直流输电换流阀冷却系统的仿真优化

时间：2023-06-27 理论教育 版权反馈

【摘要】：换流阀模块将阻尼回路的阻尼电阻和取能回路的取能电阻整合在一个冷却水腔，这样降低了漏水概率，提高了可靠性。图5－23 换流阀管路系统通过分析，最远端和最近端的流量分别为0.2883 m／h和0.284m3／h，如图5－24、图5－25所示。

直流输电换流阀冷却系统的仿真优化

1.换流阀冷却系统的Flowmaster软件模拟案例

采用Flowmaster软件可以对换流阀冷却系统的能量传输和液体流动变化进行稳态和动态分析和模拟。

从工艺流程图（见图4－2）中可以看出，主机包括循环主泵、过滤器、刚性管、弹性管、球阀、蝶阀、换热设备等元件。将其在Flowmaster中进行建模，过滤器选择阻力元件来表示，换流阀用换热器来表示，外冷水进出口接入一个水箱来表示冷却塔，其余均采用软件自带的元件，模型图如图5－15所示。

图5－15 换流阀内冷系统水机模拟模型

根据设计方案，对元器件的参数进行设置，根据不同的测试要求选择不同的仿真状态一般选择不可压缩稳态（Incompressible Steady State）和瞬态（Incompressible Transient）模式，如果需要查看其换热状态则可以选择传热稳态（Heat Transfer Steady State）模式。在软件界面输入以下值。

（1）主循环泵

（2）球阀和蝶阀

（3）单向阀

（4）过滤器（阻力元件

（5）冷却塔（水箱）

（6）稳压罐（水箱）

（7）管道

（8）发热装置（换热器)

由于对系统进行了简化，因此对其补水系统需要进行元件代替，根据设计要求，整个系统的额定流量为273 m3／h，因此可以将补水系统设置成一个流量边界，其参数设置如下：　　　　Volumetric Flow Rate：0.0811 m3／s

为了保证系统的压力保持稳定，需要设置压力边界来稳压，将压力边界设置在换热器处，根据设计要求，系统的额定压力为0.6 MPa，因此压力边界的参数设置如下：Total Pres-sure：6bar。

设置完成后运行仿真模型，可以得到相关元件的参数，例如管道流量、流体的流速、功率、效率等均可直接得到。例如水泵进出口管道内的参数如图5－16所示，过滤器的参数如图5－17所示。

根据仿真计算结果还可以得出两个不同变量之间的曲线关系，如速度－流量曲线、压

图5－16 水泵进出口管道内的参数

图5－17 过滤器（阻力元件）内的参数

力－流量曲线等，如图5－18所示

图5－18 管道的速度－流量曲线(www.daowen.com)

考虑此系统水泵采用一用一备，168 h切换一次，在切换的时候很难避免出现瞬态水锤现象，影响管路的正常运行，因此需要模拟水泵在切换过程时管路的状态，对稳态模型进行修改，添加PID控制表，如图5－19所示。

图5－19 换流阀内冷系统水机模拟模型（可切换）

PID表采用脚本文件Scripts进行编程，参数设置如下：水泵1的Scripts文件：

水泵2的Scripts文件：

按照此脚本设置可以实现水泵的一次切换，进而可以分别观察两台水泵切换前后管道压力情况，结果如图5－20所示。

由图5－20可知，在水泵切换的过程中，管道在切换的瞬间会发生较大的压力波动，但是数值不大，说明此设计较为合理。

2.换流阀冷却系统的PipeFlow软件模拟计算案例

采用PipeFlow软件可以对换流阀冷却系统的液体流动变化进行稳态分析和模拟，因此比Flowmaster简单。

图5－20 水泵切换时其出口管路的压力变化图

以图5－21所示阀塔结构图为例［131］。该例为锦屏苏南±800 kV特高压直流换流阀，单个阀组件采用9级晶间管，二重阎塔共包含4个网层、8个模块，每个模块保护4个彼此绝缘的屏蔽罩，阀塔顶部和底部分别设有顶、底屏蔽罩［132］。换流阀模块将阻尼回路的阻尼电阻和取能回路的取能电阻整合在一个冷却水腔，这样降低了漏水概率，提高了可靠性。

每个换流阀串联晶闸管级数为m（包括冗余晶闸管），换流站有n个单阀，则晶闸管总数为m×n。由于换流阀的晶闸管众多，每一个晶闸管均有一个水冷板散热，众多的水冷板有可能使得管路的水路不均匀。这样可以采用PipeFlow计算最远端和最近段的流量、压差在阻力设计时，可以把晶闸管水冷散热器和水电阻的水阻看成为一个阻力元件。根据实验提供的数据通过其拟合阻力曲线（见图5－22）输入到PipeFlow文件，并保存。

在PipeFlow界面上建模，把4组并联水路，每组包括12个并联水路。换流阀管路系统