CN107666234A - 一种适用于海上平台的柔性直流换流阀冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于海上平台的柔性直流换流阀冷却系统，属于换流阀冷却技术领域。本发明系统在环境温度偏低的时候利用海水为冷却水降温，保持蓄水支路中的冷却水处于较低温度，当主循环回路中冷却水温度无法满足换流阀进水温度要求时，联通主循环回路和蓄水支路，利用蓄水支路中较低温度的储蓄水进一步降低冷却水的温度，以满足换流阀进水温度要求，保证换流阀安全稳定运行，由此解决现有技术中无法合理利用海水为换流阀降温的问题。本发明系统采用淡水作为冷却介质，整个系统为全封闭回路，利用海水对冷却水进一步降温，提高了系统的冷却能力，且无需增加复杂的海水处理环节，本发明系统结构简单，成本低，冷却能力强。

Description

一种适用于海上平台的柔性直流换流阀冷却系统

技术领域

本发明属于换流阀冷却技术领域，更具体地，涉及一种适用于海上平台的柔性直流换流阀冷却系统。

背景技术

海上风电具有资源丰富、发电利用小时高、不占用土地和适宜大规模开发的特点。我国是一个海洋大国，拥有300多万平方公里的海域和18000千米长的海岸线。随着深海风电技术的发展，将有更多的海上风能资源可以利用。根据国家“十二五”能源发展规划和可再生能源专项规划，海上风电发展目标是2020年建成30GW。柔性直流输电以其占地小、结构紧凑、模块化结构、易于建设施工、环境影响小、控制灵活、不受输送距离制约等优势，在海上风电场接入方面优势明显。

柔性直流输电技术采用的换流元件是既可以控制导通又可以控制关断的双向可控电力电子器件，其典型代表是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。由于此类器件在换流阀运行过程中会产生巨大的热量，为保证换流阀正常运行，需要冷却系统对其进行散热。由于海上风电场工程的特殊环境，对于海上换流站，一方面可以利用海水辅助冷却系统，充分利用自然资源节约成本；另一方面对相关设备的防腐蚀性提出了特殊要求。而现有技术中要么未利用海水资源这一特殊优势，要么使用海水直接作为冷却介质，但其相关海水处理流程繁琐导致系统占地面积大且成本高。这些缺陷使现有的换流阀冷却系统无法适用于海上风电场工程。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于海上平台的柔性直流换流阀冷却系统，其目的在于在环境温度偏低的时候利用海水为冷却水降温，保持蓄水支路中的冷却水处于较低温度，当主循环回路中冷却水温度无法满足换流阀进水温度要求时，联通主循环回路和蓄水支路，利用蓄水支路中较低温度的储蓄水进一步降低冷却水的温度，以满足换流阀进水温度要求，保证换流阀安全稳定运行，由此解决现有海上平台技术中没有利用海水做为冷却介质，或利用海水做为冷却介质但是海水处理设备过于复杂的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于海上平台的柔性直流换流阀冷却系统，所述系统包括以下部分：

主循环回路，用于利用回路中循环的冷却水为换流阀降温，同时采用风冷设备对回路中循环的冷却水降温；

补水支路，用于为主循环回路补充冷却水；

水处理支路，用于净化主循环回路中冷却水；

蓄水支路，当环境温度低于设定的温度阈值时，用于和主循环回路断开联通，利用海水对支路中循环的冷却水降温，并将降温后的冷却水积蓄起来；当环境温度高于设定的温度阈值时，用于和主循环回路联通，利用积蓄的冷却水对主循环回路中的冷却水降温。

进一步地，所述蓄水支路包括：

蓄水箱，当环境温度低于设定的温度阈值时，用于储存降温后的冷却水；当环境温度高于设定的温度阈值时，用于对循环的冷却水进行降温；

蓄水泵，用于为冷却水在蓄水支路中循环提供动力；

海水栅型换热器，用于当环境温度低于设定的温度阈值时，利用海水对经过的冷却水进行降温；

三通阀，用于连接蓄水支路与主循环回路，当环境温度低于设定的温度阈值时，三通阀联通主循环回路上的两个端口，断开蓄水支路上的端口，主循环回路和蓄水支路之间断开；当环境温度高于设定的温度阈值时，三通阀联通主循环回路第二入口和蓄水支路上的入口，断开主循环回路的出水通路，主循环回路和蓄水支路之间联通；

