直流输电换流站防冻棚热设计及其工程应用

冷明全，文玉良，吴安兵，周建辉，刘重强

(1. 广东工业大学 材料与能源学院, 广东广州510643；2. 广州高澜节能技术股份有限公司，广东广州510663; 3. 国网智能电网研究院，北京102209)

直流输电换流站防冻棚热设计及其工程应用

冷明全1,2，文玉良2，吴安兵2，周建辉3，刘重强2

(1. 广东工业大学 材料与能源学院, 广东广州510643；2. 广州高澜节能技术股份有限公司，广东广州510663; 3. 国网智能电网研究院，北京102209)

对某特高压直流输电换流站外冷防冻棚结构设计进行了研究，介绍了防冻棚总体设计及外形设计方案，通过对防冻棚载荷及钢结构设计进行分析，提出了换流站防冻棚设计优化措施；通过对空冷器外部空气流动传热特性进行CFD仿真分析，得到了不同风速及防冻棚高度下的热风回流率，并通过进行成本分析和热设计校核分析，发现安装防冻棚后可有效防止热风回流，使低端阀组空冷器进风温度降低3 ℃，并最终确定防冻棚最优设计高度为6 m。

特高压换流站；防冻棚；结构设计；热设计

0 引言

对于西北、东北、华北地区，±800 kV及以上特高压直流换流站阀外冷系统采用空冷为主，夏季闭式蒸发冷却塔辅助水冷的布置方案。我国西北地区自然环境恶劣，温差大、风沙强，冬季温度控制不当极易导致外冷设备阀门渗漏、管道破裂，严重时将导致直流输电系统长时间停运，如何提高外冷系统的防冻能力成为换流站运行维护中面临的一个新的重要课题[1-4]。尽管国内已有相关设计人员对阀厅及哈密南±800 kV换流站换流阀外冷采用了空冷器保温室的结构设计进行相关研究[5-8]，但在实际运行中，保温室出现了过热问题，夏季高温季节防冻棚与阀厅之间局部温度过高，使阀外冷系统冷却效果大大降低。经分析，这部分高温空气位于空冷器出口附近，因此又由风机吸回了空冷器入口，出现“热风回流”现象。

本文针对上述出现的热风回流问题进行分析和模拟，首先对防冻棚在不同自然风速及防冻棚高度条件下热风循环特性进行模拟分析并确定了防冻棚最优高度，并对防冻棚最优高度进行热设计校核分析，其次在此基础上进行了防冻棚总体设计包括外形设计、载荷设计分析和钢结构设计分析等，最后提出防冻棚结构设计优化措施。设计了换流阀辅助(空冷)系统一体化外冷防热风循环及保温结构(以下简称防冻棚)。

1 防冻棚防热风循环仿真分析

1.1 回流率

防冻棚防热风循环效果好坏主要以回流率来评价，回流率定义为空冷器进风中所含有的由空冷器排出又重新吸入空冷器进口的空气质量流量与空冷器入口处的总质量流量的比值。对电站空冷器已有研究表明：环境风速越高，空冷器迎面风速越小；回流率随环境风速的增加先增加后降低[9-12]，空冷器高度一定时，风速是影响机组背压主要因素之一[13]。

1.2 防冻棚物理数学模型

1.2.1 物理模型

图1为靠近控制楼侧空冷器的热风循环示例，空冷器出来的热风由于受到周围建筑物的阻挡，导致部分热风回流至空冷器的进风处，进而导致进风温度升高，降低了空冷器的换热效率。

图1 空冷器热风回流示意图

根据图1，将空冷器、防冻棚和控制楼建成如图2的二维仿真模型。

图2 防热风循环二维模型图

1.2.2 结果分析

图3为不同风速、不同防冻棚高度与回流率的变化关系。

图3 不同高度的空气回流率

由图3可得：

(1)防冻棚高度一定，热风回流率随着环境风速的增加不断下降，而且下降趋势是逐渐变缓，环境风速一定，热风回流率随着防冻棚的增加不断降低。

(2)当环境风速为0.5 m/s，防冻棚高度2 m时，热风回流率为0.31；当防冻棚高度为6 m时，热风回流率为0.019，说明防冻棚的存在能大大减弱热风回流。如图4所示。

