一种海上柔性直流输电换流站防冻水冷系统和方法与流程

1.本发明涉及一种海上柔性直流输电换流站防冻水冷系统和方法，属于直流输电领域，特别涉及海上柔性直流输电换流站的水冷设备。


背景技术：

2.随着海上作业的用电量不断增加，以及对海洋深度开发，从陆地上对海上平台进行输电已经不能满足海上作业的需求，故海上的输电换流站应运而生。柔性直流输电以其可以实现换流阀的自我关断与开通、对受端电网短路容量没有要求，无换相失败问题和控制灵活等优点，广泛用于海上的输电换流站。
3.目前，从世界范围看，海上柔性直流输电换流站主要集中在欧洲北海地区，该地区在冬季气温普遍在零摄氏度以下，从而导致海上柔性直流输电换流站的冷却系统中的管道结冻，以及冷却水温度较低，并可能在管道表面发生凝露，从而对换流站的运行造成重大的安全隐患。从我国的实际情况看，海上柔性直流输电换流站在冬季时也存在环境温度降至零度以下的问题。故水冷系统不仅要考虑满足最高温情况下散热设备的最大散热容量，还需要保证低温、低负荷下，水冷系统和管道不产生结冻、凝露等现象，对设备产生损坏或者影响系统的正常运行。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种海上柔性直流输电换流站防冻水冷系统和方法，其能预防水冷系统外部管道结冻，并提高了水冷系统和被冷却部件运行的可靠性。
5.为了实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种海上柔性直流输电换流站防冻水冷系统，包括：海水循环模块、淡水循环模块、阀冷循环模块、第一换热器和第二换热器；海水循环模块通过第一换热器与淡水循环模块连接；淡水循环模块通过第二换热器与阀冷循环模块连接；海水循环模块中海水经过海水泵流入第一换流器，经过换热后流入海中，在海水泵和第一换热器之间的管路上设置泄水孔；淡水循环模块包括连接第一换热器和第二换热器的循环管路，在第一换热器的旁侧设置一与其并联的旁通阀；阀冷循环模块包括与第二换热器的输出端连接的换流阀组件和三通阀，换流阀组件与三通阀的一端连接，三通阀的另一端与第二换热器的输入端连接，三通阀的第三端连接换流阀组件和第二换热器的输出端之间的管路；通过调整泄水孔、旁通阀和三通阀的开度控制水冷系统中冷却水的温度。
6.进一步，海水循环模块还包括海水过滤器，用于过滤海水中的杂质，海水过滤器设置在泄水孔和第一换热器的输入端之间。
7.进一步，阀冷循环模块中还包括脱气罐，脱气罐设置在换流阀组件和三通阀之间，脱气罐中设置加热器，用于对管道中的冷却水进行加热。
8.进一步，换流阀组件和第二换热器的输出端之间的管路上还设置有过滤器，三通阀的第三端与过滤器的输入端连接。
9.进一步，三通阀为两个，两个三通阀并联，过滤器为两个，两个过滤器并联。
10.进一步，换流阀组件和第二换热器的输出端之间的管路上敷设伴热保温层。
11.进一步，伴热保温层包括导电母线、导电聚合物、绝缘层、屏蔽层和防护外护套，导电母线为最内层，其外层敷设导电聚合物，导电聚合物外层敷设绝缘层，绝缘层外敷设屏蔽层，屏蔽层外设置防护外护套。
12.本发明还公开了一种海上柔性直流输电换流站防冻水冷方法，采用上述任一项的海上柔性直流输电换流站防冻水冷系统，包括：若海水温度低于设定值，逐一停止正在运行的海水泵，并测试阀内冷却水温度，如保持稳定则不再继续停运海水泵，待海水温度正常后，恢复已经停运的海水泵；若海水泵只剩最后一台运行，但阀内冷却水温度仍然低于设定值，则开启旁通阀，调节淡水循环模块流经第一散热器的流量；若旁通阀已全部开启，但阀内冷却水温度仍然低于设定值，则调节三通阀，以调节管道中水温；若三通阀全部关闭，阀内冷却水温度仍然低于设定值，则开启加热器，对管道中的冷却水进行加热；若加热器已经达到最大功率，阀内冷却水温度仍然低于设定值，启动管路上敷设的伴热保温层，确保阀内循环水温高于凝露温度。
13.进一步，当换流阀停运时，海水泵全部停运，泄水孔自动启用，排空全部管道内海水；淡水循环模块保持运行，旁通阀关闭；阀冷循环模块保持运行，调节三通阀、加热器和伴热保温层，使阀内循环水温高于凝露温度。
14.进一步，三通阀的控制方法为：冷却水进阀温度在高温段时，三通阀执行全开状态，保证全部冷却水通过第二换热器；冷却水进阀温度在中温段时，三通阀的阀门开度由plc控制，通过控制三通阀的阀门开度大小来调节淡水循环模块和阀冷循环模块的流量比例，使冷却水进阀温度保持在20℃～25℃之间；冷却水进阀温度在低温段时，使三通阀处于关闭状态。