蓄水阀，用于当环境温度低于设定的温度阈值时通过断开蓄水阀来断开主循环回路和蓄水支路之间的联通；用于当环境温度高于设定的温度阈值时通过打开蓄水阀联通主循环回路和蓄水支路；

蓄水温度计，用于检测蓄水箱中冷却水的水温；

换热阀，用于当环境温度低于设定的温度阈值时通过换热阀的打开使冷却水在蓄水箱和海水栅型换热器之间循环；当环境温度高于设定的温度阈值时通过换热阀的断开使冷却水流经蓄水箱进行降温。

其中三通阀的第一端口连接主循环回路的出口，三通阀的第二端口、主循环回路的第二入口、水处理支路的入口和蓄水支路的出口相连接，三通阀的第三端口、蓄水箱的入口和换热阀的一端相连接，蓄水温度计安装在蓄水箱内用以测量水温，蓄水箱的出口连接至蓄水泵的入口，换热阀的另一端连接至海水栅型换热器的出口，海水栅型换热器的入口、蓄水泵的出口以及蓄水阀的入口相连接，蓄水阀的出口连接蓄水支路的出口。

进一步地，在蓄水支路中：

当环境温度低于设定的温度阈值时，三通阀的第一端口和第二端口联通，三通阀的第三端口断开，蓄水阀断开，换热阀联通；冷却水经由蓄水泵驱动，在蓄水箱和海水栅型换热器之间循环，通过海水栅型换热器利用海水为冷却水降温；

当环境温度高于设定的温度阈值时，三通阀的第一端口和第三端口联通，三通阀的第二端口断开，蓄水阀联通，换热阀断开；冷却水由主循环回路出口进入蓄水箱，蓄水箱中的冷却水经由蓄水泵驱动流出至主循环回路第二入口。

进一步地，海水栅型换热器采用栅型结构，材质为钛管，连接海水栅型换热器的管道材质为316L不锈钢。

进一步地，主循环回路包括：

换流阀，用于产生热源；

膨胀水箱，用于监视冷却水的水位，缓冲冷却水的热膨胀压力；

循环泵，用于为冷却水的循环提供动力；

鼓风式冷却器，用于为循环的冷却水进行降温；

进水温度计，用于检测将进入换流阀的冷却水水温；

出水温度计，用于检测流出换流阀的冷却水水温；

水箱水位计，用于检测膨胀水箱内的水位，低于设定值时，补水支路启动为主循环回路补水。

其中膨胀水箱的入口连接水处理支路的出口和出水温度计的出口，膨胀水箱附带有水位计用以检测水箱内水位，膨胀水箱的出口连接至循环泵的入口，循环泵的出口连接至鼓风式冷却器的入口，鼓风式冷却器连接至主循环回路的出口，主循环回路的出口连接至三通阀第一端口，主循环回路的第二入口、蓄水支路的出口和水处理支路的入口相连接，蓄水支路的出口连接至进水温度计，进水温度计的出口连接至换流阀的入口，换流阀的出口连接至出水温度计的入口，出水温度计的出口连接至膨胀水箱的入口。

进一步地，所述鼓风式冷却器的翅片管采用DR双金属轧片管，管束的涂层使用环氧沥青涂料。

进一步地，所述补水支路包括：

补水箱，用于提供补充的冷却水；

补水泵，用于将补充的冷却水泵入水处理支路；

补水阀，用于当补水支路启动时，打开补水阀联通补水箱和补水泵。

其中补水箱的出口连接至补水阀的一端，补水阀的另一端连接至补水泵的入口，补水泵的出口连接至水处理支路入口；

当检测到水位计中水位低于设定的低水位时，打开补水阀补充冷却水，当检测到水位计中水位高于设定的低水位时，关闭补水阀停止补水。

进一步地，水处理支路包括：

离子交换器，用于对流入的冷却水进行净化，流出的冷却水流向电导率传感器；

电导率传感器，用于检测流入冷却水是否满足冷却系统要求，检测后的冷却水流入主循环回路。

所述水处理支路中离子交换器一端连接水处理支路的入口，另一端连接至电导率传感器，电导率传感器的另一端连接至水处理支路的出口。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：

