CN113179613B - 一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统及方法，该系统包括内冷系统和外冷系统，中间换热器包括第一回路和第二回路，第一回路连接内冷系统，第二回路连接外冷系统，内冷系统与外冷系统在中间换热器中发生热交换，内冷系统通过第一回路将换流阀、内冷循环泵和中间换热器连接起来，内冷系统的传热媒质流过第一回路，储气罐提供冷空气给外冷系统作为传热媒质，冷空气经过管路流入所述中间换热器，被加热后在涡轮机处于工作状态时进入涡轮机，作为次要动力输入,或者在涡轮机停机时被排入大气环境。本发明利用压缩空气储能过程中产生的优质冷源，解决换流阀外冷却系统受环境和地理位置限制难题，使其更加安全、稳定、可靠、环保。

Description

一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统及方法

技术领域

本发明属于换流阀冷却与压缩空气储能技术结合的技术领域，尤其涉及一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统及方法。

背景技术

在直流输电工程中，换流阀是实现电流的交直流变换的核心部件，正常工作时，换流阀由于开关损耗会产生大量的热能，如果对换流阀未进行散热处理，换流阀的温度在一定条件下将会超过最大允许值，进而威胁整个输电系统的安全运行。因此，需要给换流阀配备冷却系统。

现有技术中，换流阀的冷却系统分为内冷系统和外冷系统。内冷系统通过管道将循环水泵、热交换器和阀厅管道连接起来，构成封闭系统，以防止杂质进入传热媒质，影响传热媒质的绝缘性能。内冷系统采用的传热媒质一般为去离子水，去离子水在循环水泵的作用下在内循环系统中流动。流动的去离子水携带着从换流阀吸收的热量流入换热器。换热器是内冷系统与外冷系统相互联接的部件。在换热器中，内冷系统的传热媒质与外冷系统的传热媒质实现热量交换。在换热器中完成热交换之后，内冷系统的传热媒质被冷却而温度降低。降温后的传热媒质在循环水泵的驱动下继续流入阀厅冷却管道，吸收换流阀产生的热量，从而将换流阀的温度控制在合理范围。内冷系统的传热媒质能够被降温归功于外冷系统。

目前，外冷系统采用的技术方法主要有冷却塔水冷、空冷器空冷、空冷器串联辅助水冷塔。冷却塔水冷的优势在于冷却效率高，缺点在于：1)冷却塔水冷方式受地域条件的限制，只能适用于水资源丰富的地区；2)对冷却塔排出的废水处理不当会污染当地水资源。空冷器空冷的优势在于节约水资源，缺点在于：1)对环境温度的要求较高，酷热的夏季和酷冷的冬季都会影响空冷器的正常工作和制冷效率；2)运行噪声大。空冷器串联辅助水冷塔冷却方式同时解决了耗水量大和对环境温度要求严苛的问题，但是其缺点也很明显：1)占地面积大；2)设备造价高；

3)后期维护工作量大；4)水冷方式仅在夏季环境高温时投入使用，设备利用率低。

如今，随着更多的新能源发电接入电网，电网中电源的功率随时间的波动程度越来越高，并且还存在新能源发电的功率峰值与负荷峰值在时间维度上重合度较低的问题。在此条件下，电网对电力储能提出新的要求。目前电网中最常用的大容量储能方式为抽水蓄能。抽水蓄能的优点是储能容量大、启动速度快。但是缺点也很明显：1)占用空间大；2)受地域条件的限制，不仅包括对水资源的需求，还包括对高低地势的需求。显然，我国西部地区无法满足这样严苛的条件。压缩空气储能作为一种占地空间小、不受地域限制的新型技术，完美的解决了储能设备对地域的要求。因此，随着西电东输的发展，使用压缩空气储能是必然的趋势。同时，远距离大容量输电的发展使换流站和压缩空气储能装置合建成为可能。

压缩空气储能装置在储能阶段，将空气压缩，降温液化，得到的液化空气被储存在储气罐中。发电阶段，储气罐中的液化空气先气化，再通过空气加热装置，然后进入涡轮机，推动发电机转动，完成能量释放过程。压缩空气储能装置在储能过程中会产生液化空气，该液化空气可作为优质冷源。如若需要从储气罐中取出一定量的液化空气或冷空气以作他用，最简单方便的方式是使用自增压技术。该技术的核心在于将具有高热导率的棒材一端与大气相连接，另一端插入储气罐中，液态空气通过所述棒材从环境中吸收热量，进而气化，从而使储气罐内的压力升高，打开储气罐上的阀门，冷空气或者液态空气即可从储气罐中流出，故而称作自增压技术。

