智能电网 | 换流阀冷却补水系统设计与工程应用

换流阀是直流输电工程换流站的核心设备，正常运行时产生大量的热量，需配置冷却系统对换流阀进行冷却。换流阀冷却系统包括阀内冷系统和阀外冷系统两部分，其中阀外冷系统包括风冷及水冷两种方式，一般“风冷”外冷方式为空气冷却器，“水冷”外冷方式为闭式冷却塔。我国南方环境温度高，但水源条件相对较好，阀外冷一般采用闭式冷却塔，主要通过喷淋在换热盘管表面的外冷水的蒸发将热量带走，冷却盘管内的冷却水温度。由于闭式冷却塔内的换热盘管表面温度较高，喷淋水会不断蒸发，水池内的水的杂质浓度必然升高，为了维持较好的喷淋水水质标准，防止喷淋水在盘管外表面产生结垢现象，必须对水池内的水进行补充的同时必须排掉一部分喷淋水。因此，控制好喷淋水及其补充水水质是换流阀长期可靠稳定运行的关键。

喷淋补给水进入水池之前先进行处理，包括砂滤、活性炭过滤、反渗透处理，此外喷淋水系统还将进行加药及旁通过滤处理。喷淋水补充水处理系统主要设备包括：砂滤器、碳滤器、反渗透处理装置、反冲洗装置、反渗透清洗装置、管道、配电及控制设备。其主要流程为：喷淋水补充水→石英砂过滤器→活性炭过滤器→反渗透装置→喷淋水池。图 1为换流阀冷却塔补充水处理系统工艺流程图。

图1  补水系统工艺流程图

经过喷淋水反渗透装置和加药装置，处理后的喷淋水水质标准满足以下要求，如表 1所示。

表1  补充水水质要求表

3.1 原水预处理系统

城市管网供水中含有多种杂质，如悬浮物、胶体、有机物和无机盐等，为保证本系统的正常运转，则必须先去除水中的悬浮物、胶体、有机物等，使反渗透膜的进水达到要求，故本系统设置原水预处理系统，原水预处理系统包括石英砂过滤器、活性炭过滤器。

3.1.1 石英砂过滤器

石英砂过滤器选用不同粒径的石英砂滤料，自上而下粒径逐级分配，利用深层过滤原理，当补充水通过石英砂滤层，水中的悬浮物、机械颗粒、胶体等杂质在流经滤料层中弯弯曲曲的孔道时，由于滤料表面的接触作用，悬浮物和滤料表面互相粘附，从而去除水中的悬浮物、胶体、机械颗粒，保证出水SDI（污染指数）小于等于5。过滤器为立式结构，通过压差或时间进行反冲洗，石英砂过滤器的反洗、正洗过程，可将石英砂滤层的杂质冲洗出来，同时使滤层松动，提高流量及吸附效果。

3.1.2 活性炭过滤器

活性炭过滤器内装粒状果壳净水型活性炭，经过石英砂过滤器过滤后的水进入活性炭过滤器，主要去除水中的大分子有机物、胶体、异味、余氯等杂质，同时活性炭滤层通过机械过滤作用可进一步去除水体中的的悬浮物、机械颗粒等杂质，使出水达到反渗透系统要求的进水指标SDI≤5，余氯<0.1mg/L，从而防止下游反渗透膜被氧化和污染损伤。

3.2 反渗透系统

反渗透系统包括保安过滤器、阻垢剂添加装置、杀菌剂添加装置、高压泵、反渗透装置、反渗透化学清洗装置。

3.2.1 保安过滤器

保安过滤器作用是截留大于5µm的颗粒,以防止其进入反渗透系统；过滤器设压差表提示滤芯污垢程度，清洗或更换，当过滤器进出口压差大于0.07-0.1MPa时，提醒操作人员应当清洗或更换滤芯。

3.2.2 高压泵

高压泵的作用是为反渗透本体装置提供足够的进水压力,保证反渗透膜的正常运行。根据反渗透本身的特性，需有一定的推动力去克服渗透压等阻力，才能保证达到设计的产水量。

3.2.3 反渗透装置

反渗透技术是近二十几年来新兴的高新技术，它利用反渗透原理，采用具有高度选择透过性的反渗透膜，能使水中的无机盐去除率达到99%以上，同时，也能脱除水中的各种有机物、微粒，大大提高产品清洗合格率，且无污染，因而在纯水制备方面得以广泛采用。

反渗透技术是利用压力差为动力的膜分离过滤技术，其孔径小至纳米级（1纳米=10-9米），在一定的压力下，H2O分子可以通过反渗透膜，而源水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法透过反渗透膜，从而使可以透过的纯水和无法透过的浓水严格区分开来。

3.2.4 化学清洗装置

由于原水中高价离子的含量比较高，因此当停机时，反渗透膜浓水侧的污染物会沉淀在反渗透膜表面，并且由于反渗透膜浓水侧的含盐量很高，反渗透膜会失去与之平衡的反渗透压，反渗透膜透过水侧的淡水会吸干而造成对膜的严重损害。因此，在高压泵停止运行的同时应开启冲洗装置，由进水置换反渗透膜内的药品及污物，从而保护反渗透膜。

化学清洗装置用于反渗透膜的定期化学清洗，以延长反渗透膜的使用寿命。它由清洗水箱、清洗水泵和5μm清洗过滤器组成，以达到最佳清洗效果。5μm过滤器可截留清洗液的杂质，防止对膜产生新的污染，其中清洗水箱设有电加热器。

3.3 自循环过滤系统

自循环过滤系统由循环水泵、快速砂滤器、管道、阀门及其它附件组成。当系统处于过滤状态时，加压水从滤罐进口流入布水系统，均匀的到达滤料层。当水流过滤料层时，悬浮物被滤料截留。过滤器底部有带精密缝隙的集水器，过滤后的干净水被均匀收集，并流出过滤器。