(1)本发明系统采用淡水作为冷却介质，整个系统为全封闭回路，利用海水对冷却水进一步降温，提高了系统的冷却能力，且无需增加复杂的海水处理环节，本发明系统系统结构简单，成本低，冷却能力强；

(2)本发明系统在低温度环境时利用海水为冷却水降温，并将低温冷却水蓄积起来，待高温环境时利用蓄积的低温冷却水为换流阀降温，充分的利用了自然资源，提高了系统的冷却效率；

(3)本发明系统中的唯一和海水接触的部件，海水栅型换热器采用强度高、耐蚀性好和传热系数高的材质制作，且结构上采用大表面积结构来增加和海水的接触面积。这些特征提高海水换热效率的同时保证部件本身在海水的腐蚀环境中的耐用性。

附图说明

图1是本发明具体实施例的结构示意图；

图2是海水栅型换热器结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，适用于海上平台的柔性直流换流阀冷却系统包括通过管道连接形成主循环回路的换流阀1、膨胀水箱2-1及备用膨胀水箱2-2、循环泵3-1及备用循环泵3-2、鼓风式冷却器4，所述膨胀水箱2-1附带水位计14-1，所述膨胀水箱2-2附带水位计14-2，所述膨胀水箱、循环泵均设有备用。

所述系统还并有水处理支路，所述水处理支路主要由离子交换器5-1及备用离子交换器5-2、电导率传感器6-1及备用电导率传感器6-2构成，所述离子交换器、电导率传感器均设有备用。

所述系统还并有蓄水支路，所述蓄水支路与主循环回路通过三通阀15连接，所述三通阀两路连接在主循环回路中，一路与蓄水支路入口连接，所述蓄水支路包括管道连接的蓄水箱9、蓄水泵10-1及备用蓄水泵10-2、海水栅型换热器11和换热阀18，所述蓄水箱与蓄水泵串联，海水栅型换热器和换热阀串联，这两条串联支路再并联，两并联支路一端接三通阀即蓄水支路的上游，另一端接蓄水阀16，所述蓄水阀16连接在三通阀的主循环回路端与水处理支路入口之间，所述蓄水箱附带蓄水温度计17，所述蓄水泵设有备用。蓄水支路可以利用夜间温度较低的海水对部分冷却水进行降温并储存，当环境温度较高，鼓风式冷却器无法单独作用满足换流阀进水温度要求时，蓄水支路可以用这些温度较低的冷却水进一步降低循环冷却水。

所述系统还并有补水支路，所述补水支路主要由补水箱7、补水泵8-1及备用补水泵8-2构成，所述补水箱连接有补水阀19，所述补水泵设有备用。补水支路可实现对冷却系统的补水功能，当膨胀水箱的水位低于一定值，可打开补水阀并启动补水泵，补水至膨胀水箱规定的正常水位，再关闭补水阀、停止补水泵。

为了更好的实现本发明，鼓风式冷却器4的管束采用涂层防腐技术，使用环氧沥青涂料，翅片管采用DR双金属轧片管，其抗腐蚀性能好，寿命长，传热性能好，压降小，这些保证了鼓风式冷却器在海洋腐蚀环境下正常有效地工作。

为了更好的实现本发明，如图2所示，海水栅型换热器11材质为钛管，两头为较粗管道，中间分流成5条较细管道且在同一平面方便加工制作，具体尺寸大小跟实际需求有关，一方面钛的比强度高，耐蚀性好，使得传热导管壁厚设计需求变薄；另一方面钛金属表面有一层致密的钝化膜，表面光滑，洁度系数高，所以总的传热系数很高。再结合自身优秀的耐腐蚀性，保证了海水栅型换热器在海洋腐蚀环境下仍能很好的进行换热工作。连接海水栅型换热器的管道材质采用316L不锈钢，此钢材因其耐腐蚀性能强，优秀的加工硬化性，价格便宜，被广泛应用于海洋管道。

