CN109246979A - 换流阀预热装置及换流平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换流阀预热装置及换流平台，其中，换流阀预热装置包括热能产生装置，用于产生热能；热交换器，用于吸收所述热能产生装置产生的热能，以对所述热交换器内的流体进行加热；储热装置，用于存储所述热交换器传导的热能，并在换流阀需要预热时向所述换流阀传导热能。通过热交换器将热能产生装置所产生的热能间接存储在储热装置中，利用储热装置在换流阀需要预热时向换流阀传导热能，能够保证换流阀的正常运行。

Description

换流阀预热装置及换流平台

技术领域

本发明涉及换流阀技术领域，具体涉及一种换流阀预热装置及换流平台。

背景技术

预热装置一般分为电预热以及蒸汽预热两种类型，具有较为广泛的应用，例如可以用于海上换流平台上。由于海上风电对环境的负面影响较少，风速较为稳定，发电量大，空间广阔，允许风机机组更加大型化，因此，海上风电场成为风电发电的主要应用之一。海上风电场通常需要通过海底电缆将电力输送到陆地上，交流电缆容易受到充电电流的影响，当海上风电场离岸距离较远时，直流输电就成了唯一可供选择的输电方式。

目前各海上风机组所发出的电力通过中压交流的方式汇集于集中的海上换流站平台，经变压器升压后通过换流阀将交流转为直流，再通过海底电缆输送到岸上换流站。

对于高压直流输电而言，换流阀为换流平台的关键设备。由于环境温度较低，换流阀从停机到运行，一般需要经历一个预热过程。因此，换流平台需要向换流阀提供额外的热能，以保证换流阀的正常启动。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种换流阀预热装置及换流平台。

本发明提供了一种换流阀预热装置，包括：

热能产生装置，用于产生热能；

热交换器，用于吸收所述热能产生装置产生的热能，以对所述热交换器内的流体进行预热；

储热装置，用于存储所述热交换器传导的热能，并在换流阀需要预热时向所述换流阀传导热能。

可选地，所述储热装置是分层储热罐，所述分层储热罐包括：

第一入口，位于所述分层储热罐的顶部，与所述热交换器的热流体出口连通；

第一出口，位于所述分层储热罐的底部，与所述热交换器的冷流体入口连通；

第二入口，位于所述分层储热罐的底部，与所述换流阀的流体循环系统冷流体出口连通；

第二出口，位于所述分层储热罐的顶部，与所述换流阀的流体循环系统热流体入口连通。

可选地，所述热能产生装置包括：

燃料电池，所述燃料电池发生电化学反应后产生热蒸汽，所述热蒸汽从所述燃料电池的第二电极的出口传导至所述热交换器中；

储氢罐，与所述燃料电池的第一电极的入口连通，用于向所述燃料电池的第一电极提供氢气；

空气压缩机，与所述燃料电池的第二电极的入口连通，用于向所述燃料电池的第二电极提供空气。

可选地，还包括：

氢气循环管路，与所述第一电极的出口和所述第一电极的入口连通，用于将剩余的氢气提供给所述燃料电池的第一电极。

可选地，所述氢气循环管路包括：第一管路、第一液压泵以及三通阀；

所述第一液压泵用于将从所述第一电极的出口流出的氢气抽取至所述第一管路中；

所述三通阀分别连接所述第一管路、所述第一电极的入口以及所述储氢罐。

可选地，所述第二电极的出口与所述热交换器之间还连接有第二液压泵以及第二管路；

所述第二液压泵用于将从所述第二电极的出口流出的热蒸汽抽取至所述第二管路中，经过所述第二管路传导至所述储热装置中。

本发明还提供了一种换流平台，包括：

换流阀；

上述任一项所述的换流阀预热装置，用于在所述换流阀需要预热时对所述换流阀进行预热。

可选地，所述热能产生装置包括燃料电池，所述燃料电池的第一电极以及第二电极接入换流平台的电网，用于将所述燃料电池产生的电能提供给所述电网。

可选地，所述燃料电池的第一电极以及第二电极之间还连接有至少一个能源发电设备的电能输出端，所述能源发电设备用于向所述燃料电池提供电能。

可选地，所述能源发电设备为风能发电设备，或太阳能发电设备。

本发明提供技术方案，具有如下有益效果：

1.本发明提供的换流阀预热装置，通过热交换器将热能产生装置所产生的热能间接存储在储热装置中，利用储热装置在换流阀需要预热时向换流阀传导热能，能够保证换流阀的正常运行。