图4 防冻棚高度影响回流率

2 防冻棚总体设计

当防冻棚的高度确定后，可以进行防冻棚的整体设计。防冻棚由不锈钢卷帘模块(含保温层)、夹心彩钢板维护结构、不锈钢卷帘模块驱动装置、钢结构、检修电源箱及照明、管道保温结构等组成。

2.1 总体设计说明

(1)考虑与空气冷却器整体设计，外形上融为一体、不增加外冷的占地面积。

(2)载荷考虑重力载荷、地震作用(地震设防烈度为8度，按9度构造措施设计)、风载荷、雪载荷、偏心载荷、局部载荷、冲击载荷、温差应力和其他机械载荷。

(3)防冻棚框架采用Q235B钢制成，主要受力构件应为D级钢材，其他不低于B级，采用碱性焊条。钢结构之间的连接用螺栓采用热浸锌高强螺栓，腐蚀裕量的最小值为3 mm。

2.2 防冻棚外形结构方案对比分析

考虑目前防冻棚设计存在的问题，本文共提出2种防冻棚外形结构方案，如图5、图6所示。

图5 方案1 防冻棚外形设计

图6 方案2 防冻棚外形设计

(1)方案1：空冷器外缘支撑柱设计在最外侧，作为防冻棚的主要支撑，冷却塔不在防冻棚内。

(2)方案2：空冷器外缘支撑柱设计在最外侧，作为防冻棚的主要支撑，为避免冷却塔盘管在冬季结冻，冷却塔放置在防冻棚内。

2种方案的对比分析如表1所示。

表1 2种防冻棚外形设计方案对比分析

通过表1对比分析，方案2防冻棚外形设计最优并满足实际工程需要。

3 防冻棚结构设计及校核分析

3.1 防冻棚最优高度校核分析

3.1.1 防冻棚三维分析模型

(1)将控制楼、阀厅、空气冷却器、防冻棚和换流变防火墙抽象出立方体的几何模型。

(2)假定空气冷却器平面高度一定，并均匀分布在同一高度的防冻棚内，换热功率为额定冷却功率。

(3)防冻棚总高度为12.398 m，净高度为6 m。

(4)空冷器的风速，每组空冷器62.47 kg/s，进风温度(环境温度)为38 ℃，出风温度为44.5 ℃，风速为6.02 m/s，共8组。

(5)加上防冻棚以后，防冻棚总高度达到了12 m，已经超过了换流变防火墙的高度，因此只考虑吹向控制楼方向的风向。

3.1.2 结果分析

图7、图8为换流站高端室外空气冷却器安装防热风循环装置后四周速度分布及温度分布。

图7 防热风循环与阀厅流速矢量分布图

图7中箭头代表速度运动矢量方向，可知自然风吹过空冷器后，一部分自然风被控制楼挡住后向两侧流动，由于防冻棚存在，热风回流现象不明显。

由图8、图9可知：热风循环跟空冷器的摆放位置相关，低端阀组空冷器处于热风循环区时，不加防冻棚的空冷器受热风循环影响较大，进风温度高于环境温度约3 ℃；高端阀组处于热风循环区时，不加防冻棚的空冷器受热风循环影响较小，进风温度高于环境温度约1.5 ℃。加上防冻棚以后，进风温度与环境温度相差不大，未形成热风循环。

图8 增加防冻棚前后空冷器与控制楼之间环境温度比较

图9 靠近控制楼处增加防冻棚前后的温度比较

3.2 防冻棚载荷设计

3.2.1 设计风速及风压

根据盐池气象站共 55 年历年最大风速资料系列，并将1970 年之前的定时最大风速换算为自记最大风速，然后采用极值Ⅰ型法统计计算为：50年一遇10 m高10 min 平均最大风速为25.4 m/s；100年一遇10 m高10 min平均最大设计风速为27.2 m/s。按照《电力工程气象勘测技术规程》DL/T5158—2012，将气象站风速乘以1.05 的系数作为换流站设计风速，即50年一遇10 m 高10 min 平均最大风速为26.7 m/s；100年一遇10 m 高10 min 平均最大设计风速为28.6 m/s。

