CN211457832U - 一种换流阀冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于换流阀冷却技术领域，具体涉及一种换流阀冷却系统，用于对高压直流输电工程中的换流阀冷却，包括储液罐、内冷系统动力循环泵、供液回液热交换器、流量分配阀组、换流阀和散热单元，储液罐、内冷系统动力循环泵、供液回液热交换器、流量分配阀组、换流阀顺次连接，换流阀冷却介质出口管路又与供液回液热交换器连接，出来经过散热单元后连接到储液罐上，形成内冷却回路。本实用新型一方面通过内冷系统结合外冷系统，能够大大提升冷却能力，另一方面在换流阀之前增加冷却介质的升温装置，有利于冷却介质在换流阀处发生相变，大大提高吸收的热量。

Description

一种换流阀冷却系统

技术领域

本实用新型属于换流阀冷却技术领域，具体涉及一种换流阀冷却系统，用于对高压直流输电工程中的换流阀冷却。

背景技术

高压直流输电(High-Voltage Direct Current Transmission，HVDC)以其具有较高的经济性和优异的控制性能等突出优点，被广泛应用于远距离输电，充分发挥其高电压、远距离、大容量等优点，解决我国发电能源资源分布和负荷分布极其不均衡问题。

换流阀在高压直流输电中承担着交流/直流变换的重要功能，其性能直接关系整个高压直流输电系统的可靠运行。换流阀在电流变换中的功率损耗转换为废热，换流阀功耗较大，废热热耗大，为大热耗部件，需对换流阀采取有效冷却措施，以控制其内部晶闸管等元器件温度处于允许范围内，保证换流阀稳定工作。换流阀冷却是关系换流阀乃至整个高压直流输电系统稳定可靠运行的关键问题。

换流阀冷却方式先后出现过自然对流冷却、通风冷却、液冷冷却(包括水冷和油冷)和蒸发冷却。自然对流冷却和通风冷却是通过空气自然对流和强迫通风将换流阀热量带走的冷却方式，由于风冷散热能力不能适应日益增加的换流阀功率密度，已经淘汰；油冷的冷却效率优于风冷，但相比于水冷系统，存在油的粘度大导致阻力大流速低，导致冷却效率低于水冷，同时相比于水冷，存在成本高的缺点。蒸发冷却是将冷却介质放在密闭设备中，依靠冷却介质蒸发吸收热量，换热系数较风冷和液冷有显著提高，但是缺乏动力驱动难于适应换流阀大规模冷却系统需求。目前换流阀广泛采用的冷却方式为水冷系统，水冷系统一般包括内水冷系统和外水冷系统或外风冷系统，内水冷系统通过水循环收集换流阀内部产生的废热，并最终通过外水冷系统或外风冷系统进行废热排散，实现换流阀冷却控温功能。外水冷系统一般采用冷却塔方式，通过喷淋系统和风机将喷淋在管束表面的水膜在通风作用下发生蒸发冷却，外水冷系统存在低温寒冷地区防冻结问题；外风冷系统一般采用空冷方式对内水冷循环水进行冷却，其冷却效率、占地规模等方面不及外水冷系统，但对寒冷地区环境较外水冷系统具有较好的适应性。

尽管水冷在换流阀冷却中取得广泛应用，但水冷冷却方式存在较多突出问题，比如换热能力不够、内水冷系统频发腐蚀、泄漏、堵塞等问题。内水冷系统中水与电气设备直接接触，水与晶闸管铝散热器发生电化学腐蚀，密封圈腐蚀等导致系统漏水漏电；光触发换流阀塔均压电极在电场的作用下容易形成垢质，脱落后堵塞循环水回路导致器件散热恶化引发烧毁，据统计内冷水系统故障占冷却系统故障总数的71.4％。为解决内水冷系统腐蚀、泄漏等问题，换流阀内水冷系统采用去离子水，相应需配置离子罐去除水中杂质离子、过滤器过滤颗粒物等，增加了水冷系统复杂性、投资成本和定期维护成本，存在长寿命稳定运行风险。此外随着换流阀功率的增加，水冷系统水流量需要不断增加，换流阀冷却系统规模和功率也随之加大，换热热流密度进一步提高，水冷系统规模和冷却能力存在局限性，因而有必要寻求更为安全可靠、冷却效率更高的换流阀冷却方式。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种换流阀冷却系统。

