中，根据不同地区环境条件和水资源的差异，室外换热设备有三种配置：闭式冷却塔（水资源丰沛地区）、空冷器（极端最高环境温度较低地区）、冷却塔+空冷器（干旱缺水且极端最高环境温度较高地区）。
图1 阀冷系统流程简图
上述不同换热设备的配置依据每个工程自身的环境条件和特点进行配置，但阀冷系统带走的换流阀热损耗均通过室外换热设备直接或间接排放至空气中，造成了大量的热量浪费，为实现该部分热量的合理回收利用，下文提出了一种可行性的利用方式。
2换流阀热损耗用于站内生活采暖和热水供给
换流站控制室、生活区等多个区域均有采暖和热水的需求，常规生活采暖和热水热源采用锅炉或热泵机组，一次性设备投资成本较高且存在环境污染的风险。常规生活采暖和热水系统的工艺流程可概括为图2所示：
由上图可知，常规生活采暖和生活热水系统主要由①热源；②采暖循环泵；③热水循环泵；④热水水箱等设备组成。
常规的阀冷系统和采暖、生活热水系统独立使用的设计存在以下缺陷：
①常规的生活采暖、热水系统结构复杂，需借助锅炉（或热泵机组）将循环介质加热，一次性设备投资成本较高且存在运行不稳定的问题。
②阀冷系统室外换热设备需具备较大的换热能力将内冷水冷却，冷却后的热量直接或间接的排给大气，在要求室外换热具有高冷却能力的同时又造成了热量的浪费。
图2 常规生活采暖和生活热水系统基本工艺组成
2.1 热损耗利用流程及运行方式分析
利用阀冷系统中的内冷水作为热源，通过换热器加热生活采暖和热水循环水，循环水被加热后直接用于生活采暖和热水系统，舍去了锅炉（或热泵机组）设备，即降低了阀冷系统室外换热设备的冷却负荷、简化了生活采暖和热水系统组成，又将换流阀余热合理利用，解决了现有的问题。其工艺流程图如图3所示。
图3 换流阀热损耗用于站内生活采暖和热水供给工艺流程图
该系统主要由虚框1内的阀冷系统、虚框2的生活采暖系统、虚框3的生活热水系统组成。虚框内1的阀冷设备主要由 ①、阀冷系统室外换热设备（配备变频风机）；②、内冷主循环泵等组成。此部分的主要作用为换流阀提供冷却，并将经换流阀加热后的内冷水输送到生活采暖、热水系统用换热器，经换热后被冷却的内冷水再流过换流阀冷却系统室外换热设备。
虚框2中的生活采暖系统由③、采暖换热器；④、采暖循环泵等设备组成。此部分的主要作用为提供生活采暖。
虚框3中的生活热水系统由⑤、热水换热器；⑥、热水循环泵；⑦、热水水箱等设备组成。此部分的主要作用为提供生活热水。
以上设备的工作原理可概括为以下三个完全独立的循环回路：
循环回路一：阀冷系统循环水在主循环泵的驱动下，经换流阀带走其损耗升温后进入生活采暖、热水系统用换热器进行冷却，再流经阀冷系统室外换热设备进行冷却后，最终进入换流阀……，如此不断往复循环。
循环回路二：在采暖循环泵的驱动下，采暖系统循环水在采暖末端散热冷却，经采暖换热器内经换流阀的热损耗加热后，重新进入采暖末端进行散热……，如此不断往复循环。在冬季需要供暖期间，采暖循环泵启动，在春、夏、秋季，采暖循环泵停用。
循环回路三：当生活热水水箱温度降低到设定值以下时（向环境散热或补充新鲜水所致），启动采暖循环泵，生活水经热水换热器内通过换流阀的热损耗进行加热后，重新注入热水水箱，维持热水温度恒定。
2.2热损耗利用优点分析
此种利用方式具有以下优点：①、阀冷系统和生活采暖、热水系统一体化运行，将换流阀损耗合理利用，节约能源；②、舍去了生活采暖、热水系统的热源（锅炉或热泵机组），避免了锅炉（燃烧废气）或热泵机组（氟利昂泄漏）的大气环境污染，利于环境保护；③、解决了两者独立运行时阀外冷设备负荷大、生活采暖和热水运行不稳定的问题，提高了阀冷系统和生活采暖、热水系统的可靠性；④、降低了设备一次投资与正常运行维护费用。
3 结语
通过对特高压直流输电工程换流阀热损耗的一种利用方式进行分析，可以得出以下结论：①、与常规特高压直流输电工程中直接将换流阀损耗排向环境的阀冷系统相比，本文提出的利用方式将换流阀热损耗合理利用，降低了传统阀冷系统室外换热设备负荷，降低了阀冷系统一次性投资成本，同时提高了系统安全性和可靠性；②、换流阀热损耗用于生活采暖和热水供给，即简化了该部分的设备配置，降低了一次性设备投资，又具备环保的优点；③、将阀冷系统和站内生活采暖、热水系统相结合，形成热量合理利用的工作系统，将换流阀余热合理利用，在减少了对环境的热污染，实现低品位能利用的同时，又起到了节能作用。
参考文献:
[1]舒印彪. 中国直流输电的现状及展望[J]. 高电压技术，2004,30(11): 1-2.
[2] 杨一鸣，张蕾. ±800kV特高压直流输电工程换流站主设备规范[J]. 高电压技术2012,(12).
[3]许根富，尚新立等. 高压晶闸管换流阀外水冷系统分析[J].中国电力，2009，42(12):42-43.
[4]倪汝冰，李锋锋。阀冷却系统分析及改进措施[J]，电力建设，2007,28（12）：21-24.
论文作者:张民幸
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/9/12
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