CN106604614A - 一种新型电力电子设备用冷却系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型电力电子设备用冷却系统及其冷却方法，该系统包括：内冷循环系统和外冷循环系统；所述内冷循环系统设有内换热器，所述外冷循环系统设有外换热器，所述内换热器内冷却介质的出口与所述外换热器内冷介质入口间设有内循环内冷却介质排放管，所述外换热器的所述出口与所述内换热器的所述入口间设有内循环内冷却介质输入管。本发明提供的技术方案不仅提高了试验过程中流经电力电子设备介质的可靠性，而且实现了夏季过热天气条件下试验设备正常散热和其他季节省水少维护的目的。

Description

一种新型电力电子设备用冷却系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种冷却系统，具体讲涉及一种新型电力电子设备用冷却系统及其操作方法。

背景技术

作为电力行业的关键设备的大功率电力电子设备是实现电流转换的核心功能单元，其冷却系统设有电力电子设备内部冷却元件(液冷板)、冷却管路、循环泵、换热设备(空气冷却器或闭式冷却塔)等。冷却介质经过电力电子设备冷却系统的压力提升，通过冷却管路进入冷却元件中，带走设备工作产生的热量，随后进入室外换热设备，通过室外换热设备将热量排放到空气中，冷却后的介质再通过冷却系统提升压力进入电力电子设备需冷却元件，形成密闭式循环，以确保电力电子设备需冷却元件温度处于正常范围。

目前国内从事高压电力电子设备研发试验的机构，具备±1100kV/5500A特高压直流换流阀、±800kV/6250A特高压直流换流阀、±500kV/2000MW柔性直流换流阀、全系列FACTS装置高压阀及直流电网核心装备的成套型式试验能力，每年承担着多项实验攻关及新产品型式试验工作。为达到不同类型换流阀开展型式试验所需的严苛技术要求，实验室配备了大电流源装置、合成试验装置、谐振阀等电力电子试验设备。

由于实验室试验任务较重，全年试验日程安排非常紧凑，因此对于试验用电力电子设备冷却系统的夏季散热和冬季防冻功能有严格要求。夏季一般空气冷却器(空冷器)或者水冷却(闭式冷却塔)来实现对试验设备的冷却，但由于北京市夏季极端气温较高，根据空冷器的理论，一般条件下，干式空冷器的内部冷却介质与外部环境温差一般应大于5℃。当夏天环境温度达到极限温度41℃，电力电子设备进水温度为40℃，无法满足“温差一般应大于5℃”的要求，更不能满足40℃进水的要求。

因此，单纯采用空气冷却器无法满足试验设备的冷却需求，而单纯采用闭式冷却塔则耗水量过大同时存在冬季结冰的风险。冬季由于北方气温较低，一般采取两种方法来保证冷却系统正常运行。第一种方法，在冷却系统中添加一定比例的乙二醇防冻液，试验过程中需要拆装待测试验模块连接管路，容易造成冷却介质遗漏，污染环境。第二种方法，冷却系统中不添加乙二醇，冷却系统工作效率高，需要一直不停机工作，否则冷却系统空冷器/闭式冷却塔(外冷部分)就会冻裂，造成泄露。

为此，需要提供一种新型电力电子设备用冷却系统，用于解决夏季过热天气条件下试验设备正常散热和冬季极低的环境温度下外冷部分设备不被冻坏的目的。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种新型电力电子设备用冷却系统及其操作方法。

本发明提供的技术方案是：一种新型电力电子设备用冷却系统，所述系统包括：内冷循环系统和外冷循环系统；

所述内冷循环系统设有内换热器，所述外冷循环系统设有外换热器，所述内换热器内冷却介质的出口与所述外换热器内冷介质入口间设有内循环内冷却介质排放管，所述外换热器的所述出口与所述内换热器的所述入口间设有内循环内冷却介质输入管。

优选的，所述内循环冷却介质排放管路上设有循环泵，所述内循环内冷却介质输入管与所述内循环内冷却介质排放管间设有辅助管路，所述辅助管路的一端位于所述循环泵与所述内换热器的所述出口间的管路上。