本实用新型是这样实现的，一种换流阀冷却系统，包括储液罐、内冷系统动力循环泵、供液回液热交换器、流量分配阀组、换流阀和散热单元，储液罐、内冷系统动力循环泵、供液回液热交换器、流量分配阀组、换流阀顺次连接，换流阀冷却介质出口管路又与供液回液热交换器连接，出来经过散热单元后连接到储液罐上，形成内冷却回路。

进一步地，所述储液罐上设有储液罐控温装置和储液罐冷却介质温度传感器；所述内冷系统动力循环泵与储液罐之间设有内冷系统动力循环泵入口温度传感器和内冷系统动力循环泵入口压力传感器，内冷系统动力循环泵与所述供液回液热交换器之间设有内冷系统动力循环泵出口压力传感器；所述流量分配阀组与所述供液回液热交换器之间设有供液温度传感器；所述换流阀与供液回液热交换器之间设有换流阀出口温度传感器和换流阀出口压力传感器；所述散热单元与储液罐之间设有散热单元冷侧出口温度传感器；

设有控制器，控制器控制换流阀冷却系统电源的开闭，且储液罐冷却介质温度传感器、内冷系统动力循环泵入口温度传感器、内冷系统动力循环泵入口压力传感器、内冷系统动力循环泵出口压力传感器、供液温度传感器、换流阀出口温度传感器、换流阀出口压力传感器和散热单元冷侧出口温度传感器均与控制器的输入端连接，控制器的输出端与储液罐控温装置和散热单元连接。

进一步地，所述内冷系统动力循环泵并联设置两个，且所述内冷系统动力循环泵入口压力传感器与每个内冷系统动力循环泵之间依次设置第一电磁阀和第一过滤器，所述控制器的输出端还与两个第一电磁阀分别连接。

进一步地，在所述供液回液热交换器与所述供液温度传感器之间，设有电加热装置，所述控制器的输出端还与电加热装置连接。

进一步地，所述散热单元为热排散装置。

进一步地，所述散热单元包括内外冷系统热交换器、外冷动力循环泵和热排散装置，从所述供液回液热交换器出来的管路经过内外冷系统热交换器后回到储液罐上，内外冷系统热交换器又与外冷动力循环泵、热排散装置连接，用于排散内冷却回路带出的热量。

进一步地，所述外冷动力循环泵并联设置两个，且内外冷系统热交换器与每个外冷动力循环泵之间依次设置第二电磁阀和第二过滤器，所述控制器的输出端还与两个第二电磁阀分别连接。

进一步地，所述换流阀冷却系统中的冷却介质为氢氟醚或氟利昂中的一种。

进一步地，所述流量分配阀组内设置多路电动阀，所述换流阀采用多组并联的形式，流量分配阀组内的每路电动阀对应一组换流阀，流量分配阀组内的每路电动阀均与所述控制器的输出端连接。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

(1)该冷却系统采用内冷却系统结合外冷却系统的方式，对换流阀的冷却效果更好，在换流阀之前增加冷却介质的升温装置，有利于冷却介质在换流阀处发生相变，大大提高吸收的热量。

(2)该冷却系统采用更为安全可靠的氟利昂/氢氟醚作为冷却介质，与材料相容性好，不易发生腐蚀泄漏，可实现换流阀冷却系统长寿命稳定运行；

(3)使冷却介质在晶闸管等热源部位发生相变换热，较水冷单相换热的换热能力显著提升，解决高热流密度散热问题，能够更有效的降低换流阀温度，提高元器件可靠性；

(4)通过冷却介质相变潜热吸收换流阀废热，较采用水冷显热吸收热量的方式，吸热能力大大增强，因而较水冷冷却方式可大幅降低冷却介质循环流量，节省系统能耗。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图；