为了更好的实现本发明，所述主循环回路中换流阀1的进、出水口处分别设有进水温度计12-1及备用进水温度计12-2、出水温度计13-1及备用出水温度计13-2，实时监测主循环回路中的水温，按需改变蓄水回路工作状态，所述进、出水温度计都设有两个，以防温度计异常导致蓄水回路错误的工作状态。

本发明实施例工作流程为：

当环境温度低于设定的环境阈值时，比如环境温度低于30摄氏度，启动主循环回路单独进行冷却水的降温工作，利用鼓风式冷却器4来降低冷却水的温度；此时调节三通阀15、关闭蓄水阀16、将主循环回路与蓄水支路分离。

在蓄水支路中，打开换热阀18，启动蓄水泵10-1及10-2，驱动蓄水支路内的冷却水流至海水栅型换热器11，海水栅型换热器11利用海水带走冷却水热量，之后流经换热阀18流至蓄水箱9，蓄水箱9储存经海水降温后的冷却水，之后冷却水流至蓄水泵10-1及10-2，蓄水泵提供蓄水支路水循环的动力，保证蓄水箱9中冷却水温度和海水温度一致。

在主循环回路中，冷却水流经换流阀1带走换流阀1产生的热量，之后流至出水温度计13-1及13-2，温度计测量得到冷却水温度，之后流至膨胀水箱2-1及2-2，膨胀水箱用于缓冲冷却水的热膨胀压力，之后冷却水流至循环泵3-1及3-2，循环泵提供主循环回路的水循环动力，之后冷却水流至鼓风式冷却器4，鼓风式冷却器4通过强制风冷带走冷却水的热量，之后流经三通阀15，部分冷却水流入水处理支路中，部分冷却水流至进水温度计12-1及12-2，进水温度计用于检测此处冷却水温度。

在水处理支路中，部分冷却水流至离子交换器5-1及5-2、离子交换器净化冷却水，之后流经电导率传感器6-1及6-2，电导率传感器检测冷却水离子溶度看是否满足冷却系统要求，之后流回主循环回路。

当环境温度高于设定的环境阈值时，比如环境温度高于30摄氏度，鼓风式冷却器4无法单独作用满足换流阀进水温度要求时，即需要利用蓄水支路配合鼓风式冷却器4工作，此时调节三通阀15、打开蓄水阀16，将主循环回路与蓄水支路联通。

在主循环回路中，流过鼓风式冷却器4的冷却水不直接流至进水温度计12-1及12-2，而是流经三通阀15到蓄水支路中进一步降低冷却水温度，之后冷却水流回主循环回路。

在蓄水支路中，关闭换热阀18，从三通阀15流进的冷却水流至蓄水箱9，蓄水箱9吸收其热量，之后冷却水流至蓄水泵10-1及10-2，蓄水泵提供冷却水从蓄水支路流回主循环回路的动力，冷却水在流过蓄水阀16后流回主循环回路，利用蓄水箱9中较低水温进一步降低冷却水的温度，以满足换流阀进水温度要求。

当膨胀水箱2-1及2-2附带的水位计14-1和14-2测得水位低于设定值时，补水支路开始工作，打开补水阀19并启动补水泵8-1及8-2，将补水箱7中的冷却水补充至水处理支路，直到水位计14-1和14-2测得水位高于设定值时。

以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于海上平台的柔性直流换流阀冷却系统，其特征在于，所述柔性直流换流阀冷却系统包括：

主循环回路，用于利用回路中循环的冷却水为换流阀降温，同时采用风冷设备对回路中循环的冷却水降温；

补水支路，用于为主循环回路补充冷却水；

水处理支路，用于净化主循环回路中冷却水；

蓄水支路，当环境温度低于设定的温度阈值时，用于和主循环回路断开联通，利用海水对支路中循环的冷却水降温，并将降温后的冷却水积蓄起来；当环境温度高于设定的温度阈值时，用于和主循环回路联通，利用积蓄的冷却水对主循环回路中的冷却水降温。