2.本发明提供的换流阀预热装置，其中，储热装置为分层储热罐，该分层储热装置利用开设在底部的第一出口与热交换器的冷流体入口连接，且开设在顶部的第一入口与热交换器的热流体出口连接，从而实现了分层储热罐内温度由顶至底依次降低，即分层储热罐的顶部温度高于底部温度；分层储热罐与换流阀的流体循环系统连接时，该流体循环系统内流体在经过分层储热罐时，流体温度逐渐升高，进而能够利用升温后的流体对换流阀进行预热。

3.本发明提供的换流阀预热装置，其中，热能产生装置为燃料电池，由于燃料电池的产物为水，对环境无污染且燃料电池在产生电化学反应的过程中产生足够大的热量，该热量用于后续对换流阀进行预热；即本发明提供的换流阀预热装置能够在不污染环境的情况下产生热量。

4.本发明提供的换流阀预热装置，通过设置氢气循环管路对氢气进行回收再利用，提高了氢气的利用率，节约能源。

5.本发明提供的换流平台，其中，燃料电池所产生的电能提供给供电平台的电网，且所产生的热能提供给换流阀进行预热，能够提高能源利用率。

6.本发明提供的换流平台，其中，能源发电设备向燃料电池提供电能，利用燃料电池反向运行能过产生氢气的特性，实现氢气的收集，以用于后续燃料电池的正向运行。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例中换流阀预热装置的结构示意图；

图2示出了本发明实施例中换流阀预热装置的结构示意图；

图3示出了本发明实施例中换流阀预热装置的结构示意图；

图4示出了本发明实施例中换流阀预热装置的结构示意图；

图5示出了本发明实施例中换流平台的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种换流阀预热装置，如图1所示，该换流阀预热装置包括：热能产生装置、热交换器以及储热装置。

其中，热能产生装置用于产生热能，例如，该热能产生装置可以是燃料电池，也可以是电生热的装置，也可以是其他装置，只需保证其能够产生热量即可。

热交换器，与热能产生装置连接，吸收热能产生装置所产生的热能，并利用吸收的热能对热交换器内的流体进行加热。

储热装置，与热交换器连接，用于与热交换器进行热交换，并存储热交换器传导的热能，该热能在换流阀需要预热时向换流阀传导热能。其中，换流阀是否需要预热取决于换流阀是否启动，在换流阀需要启动时，对应地该换流阀就需要预热。

本发明实施例提供的换流阀预热装置，通过热交换器将热能产生装置所产生的热能间接存储在储热装置中，利用储热装置在换流阀需要预热时向换流阀传导热能，能够保证换流阀的正常运行。

在本实施例的一些可选实施方式中，该储热装置在换流阀需要预热时，向换流阀提供热能，对换流阀进行预热；在换流阀不需要预热时，存储的热量可以提供给其他装置，例如，可以利用储热装置中存储的热量对水进行加热，以能够向用户提供热水，等等。

在本实施例的一些可选实施方式中，如图2所示，储热装置为分层储热罐，所述的分层储热罐即为该储热罐中的温度由上至下逐渐降低。具体地，在分层储热罐的底部开设有第一出口，顶部开设有第一入口，分层储热罐中流体经过第一出口与热交换器的冷流体入口连接，经过热交换器吸热后，从热交换器的热流体出口流出，经第一入口回流至分层储热罐中；不断循环，实现了分层储热罐中温度的分层。

例如，分层储热罐中的流体为水，底部的水从第一出口流入热交换器，在热交换器中吸收热量后，再从第一入口回流至分层储热罐的顶部，从而实现了分层储热罐中顶部温度大于底部温度。

进一步地，在分层储热罐的底部还开设有第二入口，对应地，在顶部开设有第二出口，换流阀流体循环系统中的流体从经过第二入口流入分层储热罐，吸收热量后从第二出口回流至换流阀流体循环系统中，以对流体循环系统中的流体进行加热，进而实现对换流阀的预热。