综上，如何克服现有技术中换流阀冷却系统对地域、气候条件的限制，以及占地空间大和维护成本高的问题，将压缩空气储能技术能够提供优质冷源的优势与换流阀冷却技术结合，以规避换流阀外冷系统对于地域和气候条件的限制，同时能够实现将换流阀的废热回收用于压缩空气储能装置的放能过程，最终实现占用空间小、方便维护、环保的目标，已经成为亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统，其特征在于，所述外冷却系统包括内冷系统和外冷系统，其中，中间换热器3包括第一回路和第二回路，第一回路连接内冷系统，第二回路连接外冷系统，内冷系统与外冷系统在所述中间换热器3中发生热量交换。

优选的，所述内冷系统通过第一回路将换流阀1、内冷循环泵2和中间换热器3连接起来。

优选的，内冷系统中带有从换流阀1吸收的热量的传热媒质流过所述中间换热器3的第一回路，所述中间换热器3通过热交换的方式将内冷系统的传热媒质冷却，被冷却的内冷系统的传热媒质通过所述内冷循环泵2驱动，流回换流阀1再次吸收热量，为所述换流阀1降温。

优选的，所述外冷系统通过第二回路将所述储气罐4、中间换热器3、涡轮机、大气环境依次连接起来，构成开放式系统。

优选的，所述储气罐4用于提供冷空气给外冷系统作为传热媒质，即所述冷空气经过管路流入所述中间换热器3，被加热后在所述涡轮机处于正常工作状态时进入涡轮机，并作为涡轮机的次要动力输入,或者在所述涡轮机处于停机状态时被排入大气环境。

优选的，所述外冷系统中设置有两个或多个出口。

优选的，所述外冷系统的两个出口分别通过管路直接连接大气环境和涡轮机，其中，连接大气环境的出口为第一出口，且其附近管路上设置有流量调节阀Ⅰ7，连接涡轮机的出口为第二出口，且其附近管路上设置有流量调节阀Ⅱ6和空气泵5。

优选的，所述冷却系统设置有多组并联或独立的外冷系统，其中，多组并联的外冷系统通过同一个中间换热器3与内冷系统联接，多组独立的外冷系统分别通过单独的中间换热器3与内冷系统联接。

本发明的目的还在于提供一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却方法，包括以下步骤：

S1)将中间换热器3的第一回路与内冷系统连接，在换流阀1的冷却系统运行之前，内冷系统需要注入足量的冷却水；

S2)内冷系统正常工作时，内冷系统的冷却水吸收换流阀1产生的热量，并将此热量在中间换热器3中传给外冷系统；冷空气在中间换热器3中吸收热量后，流向第二回路出口连接管道的末端，当所述涡轮机处于工作状态时，第二出口打开，否则第一出口打开。

优选的，外冷系统在运行过程中通过监测装置实时监测内冷系统的水温和流速变化，并通过计算机的逻辑运算，控制流量调节阀Ⅰ7的开度，或者流量调节阀Ⅱ6的开度以及空气泵5的转速，进而控制外冷系统中传热媒质的流量。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1)本发明的内冷系统中的热量通过中间换热器传至外冷系统，外冷系统中通过自增压的方式得到的传热媒质携带着内冷系统中传递过来的能量流入大气中，或者经过空气泵增压后流入涡轮机，作为涡轮机的次要动力输入，通过调节流量调节阀控制外冷系统中传热媒质的流速，以满足内冷系统负荷变化的需求；

2)本发明采取换流站与压缩空气储能装置合建，相较于空冷器空冷、冷却塔水冷、空冷器串联辅助水冷塔，能够有效减小场地的占地面积，摆脱了环境因素和地域因素对换流阀外冷却系统的限制，减小了冷却设备的用水量和运行噪声，缩减了后期维护的成本，实现了换流阀废热的回收和再利用，提高了冷却效率，系统运行安全、稳定、可靠、环保；随着新能源大规模入网和特高压直流输电的发展以及压缩空气储能技术的应用，本发明的冷却方法应用前景十分可观。

附图说明

图1为本发明的单组结构示意图。

图中附图标记为：

1-换流阀；2-内冷循环泵；3-中间换热器；4-储气罐；5-空气泵；6-流量调节阀Ⅱ；7-流量调节阀Ⅰ。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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，本领域普通技术人员在没有做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。

下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的一个宽泛实施例中，一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统，其特征在于，所述外冷却系统包括内冷系统和外冷系统，其中，中间换热器3包括第一回路和第二回路，第一回路连接内冷系统，第二回路连接外冷系统，内冷系统与外冷系统在所述中间换热器3中发生热量交换。

优选的，所述内冷系统通过第一回路将换流阀1、内冷循环泵2和中间换热器3连接起来。

优选的，内冷系统中带有从换流阀1吸收的热量的传热媒质流过所述中间换热器3的第一回路，所述中间换热器3通过热交换的方式将内冷系统的传热媒质冷却，被冷却的内冷系统的传热媒质通过所述内冷循环泵2驱动，流回换流阀1再次吸收热量，为所述换流阀1降温。