2.根据权利要求1所述的一种换流阀冷却系统，其特征在于，所述蓄水支路包括：蓄水箱(9)、蓄水泵(10-1)、海水栅型换热器(11)、蓄水阀(16)、三通阀(15)、蓄水温度计(17)和换热阀(18)；

其中三通阀(15)的第一端口连接主循环回路的出口，三通阀(15)的第二端口、主循环回路的第二入口、水处理支路的入口和蓄水支路的出口相连接，三通阀(15)的第三端口、蓄水箱(9)的入口和换热阀(18)的一端相连接，蓄水温度计(17)安装在蓄水箱(9)内用以测量水温，蓄水箱(9)的出口连接至蓄水泵(10-1)的入口，换热阀(18)的另一端连接至海水栅型换热器(11)的出口，海水栅型换热器(11)的入口、蓄水泵(10-1)的出口以及蓄水阀(16)的入口相连接，蓄水阀(16)的出口连接蓄水支路的出口。

3.根据权利要求1或2所述的一种换流阀冷却系统，其特征在于：

当环境温度低于设定的温度阈值时，三通阀(15)的第一端口和第二端口联通，三通阀(15)的第三端口断开，蓄水阀(16)断开，换热阀(18)联通；冷却水经由蓄水泵(10-1)驱动，在蓄水箱(9)和海水栅型换热器(11)之间循环，通过海水栅型换热器(11)利用海水为冷却水降温；

当环境温度高于设定的温度阈值时，三通阀(15)的第一端口和第三端口联通，三通阀(15)的第二端口断开，蓄水阀(16)联通，换热阀(18)断开；冷却水由主循环回路出口进入蓄水箱(9)，蓄水箱(9)中的冷却水经由蓄水泵(10-1)驱动流出至主循环回路第二入口。

4.根据权利要求2所述的一种换流阀冷却系统，其特征在于，海水栅型换热器(11)采用栅型结构，材质为钛管，连接海水栅型换热器(11)的管道材质为316L不锈钢。

5.根据权利要求1或2所述的一种换流阀冷却系统，其特征在于，所述主循环回路包括：换流阀(1)、出水温度计(13-1)、膨胀水箱(2-1)、水位计(14-1)、循环泵(3-1)、鼓风式冷却器(4)和进水温度计(12-1)；

其中膨胀水箱(2-1)的入口连接水处理支路的出口和出水温度计(13-1)的出口，膨胀水箱(2-1)附带有水位计(14-1)用以检测水箱内水位，膨胀水箱(2-1)的出口连接至循环泵(3-1)的入口，循环泵(3-1)的出口连接至鼓风式冷却器(4)的入口，鼓风式冷却器(4)连接至主循环回路的出口，主循环回路的出口连接至三通阀(15)第一端口，主循环回路的第二入口、蓄水支路的出口和水处理支路的入口相连接，蓄水支路的出口连接至进水温度计(12-1)，进水温度计(12-1)的出口连接至换流阀(1)的入口，换流阀(1)的出口连接至出水温度计(13-1)的入口，出水温度计(13-1)的出口连接至膨胀水箱(2-1)的入口。

6.根据权利要求5所述的一种换流阀冷却系统，其特征在于，所述鼓风式冷却器(4)的翅片管采用DR双金属轧片管，管束的涂层使用环氧沥青涂料。

7.根据权利要求5所述的一种换流阀冷却系统，其特征在于，所述补水支路包括：补水箱(7)、补水阀(19)和补水泵(8-1)；

其中补水箱(7)的出口连接至补水阀(19)的一端，补水阀(19)的另一端连接至补水泵(8-1)的入口，补水泵(8-1)的出口连接至水处理支路入口；

当检测到水位计(14-1)中水位低于设定的低水位时，打开补水阀(19)补充冷却水，当检测到水位计(14-1)中水位高于设定的低水位时，关闭补水阀(19)停止补水。

8.根据权利要求1所述的一种换流阀冷却系统，其特征在于，所述水处理支路包括离子交换器(5-1)和电导率传感器(6-1)；

其中离子交换器(5-1)一端连接水处理支路的入口，另一端连接至电导率传感器(6-1)，电导率传感器(6-1)的另一端连接至水处理支路的出口。