随着杂质在滤料层中不断聚积，压力损失不断增加，当到达设定的清洗时间，系统将自动转换至反洗状态。反洗水通过集水装置进入滤料层，对其进行冲刷，使截留的污染物脱落并排出过滤系统。反洗3分钟后，阀门自动将系统转至过滤状态。

3.4 加药装置

为了防止水中各种杂质对辅助喷淋装置的腐蚀，保证系统长期稳定的运行，还应定时定量向喷淋水池中投加缓蚀阻垢剂和杀菌灭藻剂。缓蚀阻垢剂投加后的浓度宜为50ppm，每天投加一次；杀菌灭藻剂投加后的浓度宜为100ppm，每月投加3次。

以乌东德直流输电工程龙门换流站某一极的外冷系统为例，总共采用三台闭式冷却塔，两用一备。总散热功率为11800kW，主循环管路流量为233 m³/h。

4.1 系统补水量的计算

喷淋水量在闭式冷却塔的运转当中，会因下列因素逐渐损失：

1) 喷淋水与换热盘管在热交换过程中，部份喷淋水会变成水蒸气蒸发出去；

2) 由于冷却塔运行过程中风机的抽送，在高风速状况下部份喷淋水会被抽送出去；

3) 由于喷淋水的不断循环蒸发，水中原有的离子浓度也会越来越高，防止喷淋水在盘管外表面产生结垢现象，必须对水池内的水进行补充的同时必须排掉一部分喷淋水。

与此同时，由于砂滤、碳滤、反渗透装置运行一段时间后需要进行正反洗，正反洗时的水需要排走，此部分也计算为系统的耗水量。

（1）蒸发损失水量Q₁

外冷水系统蒸发水量根据以下公式计算：

Q₁= P/§

其中：Q₁-蒸发损失水量（L/s），P-总散热功率（kW），§-水的汽化潜热（2260kJ/kg）。

则蒸发损失量为：11800/2260=5.2L/s，即18.8m³/h。

（2）排污损失量Q₂

Q₂=Q₁/（N-1）

其中：Q₂-排污损失量（L/s），Q₁-蒸发损失量（L/s），N-浓缩倍数（根据现场工程取浓缩倍率为8）。

则排污损失量为：18.8/(8-1)=2.6m³/h。

（3）风吹损失水量Q₃

闭式冷却塔风吹损失水量根据以下公式计算：

Q₃=0.001%Q_w

其中：Q_w —循环水量（L/s），0.001%—风吹损失率。

三组塔总循环水量：Q_w＝3*234m³/h=702m³/h。

则风吹损失水量：Q₃=0.001%*702＝0.00702 m³/h。

（4）水处理设备正反洗耗水量Q₄

正反洗耗水量每天按24 m³考虑，则每小时耗水量为:Q₄=1m³/h。

（5）工业补充水量Q₅

补充水采用反渗透膜处理工艺，根据目前的工艺设计，回收率按70%考虑。

所以喷淋水池所需纯水量：

Q=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄=18.8+2.6+0.00702+1=22.5m³/h

则工业补充水量Q₅=22.5/0.7=32m³/h

因此龙门站标准水处理系统，水处理设置产水量按22.5m³/h进行设计，反渗透回收率设计为70%，补充水量为32m³/h。

4.2 管径的计算

管道根据以下公式计算：

d_j=18.81•（Q/v）1/2

其中：d_j-管道计算内径(mm)，Q-系统流量(m³/h)，v-介质流速(m/s)。

补水系统中相关管径的计算结果如表2所示。

表2  相关管径的计算选型表

4.3 过滤器的选型计算

过滤器的最小直径根据以下公式计算：

其中：d-过滤器的最小直径，Q_m-过滤器额定处理流量，v-过滤器的滤速。

过滤器装填滤料高度一般为H，反洗时的膨胀率为50%，所以过滤器的直段高度为：

H0=H·（1+50%）

补水系统中相关过滤器的计算结果如表 3所示。

表3  过滤器的计算选型表

4.4 泵的选型

泵的选型需要考虑的参数有：流量、扬程、电机功率以及效率等，其中扬程需要根据系统的沿程阻力损失进行核算。选型时要看泵的性能曲线，了解泵性能曲线中各参数之间的关系。

补水系统中相关泵的选型结果如表 4所示。

表 4 泵的选型表

4.5 药剂的相关计算

药剂投放量根据以下公式计算：

缓蚀阻垢剂：

其中：G1-药剂投加量，Q-补水量，Δg-药剂浓度，η-浓缩倍率。

杀菌灭藻剂：

其中：G2-药剂投加量，V-喷淋水池容积，Δg-药剂浓度

单次投加量：

其中：G"-单次药剂投加量，G-药剂投加量，ρ-药剂比重

投加时间为：

其中：T₀-加药时间，V-喷淋水池容积，Δg-药剂浓度，F-加药泵最大力

系统补充水约为22.5m³/h，缓蚀阻垢剂投加后的浓度宜为50ppm，同时保证水池药剂浓度为50ppm，浓缩倍率为4，则每月投加缓蚀阻垢剂的量为：，每月投加杀菌灭藻剂的量为：

本文首先提出直流输电换流阀冷却补水系统的设计方案，包括工艺流程、补水系统的典型配置。然后以乌东德多端柔直工程龙门换流站外冷补水系统为研究对象，并结合工程参数对设备进行了选型计算，同时需确保补充水处理系统应能长期稳定运行，管路系统的设计保证其沿程水阻为最小。本文提出的阀冷补水系统典型配置方案和选型方法，可为未来柔性直流输电工程参数设计和运维调试提供参考。

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