15.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明中方案能够有效预防水冷系统外部管道结冻；能够控制三循环水冷系统介质运行在最佳温度区间，能够提高水冷系统和被冷却部件运行的可靠性。
附图说明
16.图1是本发明一实施例中海上柔性直流输电换流站防冻水冷系统的结构示意图；
17.图2是本发明一实施例中阀内循环模块的结构示意图；
18.图3是本发明一实施例中伴热保温层的结构示意图。
19.附图标记：
20.1-海水循环模块；2-淡水循环模块；3-阀冷循环模块；4-海水泵；5-泄水孔；6-旁通阀；7-第一水泵；8-过滤器；9-换流阀组件；10-脱气罐；11-第二水泵；12-三通阀；13-加热器；14-伴热保温层；141-导电母线；142-导电聚合物；143-绝缘层；144-屏蔽层；145-防护外护套。
具体实施方式
21.为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应
该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
22.为了克服现有技术中海上柔性直流输电换流站水冷系统管道容易结冻，以及冷却水温度较低，可能在管道表面发生凝露的技术问题，提出了一种海上柔性直流输电换流站防冻水冷系统和方法，其通过在海水循环模块中设置泄水孔，在淡水循环模块中设置旁通阀，在阀内循环模块中设置三通阀、加热器13和伴热保温层14，对整个水冷系统中冷却水的温度进行调节，使其能够在最佳的温度内工作，防止温度过低导致的管道结冻，或管道表面发生凝露的问题，有效提高了水冷系统和被冷却部件运行的可靠性。下面结合附图，通过实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。
23.实施例一
24.图1是本实施例中海上柔性直流输电换流站防冻水冷系统的结构示意图，如图1所示，该海上柔性直流输电换流站防冻水冷系统，包括：海水循环模块1、淡水循环模块2、阀冷循环模块3、第一换热器和第二换热器；海水循环模块1通过第一换热器与淡水循环模块2连接；淡水循环模块2通过第二换热器与阀冷循环模块3连接。本实施例中，第一换热器和第二换热器均为板式换热器，但也可以根据需要选择其他类型的换热器，不以此为限。
25.其中，海水循环模块1中海水经过海水泵4流入海水循环管路中，经过海水过滤器，用于过滤海水中的杂质，避免管道堵塞。海水进入第一换流器，在第一换流器中经过换流后，吸收阀组产生的热量，从第一换流器的输出端的管路流回到大海中。在海水泵4和第一换热器之间的管路上设置泄水孔5，当换流阀停运时，海水泵4全部停运，泄水孔5自动启用，排空全部管道内海水，提高水冷系统中冷却水温度。泄水孔5有可能被泥沙堵塞，可以增大泄水孔5的孔径，或者在泄水孔5位置设置滤网。
26.本实施例中，海水泵4为多个，按照n+1冗余配置，即包括n+1个海水泵4，其中n个海水泵4投入使用，1个海水泵4备用。当检测到环境温度过冷时，检测水冷系统中冷却水温度，若冷却水温度过低，则减少海水泵4运行数量，降低海水循环系统流经第一换热器的流量，减少系统散热，提高冷却水循环温度，直至冷却水温度不再下降。
27.淡水循环模块2包括连接第一换热器和第二换热器的循环管路，在第一换热器的旁侧设置一与其并联的旁通阀6，用于在所有海水泵4都已经停运，但阀内冷却水温度仍然持续降低时，调节淡水循环模块2流经第一散热器的流量，降低系统散热量，提高淡水循环水温。在第一换热器和第二换热器之间的管路上设置第一水泵7，为冷却水流动提供动力。
28.图2是本实施例中阀内循环模块的结构示意图，如图2所示，阀冷循环模块3包括与第二换热器的输出端连接的过滤器8、换流阀组件9、脱气罐10、第二水泵11和三通阀12，冷却水经由第二换流阀的输出端依次进入过滤器8、换流阀组件9、脱气罐10和第二水泵11，经过三通阀12进入第二换流阀的输入端，形成一个循环回路。换流阀组件9与三通阀12的一端连接，三通阀12的另一端与第二换热器的输入端连接，三通阀12的第三端连接换流阀组件9和第二换热器的输出端之间的管路。三通阀12的控制方法为：冷却水进阀温度处于中温段时，通过开/关电动三通阀12改变冷却介质流经室外热交换器流量，从而改变系统散热量，最终使冷却水进阀温度稳定在电动三通阀12工作温度范围内。