优选的，所述辅助管路设有依次连接的离子交换器和膨胀罐，所述离子交换器设有补水泵，所述膨胀罐设有氮气瓶。

优选的，所述外冷循环系统的外换热器外冷却介质的出口和该外换热器外冷却介质的入口间设有外循环外冷却介质管。

优选的，所述外循环外冷却介质管上设有空气冷却器和闭式冷却塔，所述空气冷却器的外冷却介质的入口与外换热器的所述出口间用管道相连，所述空气冷却器的外冷却介质的出口与所述闭式冷却塔的外冷却介质的入口间用管道相连，所述闭式冷却塔的外冷却介质的出口与外换热器的所述入口间用管道相连。

一种新型电力电子设备用冷却系统的操作方法，所述系统包括：内冷循环系统和外冷循环系统，其操作方法包括：

分别打开内外循环冷却介质排放管路上的阀门；

启动所述内循环冷却介质排放管路上设置的循环泵和外循环冷却介质循环管路上的循环泵，使内外冷却介质分别在内外循环管路上循环；

根据所监测的内外循环管路的温度差实时调整内外循环管路的冷却介质的流速；

根据所监测的水的硬度实时调整离子交换器的出水量；

根据所述外循环管路上监测的水位实时启动补水装置补水；

根据分别检测的离子交换器入口和出口含盐量和电阻实时更换离子交换器的树脂。

与最接近的现有技术相比，本发明具有以下优异效果：

1、本发明提供的技术方案中的内冷循环系统的循环泵能够为相关电力电子实验设备提供适宜的冷却介质，冷却介质的纯净度、温度、压力、流量、电导率等参数符合试验要求，保证实验室对电力电子设备各项试验的正常进行；

2、本发明提供的技术方案中的冷却系统空气冷却器/闭式冷却塔，采用一定比例乙二醇与去离子水的混合液循环散热，保证在极低的环境温度下外冷部分设备不被冻裂；

3、本发明提供的技术方案解决了实验室长期试验工况条件下对冷却介质的要求，内冷部分使用纯净的去离子水，便于试验过程中管路装拆，不污染环境，散热效率高；

4、本发明提供的技术方案的外冷设备采用空气冷却器+闭式冷却塔串联，实现了夏季过热天气条件下试验设备正常散热和其他季节省水少维护的目的。

5、本发明提供的技术方案的外换热器对冷却系统内冷部分和外冷部分冷却介质进行了隔离，提高了试验过程中流经电力电子设备介质的可靠性。

附图说明

图1为本发明的新型电力电子设备用冷却系统工作原理图；

1-外冷循环系统，2-内冷循环系统，3-外换流器，4-内换流器，5-离子交换器，6-膨胀罐，7-补水泵，8-氮气瓶，9-空气冷却器，10-闭式冷却塔。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

本发明提供一种新型电力电子设备用冷却系统，所述系统包括：内冷循环系统和外冷循环系统。

内冷循环系统设有内换热器，外冷循环系统设有外换热器，内换热器内冷却介质的出口与外换热器内冷介质入口间设有内循环内冷却介质排放管，外换热器的出口与内换热器的入口间设有内循环内冷却介质输入管。

内循环冷却介质排放管路上设有循环泵，内循环内冷却介质输入管与内循环内冷却介质排放管间设有辅助管路，辅助管路的一端位于所述循环泵与内换热器的出口间的管路上；

辅助管路设有依次连接的离子交换器和膨胀罐，所述离子交换器设有补水泵，所述膨胀罐设有氮气瓶。

所述外冷循环系统的外换热器外冷却介质的出口和该外换热器外冷却介质的入口间设有外循环外冷却介质管。

所述外循环外冷却介质管上设有空气冷却器和闭式冷却塔，所述空气冷却器的外冷却介质的入口与外换热器的所述出口间用管道相连，所述空气冷却器的外冷却介质的出口与所述闭式冷却塔的外冷却介质的入口间用管道相连，所述闭式冷却塔的外冷却介质的出口与外换热器的所述入口间用管道相连。