图2为本实用新型实施例2的结构示意图；

图3为本实用新型提供的换流阀冷却系统控制组件连接关系图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1、

参考图1和图3，本实施例提供一种换流阀冷却系统，采用内冷系统的冷却方式，包括储液罐15、内冷系统动力循环泵1、供液回液热交换器3、流量分配阀组、换流阀7和散热单元，储液罐15、内冷系统动力循环泵1、供液回液热交换器3、流量分配阀组、换流阀7顺次连接，换流阀7冷却介质出口管路又与供液回液热交换器3连接，出来经过散热单元后连接到储液罐15上，形成内冷却回路。

储液罐15上设有储液罐控温装置16和储液罐冷却介质温度传感器17；所述内冷系统动力循环泵1与储液罐15之间设有内冷系统动力循环泵入口温度传感器18和内冷系统动力循环泵入口压力传感器19，内冷系统动力循环泵1与所述供液回液热交换器3之间设有内冷系统动力循环泵出口压力传感器2；所述流量分配阀组与所述供液回液热交换器3之间设有供液温度传感器5；所述换流阀 7与供液回液热交换器3之间设有换流阀出口温度传感器8和换流阀出口压力传感器9；所述散热单元与储液罐15之间设有散热单元冷侧出口温度传感器14；

设有控制器10，控制器10控制换流阀冷却系统电源的开闭，且储液罐冷却介质温度传感器17、内冷系统动力循环泵入口温度传感器18、内冷系统动力循环泵入口压力传感器19、内冷系统动力循环泵出口压力传感器2、供液温度传感器5、换流阀出口温度传感器8、换流阀出口压力传感器9和散热单元冷侧出口温度传感器14均与控制器10的输入端连接，控制器10的输出端与储液罐控温装置16和散热单元连接。

内冷系统动力循环泵1并联设置两个，且所述内冷系统动力循环泵入口压力传感器19与每个内冷系统动力循环泵1之间依次设置第一电磁阀20和第一过滤器21，所述控制器10的输出端还与两个第一电磁阀20分别连接。

在所述供液回液热交换器3与所述供液温度传感器5之间，设有电加热装置4，所述控制器10的输出端还与电加热装置4连接。

所述散热单元为热排散装置13。

换流阀冷却系统中的冷却介质为氢氟醚或氟利昂中的一种。

流量分配阀组内设置多路电动阀6，所述换流阀7采用多组并联的形式，流量分配阀组内的每路电动阀6对应一组换流阀7，流量分配阀组内的每路电动阀 6均与所述控制器10的输出端连接。

本实施例提供的换流阀冷却系统以氢氟醚或氟利昂作为冷却介质，通过冷却介质循环，在换流阀7内部冷却介质发生汽化相变吸热，收集换流阀的废热，在流经热排散装置13后凝结恢复为液态，并将废热通过热排散装置13排散。

储液罐15用于储存适应循环回路的冷却介质，维持系统压力处于目标控制范围之内，是保证系统稳定运行的关键部件，采用不锈钢材质。储液罐控温装置16为铠装的电加热器结构，用于储液罐15内冷却介质温度和压力的控制。储液罐冷却介质温度传感器17用于监测储液罐15内部冷却介质温度。控制器 10对储液罐控温装置16进行控制，通过控制器10比较储液罐冷却介质温度传感器17测量的储液罐15内部冷却介质温度和目标控制温度，对储液罐控温装置16加热器进行启停控制：当储液罐15内部冷却介质温度低于目标控温温度下限时，启动储液罐控温装置16加热器对冷却介质加热；当储液罐15内部冷却介质温度高于目标控温温度上限时，关闭储液罐控温装置16加热器停止冷却介质加热。通过对储液罐15的温度控制保证系统压力温度稳定，保证内冷系统动力循环泵1进口冷却介质为纯液态。