29.冷却水进阀温度高于25℃时，三通阀12执行全开状态，保证全部冷却水通过第二换热器；冷却水进阀温度在20℃～25℃时，三通阀12的阀门开度由plc控制，通过控制三通
阀12的阀门开度大小来调节淡水循环模块和阀冷循环模块的流量比例，使冷却水进阀温度保持在20℃～25℃之间；冷却水进阀温度低于20℃时，三通阀12处于关闭状态。三通阀12的开闭通过plc控制器找那个设定的温度工作范围决定，其采用脉冲式信号进行开闭，当三通阀12发生故障时，发出报警信号，并启动备用的三通阀12。
30.脱气罐10中设置加热器13，用于对管道中的冷却水进行加热。冷却水温度下降至加热器13启动设定值时或接近露点时，启动加热器13，防止冷却水进阀温度过低导致沿程管路及被冷却器件损伤、凝露。
31.换流阀组件9和第二换热器的输出端之间的管路上敷设伴热保温层14，尤其是在过滤器8到换流阀组件9之间的管路上敷设伴热保温层14。伴热保温层14可在环境温度较低时，通过控制系统启动电加热，优选采用自限温电热带，其结构如图3所示，包括两根平行的导电母线141、导电聚合物142、绝缘层143、屏蔽层144和防护外护套145，导电母线141为最内层，其外层敷设导电聚合物142，导电聚合物142外层敷设绝缘层143，绝缘层143外敷设屏蔽层144，屏蔽层144外设置防护外护套145。导电聚合物142具有很高的正温度系数特性，即ptc特性，能随被加热体系的温度变化自动调节输出功率，自动限制加热的温度。其允许多次交叉重叠而无高温热点及烧毁之虑。自限温加热电缆具有以下优点：自限温电热带具有自动输出功率，不会自身发热温度过高而产生烧毁现象，在低温时，可以快速启动，温度均匀，每一局部皆可因其被伴热处的温度变化自动调节；安装简便、维护简单、全天服务、自动化水平高、运行及维护费用低，无污染，使用寿命长。
32.其中，过滤器8、第二水泵11和三通阀12均设置了两组，两组之间并联，一组投入使用，另一组备用，以便在一组设备发生故障时，系统仍然可以正常运转。
33.实施例二
34.基于相同的发明构思，本实施例公开了一种海上柔性直流输电换流站防冻水冷方法，采用上述任一项的海上柔性直流输电换流站防冻水冷系统，包括：
35.在正常运行时，若海水温度低于设定值，逐一停止正在运行的海水泵4，并测试阀内冷却水温度，如保持稳定则不再继续停运海水泵4，待海水温度正常后，恢复已经停运的海水泵4；
36.若海水泵4只剩最后一台运行，但阀内冷却水温度仍然低于设定值，则开启旁通阀6，调节淡水循环模块2流经第一散热器的流量；
37.若旁通阀6已全部开启，使得一半流量的冷却水不经过第一换热器，但阀内冷却水温度仍然低于设定值，则调节三通阀12，以调节管道中水温；
38.若三通阀12全部关闭，阀内冷却水温度仍然低于设定值，则开启加热器13，对管道中的冷却水进行加热；
39.若加热器13已经达到最大功率，阀内冷却水温度仍然仍然低于设定值，启动管路上敷设的伴热保温层14，确保阀内循环水温高于凝露温度。
40.当换流阀停运时，海水泵4全部停运，泄水孔5自动启用，排空全部管道内海水，防止低温海水使管路冻结；淡水循环模块2保持运行，旁通阀6关闭；阀冷循环模块3保持运行，调节三通阀12、加热器13和伴热保温层14，使阀内循环水温高于凝露温度。调节三通阀12、加热器13和伴热保温层14的方法与正常运行时相同，此处不再赘述。
41.三通阀12的控制方法为：冷却水进阀温度在高温段时，三通阀12执行全开状态，保
证全部冷却水通过第二换热器；冷却水进阀温度在中温段时，三通阀12的阀门开度由plc控制，通过控制三通阀12的阀门开度大小来调节淡水循环模块和阀冷循环模块的流量比例，使冷却水进阀温度保持在20℃～25℃之间；冷却水进阀温度在低温段时，三通阀12处于关闭状态。
42.其中，高温段是指高于或接近室温的情况，本实施例中选择高于25℃为高温段，室温具体温度可以根据环境温度和季节进行调整，不以此为限；中温段是指高温段和低温段之间的过渡温度段，本实施例中优选为20℃-25℃，低温段是指存在冻结和凝露风险的温度段，本实施例中优选为20℃以下。
43.进阀温度下降至加热器13启动设定值时或接近露点时，启动加热器13，防止冷却水进阀温度过低导致沿程管路及被冷却器件损伤凝露。
44.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。