(江苏省送变电公司 江苏省南京市 210000)
摘要：南京220kV西环网统一潮流控制器示范工程使用IGBT换流阀，阀冷却系统采用空气和绝缘水冷却，即一次冷却为去离子水循环冷却(内水冷系统)，二次冷却为空气冷却(外水冷系统)。内冷却系统安装包括主机安装、内冷却管道安装等；阀外冷设备安装主要是空冷器安装、外冷却管道安装、反渗透装置安装等。江苏省送变电公司结合产品说明书、施工技术措施和现场施工，总结了阀冷却设备安装方法，提出了设计建议。对未来相似阀冷设备施工提供了重要借鉴作用，对提高施工效率和实现施工标准化有着重要意义。
关键词：南京220kV西环网统一潮流控制器、换流阀、内冷系统、外冷系统
一、引言
南京西环网统一潮流控制器示范工程是我国第一个、世界上第四个UPFC工程，也是世界上第一个基于模块化多电平(MMC)技术的UPFC工程，代表了当今世界柔性交流输电技术的最高水平。IGBT换流阀是UPFC统一潮流控制器工程的核心元件，正常运行时，大电流会产生高热量，导致晶体管温度急剧上升，如果不对晶体管进行有效冷却，晶体管将被烧坏，造成系统停运。换流阀冷却系统可分为内冷却系统和外冷却系统，它通过冷却介质的流动带走晶体管消耗功率所产生的热量。南京西环网UPFC工程站内换流阀冷却系统采用空气和绝缘水冷却，即一次冷却为去离子水循环冷却(内水冷系统)，二次冷却为空气冷却(外水冷系统)。 本文以南京西环网统一潮流控制器工程换流阀冷却系统为研究对象，开展换流阀水冷系统安装技术研究，希望在之后工程中可以吸取本工程经验。
二、阀冷系统介绍
冷却系统的工作原理是恒定压力和流量的冷却介质源源不断流经大功率电力电子装置构成的被冷却器件，温度上升并将被冷却器件产生的热量带出，经主循环泵后与外循环冷却系统进行热交换，使冷却介质温度降低至合理范围后再次流入被冷却器件，形成冷却介质的闭式循环。南京西环网阀冷系统是专门为消散IGBT阀产生的功率损耗设计的。一个冷却系统对应一个换流阀。IGBT阀是液体冷却的，为保证极低的导电率，冷却液采用去离子水。冷却系统由主循环冷却回路、去离子水处理回路、稳压系统、补水装置、外循环冷却系统(水风换热器、闭式冷却塔、水风换热器与闭式冷却塔组合形式)、冷却介质及管路、电气控制系统等七部分组成，如下图所示：
图例为南京220千伏西环网统一潮流控制器工程换流阀水冷系统
换流阀内冷却水系统是一个封闭式自循环系统，主要由冷却水主循环回路、去离子水处理回路、稳压补水系统组成，包括主循环水泵、补水泵、过滤器、逆止阀、离子交换器、排气阀、膨胀水箱、补水箱和稳压装置等设备。主循环水泵将内冷水加压送至换流阀塔顶部的主进水管道，内冷却水流入换流阀塔后，将各元器件产生的热量带走后，经外部冷却系统进行热量交换，冷却后的内冷水回到除氧水箱和主循环水泵入口。主水回路也装备用于温度、压力、流量、电导率的控制的测量设备。膨胀箱由氮气提供压力，连于主水回路。膨胀箱提供两个传感器，用于补充水填装的控制和泄漏的检测。也提供氮气吹泡系统以保持冷却水的低含氧量。两个主循环泵之一持续在主水回路和水处理回路中循环。另一个则是备用的，每周转换一次，以获得相同的损耗。水处理回路：注水流量的一部分在水处理回路中循环。它的流量是指流过水处理回路的体积在两个小时内补偿整个系统的体积。水处理回路包含两个离子交换器和两个化学过滤器。回路中有用于电导率监测和水流量监测的装置。回路的出口连于膨胀箱顶部的喷嘴。这至冷却水通过氮气垫喷入膨胀箱，用作系统压力，并用来减少溶解的氧气含量。膨胀箱的底部装有用于氮气吹泡的一个喷嘴。通过周期性的开闭螺线管法来循环气体的泡沫进行氮气吹泡。任何时候，打开阀吹入新的氮气，饱和的氧气由箱顶的过压阀吹出，使氮气垫获得更新。内冷水回路的补水设置定压补水装置，采用纯净水及蒸馏水。根据功能不同，可分为手动补水和自动补水，自动补水泵根据稳压罐水位自动进行补水。
换流阀外风冷系统主要由控制系统、空气冷却器、冷却水管道、加热器等组成。冷却水在阀厅与换流阀IGBT元件进行热交换升温后, 由主循环泵驱动进入外风冷系统的室外空气冷却器, 外风冷系统根据冷却水进阀温度控制空气冷却器的投切, 空气冷却器配置有带翅片的换热盘管及变频调速风机, 风机运行驱动室外大气冲刷换热盘管外表面, 使换热盘管内的冷却水得以冷却, 降温后的冷却水由主循环泵再送至阀厅,实现循环冷却。