冷却系统中的管路采用无缝不锈钢管，过渡连接管可采用不锈钢波纹软管，冷却介质流量根据换流阀7发热量计算确定，流量计算公式如下：

M为冷却介质流量，Q为换流阀最大发热量，C_p为冷却介质比热容，△t为冷却介质在换流阀7进出口温升，χ为干度，γ为冷却介质潜热。

根据冷却介质流量计算系统各部件的流动阻力，确定对内冷系统动力循环泵1的流量和压头需求，选用满足流量压头的内冷系统动力循环泵1。

内冷系统动力循环泵1为冷却介质循环提供驱动力，克服系统阻力，提供并满足换流阀冷却所需的冷却介质流量，优选氟泵；为保证系统可靠运行，本实施例配置两套内冷系统动力循环泵1，一套保持正常运行，另外一套保持关闭备份，当发生故障时，控制器10控制两个第一电磁阀20的关闭和打开，从而自动切换至备份的内冷系统动力循环泵1，内冷系统动力循环泵1入口处的过滤器21用于控制进入内冷系统动力循环泵1的冷却介质的洁净度，过滤精度优于 100μm。

内冷系统动力循环泵出口压力传感器2和内冷系统动力循环泵入口压力传感器19用于监测内冷系统动力循环泵1的进出口压差，内冷系统动力循环泵入口温度传感器18用于监测内冷系统动力循环泵1的进口温度。

供液回液热交换器3采用板式换热器，逆流形式，不锈钢材质，实现内冷系统动力循环泵1出口冷却介质与换流阀7出口冷却介质的热量交换，通过热量交换提高内冷系统动力循环泵1出口冷却介质温度，利于进入换流阀7的冷却介质实现汽化相变，同时降低换流阀7出口高温两相冷却介质的温度，优化热量利用。

电加热装置4采用不锈钢铠管封装的结构形式，通过控制器10进行供电和控制，实现进入换流阀7入口的冷却介质温度接近饱和温度，利于进入换流阀7 的冷却介质实现汽化相变吸热。当供液温度传感器5测得的冷却介质温度低于目标控温温度下限时，启动电加热装置4加热器对冷却介质加热；当供液温度传感器5测得的冷却介质温度高于目标控温温度上限时，关闭电加热装置4加热器停止冷却介质加热。

接近饱和温度的冷却介质进入换流阀7内部，为保证换热效果和温度一致性，换流阀7采用多组并联形式，在入口处设置流量分配阀组进行流量分配，分配阀组6内部配置多路电动阀6，每个电动阀6对应一路并联支路，通过开度调节实现阻力匹配，进而实现并联换流阀7之间的流量分配，流量分配根据换流阀7发热量和阻力特性确定。

不同于水冷的单相换热冷却方式，本实施例中，冷却介质在换流阀7内部发生相变，液汽转换后依靠冷却介质汽化潜热吸收换流阀热量，由于潜热远远大于水冷单相显热换热的吸热能力，因而冷却效率远高于水冷单相，而且发生液汽相变时，冷却介质温度相对恒定，介质温升小，利于换流阀散热。冷却介质流经换流阀7发生相变换热后，由入口的液态转换为出口的气液两相态。首先经过供液回液热交换器3进行第一次降温后，进入热排散装置13进行第二次降温，内冷系统冷却介质从气液两相态冷却为纯液态。并通过散热单元冷侧出口温度传感器14监测冷却后的温度，若温度高于目标控制温度，则通过控制器 10调节热排散装置13的风机风速或外冷系统循环流量实现散热单元冷侧出口温度传感器14处的温度控制。