一种新型电力电子设备用冷却系统的操作方法，所述系统包括：内冷循环系统和外冷循环系统，其操作方法包括：

分别打开内外循环冷却介质排放管路上的阀门；

启动内循环冷却介质排放管路上设置的循环泵和外循环冷却介质循环管路上的循环泵，使内外冷却介质分别在内外循环管路上循环；

根据所监测的内外循环管路的温度差实时调整内外循环管路的冷却介质的流速；

根据所监测的水的硬度实时调整离子交换器的出水量；

根据外循环管路上监测的水位实时启动补水装置补水；

根据分别检测的离子交换器入口和出口含盐量和电阻实时更换离子交换器的树脂。

内换热器内部的冷却元件为液冷板，液冷板吸收电力电子设备工作产生的热量并通过其流经其内部的去离子水将热量传递出去；内冷循环系统的内循环回路，保证去离子水在循环泵、液冷板和冷却管路串联的内冷部分的循环流动；去离子水处理回路，并联于内循环回路，运用离子交换树脂对去离子水进行纯化再利用；补水系统，通过管路接口连接到主循环回路上，在内冷却部分水量不足时为其补充去离子水；氮气稳压系统，通过管路接口连接到主循环回路上，通过氮气瓶调整内循环回路压力保证内冷部分系统压力恒定；内部控制系统，控制内冷部分各部件及仪器仪表的动作。

外换热器可为板式换热器，将内冷循环系统和外冷循环系统隔离开，且能高效完成两部分之间的热交换。

闭式冷却塔，用于最终外冷部分向户外散热，当夏季室外温度过高时，满足散热需求，为满足闭式冷却塔100％备用的技术要求，采用双台并联连接形式，同时还可实现不同散热需求时阶梯投运和相互备用。

闭式冷却塔包括冷却塔风机和喷淋系统；一般情况下仅空气冷却器投运而闭式冷却塔风机和喷淋系统均不启动即可满足冷却要求；当环境温度持续上升导致进阀温度接近规定值时，闭式冷却塔依次投运投运对防冻液进行持续冷却；

空气冷却器，用于非过热天气条件下冷却系统向户外散热，保证运行可靠；控制系统，控制外冷部分各部件及仪器仪表的动作。

外冷循环系统还包括：位于外循环冷却介质排放管路上设有的循环泵，用于时刻为回路补充冷却介质的补液回路和保持外冷循环系统压力恒定的氮气稳压系统。

外冷循环系统的循环泵，保证乙二醇和去离子水混合液在外冷部分循环流动；补液回路，为外冷却部分补充乙二醇和去离子水混合液；氮气稳压系统，保证外冷部分系统压力恒定。

采用内部设置有外换热器把冷却系统内冷循环系统和外冷循环系统隔离开，内冷循环系统和外冷循环系统各自成为一个密闭式循环系统，根据冷却系统的工况要求，采用不同的冷却介质进行循环冷却，内、外冷循环系统通过外换热器进行热量交换，其中，内冷部分的冷却介质为去离子水，外冷部分的冷却介质为防冻液。

通过材料特性和系统结构型式的设计彻底既保证了流经冷却元件的冷却介质符合要求，又从根源上避免了外冷部分结冰冻裂导致设备严重故障的问题。

板式换热器按质量百分比计的下述组份制得的：C：≤0.08，Si：≤1.0,Mn：≤2.0，Cr：18.0～20.0，Ni：8.0～10.5，S：≤0.03，P：≤0.035；

板式换热器的板片是按质量百分比计的下述组份制得的：C：≤0.03，Si：≤1.0,Mn：≤2.0，Cr：16.0～18.0，Ni：12.0～16.0，S：≤0.03，P：≤0.035，Mo：≤1.80～2.50。

设定阀值温度：阀值温度设定为阀值-2℃、阀值23℃和阀值35℃。

比较进阀温度与阀值温度，确定空气冷却器和闭式冷却塔投入运行情况。

当进阀温度<-2℃时，空气冷却器和闭式冷却塔关闭，自然风冷即可将内冷介质降低到所要求的温度值，同时使进空冷器介质温度不至太低；

当-2℃<进阀温度<23℃时，空气冷却器投入运行，闭式冷却塔关闭。其中，又分两种情况：

A、空气冷却器的冷却风扇投入运行的数量不超过50％，可通过自动控制系统调节运行风机数量、风机频率，使空气冷却器处于最佳运行工况；

B、空气冷却器的冷却风扇投入运行的数量超过50％，可通过手动控制系统调节运行风机数量、风机频率，使空气冷却器处于最佳运行工况。

当23℃<进阀温度<35℃范围内时，空冷器大部分时间内全部投入运行状态，在一定频率条件或满负荷条件下工作，从而达到换流阀的冷却要求。

当35℃<进阀温度时，空气冷却器和闭式冷却塔均投入运行。

由于空气冷却器与环境之间存在一定热阻，环境温度高于35℃时，空冷却器即使全部投入运行状态，满负荷工作，仍无法满足冷却要求，温度继续上升时甚至冷却介质被环境加热。此时就需要闭式塔辅助冷却系统与空冷却器串联，使得介质从空冷却器出来后经闭式塔进一步冷却。