优选的，所述外冷系统通过第二回路将所述储气罐4、中间换热器3、涡轮机、大气环境依次连接起来，构成开放式系统。

优选的，所述储气罐4用于提供冷空气给外冷系统作为传热媒质，即所述冷空气经过管路流入所述中间换热器3，被加热后在所述涡轮机处于正常工作状态时进入涡轮机，并作为涡轮机的次要动力输入,或者在所述涡轮机处于停机状态时被排入大气环境。

优选的，所述外冷系统中设置有两个或多个出口。

优选的，所述外冷系统的两个出口分别通过管路直接连接大气环境和涡轮机，其中，连接大气环境的出口为第一出口，且其附近管路上设置有流量调节阀Ⅰ7，连接涡轮机的出口为第二出口，且其附近管路上设置有流量调节阀Ⅱ6和空气泵5。

优选的，所述冷却系统设置有多组并联或独立的外冷系统，多组并联的外冷系统通过同一个中间换热器3与内冷系统联接，多组独立的外冷系统分别通过单独的中间换热器3与内冷系统联接。

本发明的目的还在于提供一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却方法，包括以下步骤：

S1)将中间换热器3的第一回路与内冷系统连接，在换流阀1的冷却系统运行之前，内冷系统需要注入足量的冷却水；

S2)内冷系统正常工作时，内冷系统的冷却水吸收换流阀1产生的热量，并将此热量在中间换热器3中传给外冷系统；冷空气在中间换热器3中吸收热量后，流向第二回路出口连接管道的末端，当涡轮机处于正常工作状态时，第二出口打开，否则第一出口打开。

优选的，外冷系统在运行过程中通过监测装置实时监测内冷系统的水温和流速变化，并通过计算机的逻辑运算，控制流量调节阀Ⅰ7的开度，或者流量调节阀Ⅱ6的开度以及空气泵5的转速，进而控外冷系统中传热媒质的流量。

下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。

参见附图1，一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统，包括用于将热量从内冷系统传至外冷系统的中间换热器3，中间换热器3采用管壳式换热器，中间换热器3的第一回路接至内冷系统，第二回路接至外冷系统，其中内冷系统的传热媒质使用液态水，外冷系统的传热媒质使用从储气罐4中通过自增压方式流出的冷空气，内冷系统中带有从换流阀1吸收的热量的传热媒质流过中间换热器3的第一回路，中间换热器3通过热交换的方式将内冷系统的传热媒质冷却，被冷却的内冷系统的传热媒质通过内冷循环泵2的驱动，流回换流阀1再次吸收热量，为换流阀1降温，外冷系统中的传热媒质从中间换热器3的第二回路中流过，通过热交换的方式吸收内冷系统中被加热的传热媒质的热量，被加热的外冷系统的传热媒质被排放到大气环境或流入涡流机用于发电。外冷系统中设置有储气罐4，中间换热器3，通过管路连接成开放系统。外冷系统的冷却介质通过自增压技术从储气罐4中获得。外冷系统的第一出口附近管路上设置有流量调节阀Ⅰ7，第二出口附近管路上设置有流量调节阀Ⅱ6和空气泵5，流量调节阀Ⅱ6和空气泵5串联连接，在涡轮机停机或运行阶段，所述外冷系统出口的流量调节阀Ⅰ7单独作用或流量调节阀Ⅱ6和空气泵5共同作用，决定外冷系统中冷却介质的流速。

根据换流阀1冷却负荷的要求，可设置并联或独立联接的多组外冷系统通过中间换热器3与内冷系统联接。多组并联设置的外冷系统通过同一个中间换热器3与内冷系统联接。多组与内冷系统独立联接的外冷系统中，每个外冷系统分别通过一个独立的中间换热器3和内冷系统联接。

一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却方法，包括以下步骤：

首先，将中间换热器3的第一回路与换流阀1的内冷系统连接，内冷系统的传热媒质为水，内冷系统正常工作时，所述冷却介质吸收换流阀1产生的热量，并将此热量在中间换热器3中传给外冷系统。在换流阀1的冷却系统运行之前，内冷系统需要注入足量的冷却水；然后，将中间换热器3的第二回路与换流阀1的外冷系统连接，外冷系统的传热媒质使用空气，所述中间换热器3的第二回路入口通过管道连接至储气罐4，所述第二回路出口连接管道，该管道的末端通过三通接头将冷却介质的流通管路与两个出口管路连接，外冷系统的传热媒质来自储气罐4，通过自增压的方式获得，所述传热媒质在中间换热器3中吸收热量后，在两个出口管路的末端分别流入大气和涡轮机，第一出口直接与大气相连，第一出口附近管路上设置有流量调节阀Ⅰ7，通过控制流量调节阀Ⅰ7的开度，控制外冷系统传热媒质的流速，第二出口附近管路上设置有流量调节阀Ⅱ6和空气泵5，通过控制流量调节阀Ⅱ6的开度和空气泵5的转速，控制外冷系统传热媒质的流速，当所述涡轮机处于正常工作状态时，所述第二出口打开，否则所述第一出口打开。同时，换流阀1的冷却系统中设置有监测装置，实时监测内冷系统的水温和流量信号，通过计算机的逻辑运算，控制流量调节阀Ⅰ7的开度，或者流量调节阀Ⅱ6的开度以及空气泵5的转速，进而控制外冷系统中传热媒质的流速，以满足内冷系统的负荷变化的需求。