热排散装置13可采用目前换流阀系统常用的风冷或冷却塔冷却方式。

各个温度传感器采用铠装铂电阻，测温范围±100℃，测量精度优于1℃；各个压力传感器测量范围0～3MPa，测量精度优于1％。控制器10选用现有成熟商用产品。

本实施例提供的换流阀冷却系统的工作过程：

1)初始时刻，换流阀冷却系统通电前，先给控制器10通电，通过各个温度传感器和压力传感器采集温度压力信号，判断正常后，启动热排散装置13；

2)热排散装置13工作正常后，启动内冷系统动力循环泵1(对应入口第一电磁阀20处于开启状态，非工作的内冷系统动力循环泵1处于关闭状态)，储液罐控温装置16和电加热装置4在控制器10的控制下，进入自动控温模式，根据测量温度和目标温度进行储液罐控温装置16和电加热装置4的启停自动控制；

3)系统运行稳定后，换流阀7加电，保持冷却系统正常工作：控制器10 采集冷系统动力循环泵出口压力传感器2和冷系统动力循环泵入口压力传感器 19的数值，用于监测内冷系统动力循环泵1的进出口压差，当进出口压差低于正常值时，自动切换至备份的内冷系统动力循环泵1；监测换流阀7出口冷却介质温度，应不大于冷却介质饱和温度；监测储液罐冷却介质温度传感器17温度，并根据目标温度自动控制，维持系统稳定运行；监测散热单元冷侧出口温度传感器14的温度，并根据温度高低对热排散装置13例如风机转速等进行调节控制；

4)冷却介质在冷却系统中循环，下一循环周期将重复步骤2)-步骤3)，从而构成闭环的换流阀冷却系统，实现对换流阀7的冷却。

本实施例适合较寒冷的、散热较快的北方地区。

实施例2、

采用内冷系统结合外冷系统的冷却方式。

与实施例1的区别在于：

所述散热单元包括内外冷系统热交换器12、外冷动力循环泵11和热排散装置13，从所述供液回液热交换器3出来的管路经过内外冷系统热交换器12后回到储液罐15上，内外冷系统热交换器12又与外冷动力循环泵11、热排散装置 13连接，形成回路，用于排散内冷却回路带出的热量，并且在内外冷系统热交换器12、外冷动力循环泵11、热排散装置13形成的闭合管路上，设有进液口，用于补充冷却液体，例如水。

所述外冷动力循环泵11并联设置两个，且内外冷系统热交换器12与每个外冷动力循环泵11之间依次设置第二电磁阀22和第二过滤器23，所述控制器 10的输出端还与两个第二电磁阀22分别连接。

内外冷统热交换器12为不锈钢材质板式换热器，内冷系统侧冷却介质为气液两相态，外冷系统侧冷却介质为单相液态，在内外冷统热交换器12内部，内冷系统冷却介质从气液两相态冷却为纯液态。

外冷动力循环泵11用于为外冷系统冷却介质循环提供驱动力，克服系统阻力，提供并满足换流阀冷却所需的冷却介质流量。

本实施例的工作流程如下：

1)初始时刻，换流阀冷却系统通电前，控制器10先通电，采集各个温度传感器和压力传感器的温度压力信号，判断正常后，依次启动外冷动力循环泵11和热排散装置13；

2)状态正常后，启动内冷系统动力循环泵1(对应入口电磁阀20处于开启状态，非工作内冷系统动力循环泵1处于关闭状态)，储液罐控温装置16和电加热装置4在控制器10的控制下，进入自动控温模式，根据测量温度和目标温度进行储液罐控温装置16和电加热装置4的启停自动控制；

3)系统运行稳定后，换流阀7加电，保持冷却系统正常工作：控制器10 采集冷系统动力循环泵出口压力传感器2和冷系统动力循环泵入口压力传感器 19的数值，用于监测内冷系统动力循环泵1的进出口压差，当进出口压差低于正常值时，自动切换至备份的内冷系统动力循环泵1；监测换流阀7出口冷却介质温度，应不大于冷却介质饱和温度；监测储液罐冷却介质温度传感器17温度，并根据目标温度自动控制，维持系统稳定运行；监测散热单元冷侧出口温度传感器14的温度，并根据温度高低对热排散装置13例如风机转速等进行调节控制；

4)冷却介质在冷却系统中循环，下一循环周期将重复步骤2)-步骤3)，从而构成闭环的换流阀冷却系统，实现对换流阀7的冷却。

Claims (9)