为满足闭式冷却塔100％备用的技术要求，采用双台并联连接形式，同时还可实现不同散热需求时阶梯投运和相互备用，当环境温度持续上升导致进阀温度接近规定值时，闭式冷却塔依次投运对防冻液进行持续冷却。

新型电力电子设备用冷却系统主要结构组成为电力电子设备内部冷却元件、冷却管路、提供系统压力的循环泵、内外冷却介质隔离的外换热器以及将热量散发到空气中的室外换热设备等，外冷部分的冷却系统空气冷却器和闭式冷却塔串联连接，外冷部分的冷却介质采用乙二醇与去离子水的混合液循环散热。

内冷部分工作原理：一定流速的所述内冷循环系统的冷却介质经过循环泵提供的压力提升后通过内冷却介质排放管路带着设备产生的热量，进入内换热器。

外冷部分工作原理：由外换热器外冷却介质吸收内冷却介质的热量进入外冷循环系统，所述外冷循环系统将热量排放到空气中或由空气冷却器/闭式冷却塔吸收热量。

一种新型电力电子设备用冷却系统的操作方法，系统包括：内冷循环系统和外冷循环系统，其操作方法包括：

分别打开内外循环冷却介质排放管路上的阀门；

启动所述内循环冷却介质排放管路上设置的循环泵和外循环冷却介质循环管路上的循环泵，使内外冷却介质分别在内外循环管路上循环；

根据所监测的内外循环管路的温度差实时调整内外循环管路的冷却介质的流速；

根据所监测的水的硬度实时调整离子交换器的出水量；

根据所述外循环管路上监测的水位实时启动补水装置补水；

根据分别检测的离子交换器入口和出口含盐量和电阻实时更换离子交换器的树脂。

所有管道的材质均按质量百分比计的下述组份制得：

碳≤0.26％、锰≤1.35％、磷≤0.030％、硫≤0.030％；余量为铁。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种新型电力电子设备用冷却系统，其特征在于，所述系统包括：内冷循环系统和外冷循环系统；

所述内冷循环系统设有内换热器，所述外冷循环系统设有外换热器，所述内换热器外内冷却介质的出口与所述外换热器外内冷介质入口间设有内循环外内冷却介质排放管，所述外换热器的所述出口与所述内换热器的所述入口间设有内循环内外冷却介质输入管。

2.如权利要求1所述的一种新型电力电子设备用冷却系统，其特征在于，所述内循环冷却介质排放管路上设有循环泵，所述内循环内冷却介质输入管与所述内循环内冷却介质排放管间设有辅助管路，所述辅助管路的一端位于所述循环泵与所述内换热器的所述出口间的管路上。

3.如权利要求2所述的一种新型电力电子设备用冷却系统，其特征在于，所述辅助管路设有依次连接的离子交换器和膨胀罐，所述离子交换器设有补水泵，所述膨胀罐设有氮气瓶。

4.如权利要求1所述的一种新型电力电子设备用冷却系统，其特征在于，所述外冷循环系统的外换热器外冷却介质的出口和该外换热器外冷却介质的入口间设有外循环外冷却介质管。

5.如权利要求4所述的一种新型电力电子设备用冷却系统，其特征在于，所述外循环外冷却介质管上设有空气冷却器和闭式冷却塔，所述空气冷却器的外冷却介质的入口与外换热器的所述出口间用管道相连，所述空气冷却器的外冷却介质的出口与所述闭式冷却塔的外冷却介质的入口间用管道相连，所述闭式冷却塔的外冷却介质的出口与外换热器的所述入口间用管道相连。

6.一种新型电力电子设备用冷却系统的操作方法，其特征在于，所述系统包括：内冷循环系统和外冷循环系统,其特征在于，

分别打开内外循环冷却介质排放管路上的阀门；

启动所述内循环冷却介质排放管路上设置的循环泵和外循环冷却介质循环管路上的循环泵，使内外冷却介质分别在内外循环管路上循环；

根据所监测的内外循环管路的温度差实时调整内外循环管路的冷却介质的流速；

根据所监测的水的硬度实时调整离子交换器的出水量；

根据所述外循环管路上监测的水位实时启动补水装置补水；

根据分别检测的离子交换器入口和出口含盐量和电阻实时更换离子交换器的树脂。