本发明的外冷系统加装方式比较灵活，根据实际工程需要，可以将多个外冷系统以并联或独立联接的方式通过中间换热器3与内冷系统联接，多组并联的外冷系统通过同一个中间换热器3与内冷系统联接，多组与内冷系统独立联接的外冷系统，每个外冷系统分别通过单独的中间换热器3与内冷系统联接。本发明利用压缩空气储能过程中产生的优质冷源对换流阀1进行冷却，中间换热器3采用管壳式换热器(水-空气)作为内、外冷系统热交换的主要换热设备，能够有效提高换热效率，相较冷却塔水冷方式，有效的规避了冷却系统对水资源的需求，并且更加环保，相较空冷器空冷方式，有效降低了冷却系统对工作环境气候的要求，相较空冷器串联辅助水冷塔，有效减小了冷却系统的占地面积，缩减了冷却系统后期维护成本，实现了换流阀1废热的回收利用，系统运行安全稳定，可靠性高。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统，其特征在于，所述外冷却系统包括内冷系统和外冷系统，其中，中间换热器(3)包括第一回路和第二回路，第一回路连接内冷系统，第二回路连接外冷系统，内冷系统与外冷系统在所述中间换热器(3)中发生热量交换；

所述外冷系统通过第二回路将储气罐(4)、中间换热器(3)、涡轮机、大气环境依次连接起来，构成开放式系统；

所述储气罐(4)用于提供冷空气给外冷系统作为传热媒质，即所述冷空气经过管路流入所述中间换热器(3)，被加热后在所述涡轮机处于正常工作状态时进入涡轮机，并作为所述涡轮机的次要动力输入,或者在所述涡轮机处于停机状态时被排入大气环境。

2.根据权利要求1所述的一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统，其特征在于，所述内冷系统通过第一回路将换流阀(1)、内冷循环泵(2)和中间换热器(3)连接起来。

3.根据权利要求2所述的一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统，其特征在于，内冷系统中带有从换流阀(1)吸收的热量的传热媒质流过所述中间换热器(3)的第一回路，所述中间换热器(3)通过热交换的方式将内冷系统的传热媒质冷却，被冷却的内冷系统的传热媒质通过所述内冷循环泵(2)的驱动，流回换流阀(1)再次吸收热量，为所述换流阀(1)降温。

4.根据权利要求3所述的一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统，其特征在于，所述外冷系统中设置有两个或多个出口。

5.根据权利要求4所述的一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统，其特征在于，所述外冷系统的两个出口分别通过管路直接连接大气环境和涡轮机，其中，连接大气环境的出口为第一出口，且其附近管路上设置有流量调节阀Ⅰ(7)，连接涡轮机的出口为第二出口，且其附近管路上设置有流量调节阀Ⅱ(6)和空气泵(5)。

6.根据权利要求1所述的一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却系统，其特征在于，所述冷却系统设置有多组并联或独立的外冷系统，其中，多组并联的外冷系统通过同一个中间换热器(3)与内冷系统联接，多组独立的外冷系统分别通过单独的中间换热器(3)与内冷系统联接。

7.一种根据权利要求6所述的冷却系统的冷却方法，包括以下步骤：

S1)将中间换热器(3)的第一回路与内冷系统连接，在换流阀(1)的冷却系统运行之前，内冷系统需要注入足量的冷却水；

S2)内冷系统正常工作时，内冷系统的冷却水吸收换流阀(1)产生的热量，并将此热量在中间换热器(3)中传给外冷系统；冷空气在中间换热器(3)中吸收热量后，流向第二回路出口连接管道的末端，当涡轮机处于正常工作状态时，第二出口打开，否则第一出口打开。

8.根据权利要求7所述的一种基于压缩空气储能优质冷源的换流阀外冷却方法，其特征在于，外冷系统在运行过程中通过监测装置实时监测内冷系统的水温和流速变化，并通过计算机的逻辑运算，控制流量调节阀Ⅰ(7)的开度，或者流量调节阀Ⅱ(6)的开度以及空气泵(5)的转速，进而控外冷系统中传热媒质的流量。

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