三、阀冷设备安装
(一)施工难点
土建、电气交叉作业及配合问题。为了保证工程如期完成，电气土建存在不同程度的交叉问题。作为整个阀厅的安装工序，设计接口问题较多，也会给工程的进展带来很大困难。系统复杂程度高，管道种类及管道连接部位、螺栓种类、空冷支架型号等较多，区分难度较大。成品管道均经厂内试压完成后送到现场，现场不允许自行切割，要求土建施工尺寸精确。空冷水冷联动多，调试工作复杂。
(二)安装准备工作
1) 施工准备
工程前期，提前让生产厂家到场，与厂家进行技术沟通，核对设计图纸与厂家图纸，提早发现设计图纸中的问题。对照图纸做好土建交接安装工作。空冷支架设备基础轴线及预埋钢板平整度、冷却塔轴线、泵坑深度及预埋管道与图纸偏差、基础水平度、土建预埋管道及预埋件(槽钢、钢板)是否齐全，设备间尺寸是否满足设计要求。对未包装厂家设备，验收设备底座平整度、弯曲度、高度。包括设备管道支架、冷却塔、设备管道。对带包装来设备，首先检查设备包装是否完好，拆箱后检查所有元件、附件及专用工具是否齐全。
2) 设备存放
工地现场情况复杂，开箱检查后若不立即安装，需把箱体重新封闭，以免风沙进入设备，影响设备使用寿命。设备开箱后如不能马上进行安装，现场保管时必须采取防潮措施，严防主泵单元、离子交换单元、反渗透单元和喷淋泵受潮，水冷主机设备应合理安排到场时间，到货后直接进入水冷内机室。阀冷水管以及附件箱等小型安装材料应放置于临时仓库或阀厅内，并做防尘处理。开完箱的设备必须用干净的彩条布盖好，需密封的部分用塑料布进行包扎。存放位置合理排布。大件设备尽量靠近设备基础。
(三)阀内冷设备安装
换流阀密闭式的水冷却系统内机一般位于阀厅里的独立房间内，独立房间的设置可以有效降低水冷内机水泵噪音。南京西环网UPFC工程水冷内机三套并列放置于水冷设备室内。每套水冷内机与每套换流阀内单台阀塔连接水管1进1出，PVDF水管通过水管沟到达换流阀塔。
内冷却系统安装包括内冷却泵安装、内冷却管道安装、离子交换器安装以及阀门电动装置的安装。在南京西环网UPFC工程中内冷主机由厂家组装完成，在主机定位后，只需要将内外循环机和阀厅管道依次相连，注入冷却液进行连通测试，并加入乙二醇防冻。
在现场安装过程中的注意事项如下：
1)在内冷却管道现场组装过程中，管道之间采用法兰连接；法兰连接应与管道同心，法兰间应保持平行，其偏差不得大于法兰外径的1.5‰，且不得大于2mm。不应借法兰螺栓强行连接；管道法兰密封面无损伤，密封圈安装正确，连接严密，无渗漏；密封胶的使用应符合产品的技术规定；管道安装时，应及时进行支、吊架的固定和调整工作。
2)注入内冷却系统的初水应为去离子水，去离子水的电导率应符合产品的技术规定，制造厂无规定时，去离子水的电导率不应大于0.2μS/cm。若在现场制水，应使用水质符合《生活饮用水卫生标准》GB5749规定的自来水，经外配的离子交换器处理合格后，才能注入内冷却系统，不得使用内冷却系统的离子交换器处理自来水。
3)冷却系统的安装对安装区域的环境有着较高的要求。阀冷却设备的清洁度是系统正常运行的必要条件，因此，安装区域在安装前也应彻底清洁。安装区在开始工作前应每天检查清洁情况。安装人员应穿清洁，无油脂、油迹的服装。管端盖在管道系统开始安装前不能取下。不能用手直接触到管道里面。如以上事件发生，管道必须彻底清洗，并用脱离子水或用干净抹布清洁。
4)为保证水冷系统安装质量，待整个水冷系统安装完成后要进行漏水检测，具体是在整个冷却回路施工检查完毕后，将水离子通入水冷管道进行检查(10kg/cm2)，检查应无泄露。
(四)阀外冷设备安装及调试
在南京220千伏西环网UPFC工程中阀外冷设备安装主要是空冷器安装、管道安装、反渗透装置安装等。
1)空冷器安装