该分层储热装置利用开设在底部的第一出口与热交换器的冷流体入口连接，且开设在顶部的第一入口与热交换器的热流体出口连接，从而实现了分层储热罐内温度由顶至底依次降低，即分层储热罐的顶部温度高于底部温度；分层储热罐与换流阀的流体循环系统连接时，该流体循环系统内流体在经过分层储热罐时，流体温度逐渐升高，进而能够利用升温后的流体对换流阀进行预热。

在本实施例的一些可选实施方式中，如图3所示，热量产生装置为燃料电池、储氢罐以及空气压缩机。其中，储氢罐与空气压缩机分别向燃料电池提供氢气和氧气，用于燃料电池的工作。可选地，该燃料电池为高温燃料电池。

具体地，燃料电池为双向运行设置，当正向运行时，利用氢气和氧气产生电化学反应产生电能，在反应过程中产生的热蒸汽，即释放大量的热能；当反向运行时，通过电解水，产生氢气和氧气。

燃料电池包括第一电极、第二电极以及放置电解液的电解池，第一电极以及第二电极分别设置有出口和入口。具体地，储氢罐的出口与第一电极的入口连接，空气压缩机的出口与第二电极的入口连接，分别用于向燃料电池提供氢气和氧气。在燃料电池发生电化学反应的过程中，大量的热蒸汽从第二电极的出口流出，传导至热交换器中。

由于燃料电池的产物为水，对环境无污染且燃料电池在产生电化学反应的过程中产生足够大的热量，该热量用于后续对换流阀进行预热；即本发明提供的换流阀预热装置能够在不污染环境的情况下产生热量。

此外，剩余的氢气从第一电极的出口排出，通过与第一电极的出口和第一电极的入口连通的氢气循环管路，将剩余的氢气提供给燃料电池的第一电极，再次循环利用，提高了氢气的利用率，节约了能源。

具体地，如图4所示，利用第一液压泵与第一电极的出口连接，将剩余的氢气泵入第一管路中，其中，储氢罐、第一液压泵以及燃料电池第一电极的入口通过三通阀实现互联。

燃料电池第二电池的出口与热交换器可以直接连接，也可以如图4所示，通过第二液压泵以及第二管路连接，即，第二液压泵将第二电极出口处流出的热蒸汽通过第二管路泵入热交换器中。

本发明实施例还提供了一种换流平台，包括换流阀预热装置以及换热阀。其中，换流阀预热装置的具体结构细节，请参见图1至图4所示实施例的相关描述，在此不再赘述。

如图5所示，由于燃料电池在发生电化学反应的过程中，不仅产生大量的热能，还产生电能。因此，将燃料电池的电能输出端与换流平台的电网连接，可以将产生的电能用于换流平台的供电。例如，可以用在换流平台的照明、一些电气设备的工作等等。

此外，燃料电池所产生的热能还可以为换流平台提供热水，以及供暖等等。

更进一步地，在燃料电池的第一电极以及第二电极之间还连接有至少一个能源发电设备的电能输出端，用于向燃料电池提供电能。即，在燃料电池反向运行时，将开关接至2处，将能源发电设备接入高温燃料电池的第一电极以第二电极之间，用于向高温燃料电池提供的电能，实现电解水，产生氢气和氧气，并收集所产生的氢气，用于后续燃料电池正向运行所需的氢气。在燃料电池正向运行时，将开关接至1处，将高温燃料电池接入换流平台的电网，以向换流平台的电网提供电能。其中，开关的具体切换方式可以通过手动切换，也可以自动切换。