1.一种换流阀冷却系统，其特征在于，包括储液罐(15)、内冷系统动力循环泵(1)、供液回液热交换器(3)、流量分配阀组、换流阀(7)和散热单元，储液罐(15)、内冷系统动力循环泵(1)、供液回液热交换器(3)、流量分配阀组、换流阀(7)顺次连接，换流阀(7)冷却介质出口管路又与供液回液热交换器(3)连接，出来经过散热单元后连接到储液罐(15)上，形成内冷却回路。

2.如权利要求1所述的换流阀冷却系统，其特征在于，所述储液罐(15)上设有储液罐控温装置(16)和储液罐冷却介质温度传感器(17)；所述内冷系统动力循环泵(1)与储液罐(15)之间设有内冷系统动力循环泵入口温度传感器(18)和内冷系统动力循环泵入口压力传感器(19)，内冷系统动力循环泵(1)与所述供液回液热交换器(3)之间设有内冷系统动力循环泵出口压力传感器(2)；所述流量分配阀组与所述供液回液热交换器(3)之间设有供液温度传感器(5)；所述换流阀(7)与供液回液热交换器(3)之间设有换流阀出口温度传感器(8)和换流阀出口压力传感器(9)；所述散热单元与储液罐(15)之间设有散热单元冷侧出口温度传感器(14)；

设有控制器(10)，控制器(10)控制换流阀冷却系统电源的开闭，且储液罐冷却介质温度传感器(17)、内冷系统动力循环泵入口温度传感器(18)、内冷系统动力循环泵入口压力传感器(19)、内冷系统动力循环泵出口压力传感器(2)、供液温度传感器(5)、换流阀出口温度传感器(8)、换流阀出口压力传感器(9)和散热单元冷侧出口温度传感器(14)均与控制器(10)的输入端连接，控制器(10)的输出端与储液罐控温装置(16)和散热单元连接。

3.如权利要求2所述的换流阀冷却系统，其特征在于，所述内冷系统动力循环泵(1)并联设置两个，且所述内冷系统动力循环泵入口压力传感器(19) 与每个内冷系统动力循环泵(1)之间依次设置第一电磁阀(20)和第一过滤器(21)，所述控制器(10)的输出端还与两个第一电磁阀(20)分别连接。

4.如权利要求2所述的换流阀冷却系统，其特征在于，在所述供液回液热交换器(3)与所述供液温度传感器(5)之间，设有电加热装置(4)，所述控制器(10)的输出端还与电加热装置(4)连接。

5.如权利要求1或2或3或4所述的换流阀冷却系统，其特征在于，所述散热单元为热排散装置(13)。

6.如权利要求2或3或4所述的换流阀冷却系统，其特征在于，所述散热单元包括内外冷系统热交换器(12)、外冷动力循环泵(11)和热排散装置(13)，从所述供液回液热交换器(3)出来的管路经过内外冷系统热交换器(12)后回到储液罐(15)上，内外冷系统热交换器(12)又与外冷动力循环泵(11)、热排散装置(13)连接，用于排散内冷却回路带出的热量。

7.如权利要求6所述的换流阀冷却系统，其特征在于，所述外冷动力循环泵(11)并联设置两个，且内外冷系统热交换器(12)与每个外冷动力循环泵(11)之间依次设置第二电磁阀(22)和第二过滤器(23)，所述控制器(10)的输出端还与两个第二电磁阀(22)分别连接。

8.如权利要求1所述的换流阀冷却系统，其特征在于，所述换流阀冷却系统中的冷却介质为氢氟醚或氟利昂中的一种。

9.如权利要求2所述的换流阀冷却系统，其特征在于，所述流量分配阀组内设置多路电动阀(6)，所述换流阀(7)采用多组并联的形式，流量分配阀组内的每路电动阀(6)对应一组换流阀(7)，流量分配阀组内的每路电动阀(6)均与所述控制器(10)的输出端连接。

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