因空冷支架种类、数量较多，需要仔细与图纸核对并与厂家进行沟通。对照图纸，把支架分类并摆放好，找出相对应的螺栓，给施工人员配备好相应的工具袋，以便空冷支架组装。在第一轴两个边角处立好两个支架，按照纵横轴线中心位置把支架校准好，并校准垂直度。把第一轴剩余两个支架安装并校准好位置，最后把顶部横梁固定。为提高效率，后续9 轴支架，按照图纸尺寸在地面完成组装，最后整体起吊。剩余斜拉支撑件、平台、围栏、布道依次组装完成，并矫正固定牢固。用膨胀螺栓把空冷支架固定在土建基础上，并使之牢固。完成以上工作后，拆掉空冷器的包装并检查外观确定空冷器下方细水管及风扇完好无损后，对空冷器进行吊装。
2) 管道安装
检查水管弯曲度，连接口处法兰平整度。清理管道外表及内部，按照图纸派专人把不同位置管道挑出并摆好位置。吊装人员按照管道挑选出的顺序从空冷到阀内冷设备主机处依次进行吊装。对接过程中注意法兰密封圈是否在正确位置，法兰对接面是否平整，螺栓穿向是否一致。用抱箍固定好管道，并调整管道整体水平度。安装好反渗透装置，并与主管道进行现场加工对接。
3)外冷系统冲洗检查主循环泵电机及回路，调节相关阀门，手动启动主循环泵，使主循环泵电机电流控制在额定电流值。系统运行1 h 后，打开过滤器，检查过滤网并冲洗、安装，继续冲洗1 h，再打开过滤器，检查过滤网，直到过滤网无杂质。
4) 外冷系统试压
采用试压泵逐步打压，检查管道所有压力表是否变化，检查焊口、管道法兰接口、仪表口，如发现渗漏应立即停止打压实验，处理后继续，压力达到1.6 MPa 应保持0.5 h，随时检查管道所有压力表的变化情况，并做好过程记录。安装完成后进行设备管道注水试压，哈密工程根据相关设计要求，试压压力为1.6 MPa。试压合格后进行管道循环清洗。
四、设备调试
阀冷系统能否正常运转直接关系到换流阀能否正常运行，在完成阀冷设备安装之后，保证阀冷系统调试的可靠性、完整性显得尤为重要。阀冷分系统原调试项目包括内冷4 大项、外冷3大项，共计7 大项内容。现场结合以往工程出现的阀冷问题，借鉴直流公司21 项反措的要求，增加了分系统调试项目：阀冷主泵单元双系统切换调试；站内10 kV、400 V备自投与主泵单元双电源切换时间配合试验；阀冷主泵单元启动电流监测试验；主泵切换后故障再回切试验；主泵单元工频启动与变频启动切换试验。
五、设计优化建议
1)水冷内机房宜远离主控制室。在南京220千伏西环网UPFC工程中，阀厅布置中水冷机房虽是独立房间，但与主控制室相邻。水冷内机房在主循环泵运行时会发出噪声，对主控制室内工作人员制造了不良工作环境。
2)建议将水冷内机房改墙体结构。南京西环网UPFC工程中阀厅水冷内机房外墙为复合双层压型钢板保温墙体，内墙采用240厚轻钢龙骨内隔墙+白色装饰板饰面。这种设计存在某些问题：一方面，因水冷主机体形较大无法从门厅进入，所以水冷主机进入水冷机房时机需选择在水冷机房墙体钢结构未完成前；另一方面，由于水冷主机就位时钢结构施工还未结束，之后有大量的内墙外墙工作量，并且需在水冷机房大面积搭设脚手架，对水冷主机成品保护存在很大安全隐患。
3)电动三通阀设置最小开度。内水冷系统通过控制与外风冷系统接口的电动三通阀的开度实现对冷却水进阀温度的控制。当冷却水进阀温度低于定值时, 电动三通阀处于全闭状态,大部分的冷却水不经外风冷系统冷却直接进人阀厅,最小开度的冷却水进入外风冷管道,防止冷却水不流动结冰。一般在采用纯水作为冷却介质的换流站电动三通阀设置最小开度。除此之外，在电动三通阀前后设置旁路，保证总有部分流量的冷却水进人外风冷系统,进一步提高了外风冷系统的防冻能力。
六、总结
阀冷设备安装施工准备很重要，工程前期应认真核对设计(尤其是土建卷册)图纸与厂家图纸，提早发现设计图纸中的问题。对照图纸做好土建交接安装工作，空冷支架设备基础轴线及预埋钢板平整度、冷却塔轴线、水管通道基础水平度、标高及深度是否满足设计要求。在对水冷设备管道安装中，需细心且耐心，先挑出不同位置管道，再循序做好对接工作。
论文作者:张海鹏
论文发表刊物:《电力设备》2016年第13期
论文发表时间:2016/10/10
标签：水冷论文; 系统论文; 管道论文; 冷却水论文; 回路论文; 设备论文; 南京论文; 《电力设备》2016年第13期论文;