在本实施例的一些可选实施方式中，能源发电设备可以为风能发电设备，也可以为太阳能发电设备，或其他设备等等。

例如，当该换流平台为海上风电场柔性直流送出平台时，由于该平台自身为电能转换系统，因此，当海上风力过剩时，将风电场的电能引入燃料电池，以实现燃料电池的电转气。

作为本实施例的一个具体实施方式，燃料电池发生电化学反应，消耗氢气，产生电能和热能，电能用于供应平台电负荷，如照明等。余热主要成分为水蒸气，温度高达700摄氏度，这部分预热主要由分层储热罐进行收集，分层储热罐中的底层冷水流出，经过热交换器获取燃料电池出口蒸汽中的热能，冷水加热后返回储热罐顶层，经过此过程，储热罐顶层的热水会越来越多，底层冷水越来越少，储存的热能也越来越多，储热罐顶层温度可达90摄氏度左右，底层冷水温度为30-40摄氏度。当换流阀启动需要预热时，换流阀自身水循环系统开始工作，流通管道可与储热罐结合使用，换流阀冷水管道可先进入储热罐底层冷水区域，逐渐向上流经热水区域取热，最终冷水经过预热，水温达到50度左右，该温度的水可以将换流阀预热到最佳工作温度，预热完成后换流阀启动工作。

在本实施例的一些可选实施方式中，当该换流平台为海上风电场柔性直流送出平台时，燃料电池可放置于平台顶层，便于燃料的更换；此外，将燃料电池放置于专用集装箱内，以保证燃料电池能在海上恶劣环境下可靠运行。此外，在专用集装箱内需包括燃料电池、储氢罐、空气压缩机等支持燃料电池正常运行的必要设备。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种换流阀预热装置，其特征在于，包括：

热能产生装置，用于产生热能；

热交换器，用于吸收所述热能产生装置产生的热能，以对所述热交换器内的流体进行预热；

储热装置，用于存储所述热交换器传导的热能，并在换流阀需要预热时向所述换流阀传导热能。

2.根据权利要求1所述的换流阀预热装置，其特征在于，所述储热装置是分层储热罐，所述分层储热罐包括：

第一入口，位于所述分层储热罐的顶部，与所述热交换器的热流体出口连通；

第一出口，位于所述分层储热罐的底部，与所述热交换器的冷流体入口连通；

第二入口，位于所述分层储热罐的底部，与所述换流阀的流体循环系统冷流体出口连通；

第二出口，位于所述分层储热罐的顶部，与所述换流阀的流体循环系统热流体入口连通。

3.根据权利要求1或2所述的换流阀预热装置，其特征在于，所述热能产生装置包括：

燃料电池，所述燃料电池发生电化学反应后产生热蒸汽，所述热蒸汽从所述燃料电池的第二电极的出口传导至所述热交换器中；

储氢罐，与所述燃料电池的第一电极的入口连通，用于向所述燃料电池的第一电极提供氢气；

空气压缩机，与所述燃料电池的第二电极的入口连通，用于向所述燃料电池的第二电极提供空气。

4.根据权利要求3所述的换流阀预热装置，其特征在于，还包括：

氢气循环管路，与所述第一电极的出口和所述第一电极的入口连通，用于将剩余的氢气提供给所述燃料电池的第一电极。

5.根据权利要求4所述的换流阀预热装置，其特征在于，所述氢气循环管路包括：第一管路、第一液压泵以及三通阀；

所述第一液压泵用于将从所述第一电极的出口流出的氢气抽取至所述第一管路中；

所述三通阀分别连接所述第一管路、所述第一电极的入口以及所述储氢罐。

6.根据权利要求3所述的换流阀预热装置，其特征在于，所述第二电极的出口与所述热交换器之间还连接有第二液压泵以及第二管路；

所述第二液压泵用于将从所述第二电极的出口流出的热蒸汽抽取至所述第二管路中，经过所述第二管路传导至所述储热装置中。

7.一种换流平台，其特征在于，包括：

换流阀；

权利要求1-6中任一项所述的换流阀预热装置，用于在所述换流阀需要预热时对所述换流阀进行预热。

8.根据权利要求7所述的换流平台，其特征在于，所述热能产生装置包括燃料电池，所述燃料电池的第一电极以及第二电极接入换流平台的电网，用于将所述燃料电池产生的电能提供给所述电网。

9.根据权利要求8所述的换流平台，其特征在于，所述燃料电池的第一电极以及第二电极之间还连接有至少一个能源发电设备的电能输出端，所述能源发电设备用于向所述燃料电池提供电能。

10.根据权利要求9所述的换流平台，其特征在于，所述能源发电设备为风能发电设备，或太阳能发电设备。