3.2.2 设计积雪深度及雪压

根据盐池气象站共57 年历年最大积雪深度，采用极值Ⅰ型法统计计算，50年一遇最大积雪深度为12.6 cm，相应雪压为0.15 kN/m2。根据建筑结构荷载规范的要求，盐池50年一遇雪压为0.30 kN/m2，最终确定换流站50年一遇雪压采用0.30 kN/m2。

3.3 防冻棚钢结构设计

根据初步设计校核计算，结构设计采用单层钢框架结构：主梁HW450×200；次梁HW200×200；屋面水平支撑L75×5；钢柱HW350×350；空冷平台梁HW150×150；空冷平台柱HW175×175。每套空冷器的运行重量均匀加载在空冷器安装位置的H 型钢部分。卷帘门重量均匀加载在安装梁H 钢200×200 上。

根据计算分析模型进行检验，检验结果表明，结构能够满足承载力计算要求，应力比最大值为0.89，如图10所示。图11为总体应力比分布图。

图10 防冻棚总体应力设计验算

图11 应力比显示

4 防冻棚设计优化措施

与以往工程相比，本工程采取了以下措施来优化防冻棚的设计：

(1)空冷器与防冻棚采用一体化设计，外观为一个整体，空冷器钢结构与防冻棚钢结构受力分开，互不影响，避免产生共振效应。

(2)通过空冷器四周增加压型钢板墙面，减少空冷器出风受建筑影响回流的热风循环情况，提高了空冷器在夏天高温下的换热效果。

(3)增加了空冷器进风高度，进风处仅有防冻棚和空冷器钢构立柱。进风面积基本等于空冷器平面面积，大于一般设计值(0.7倍平面面积)。通风效果好，未因增加了防冻棚而影响空冷器进风。

(4)空冷器正下方的混凝土地面整体高出室外地坪，防止风沙进入空冷器正下方，减少风沙被空冷器吸入影响翅片换热。

(5)屋顶电机改为平卧式，占用空间小，相应屋面检修走道标高降低，检修平台及走道未完全突出顶部。

(6)增加卷帘门的镶入深度，加强卷帘门导轨强度及其固定强度，采用硅胶密封材质，减少单个卷帘门的跨度，消除了异响。

5 结论

防热风循环及保温结构能满足在室外100年一遇的最大风速和最大降雪条件下，结构能够保持强度稳定，长期运行可靠。防冻棚充分吸取了以往工程的应用经验，利用空气冷却器与防冻棚一体化设计，通过热仿真模拟及成本分析确定防冻棚最优设计高度为6 m，通过热设计校核分析，发现安装防冻棚后可有效防止热风回流，使低端阀组空冷器进风温度降低3 ℃，在环境温度较高时期提高了空冷器的换热效率，保障了外冷设备运行可靠性。通过热校核分析、载荷分析及结构分析，该站防冻棚的结构设计合理、减小了防冻棚占地面积，能够满足外冷设备的运行要求和防冻要求。

[1]付纪华,刘军,孙海涛，等. 换流站阀冷却外风冷系统防冻设计策略及现场应急处理[J]. 陕西电力,2013,41(1):79-82.

[2]张健，何世洋，孙三祥，等. 适合严寒地区直流换流站外冷却系统的研究[J].电力科技与环保，2014,30(4):53-55.

[3]姜海波, 翟宾, 贺新征,等. 高压直流输电换流阀冷却系统可靠性评估[J]. 电力安全技术, 2014, 16(5):60-63.

[4]黄晨. 换流站阀水冷系统保护分析及优化[D]. 广州：华南理工大学, 2015.

[5]李慧. ±800kV普洱换流站阀厅通风及空调设计研究[J]. 科技创新与应用, 2016(13):261-261.

[6]张熠, 魏志强, 黄黎琴. 大容量柔性直流换流站大跨度重型屋盖阀厅钢结构设计研究[J]. 福建建筑, 2016(8):50-53.

[7]余萍, 刘林超. 换流站阀厅结构抗震性能的 ANSYS计算机仿真分析[J]. 水利与建筑工程学报, 2014,12(4):196-199.

[8]张玉明,应捷,常伟,等. 哈密南±800kV换流站换流区域建构筑物结构设计[J]. 中国电力,2014,47(10):7-14.

[9]肖烈晖, 杜小泽, 杨立军,等. 环境风作用下2×1000MW直接空冷机组空冷岛布局[J]. 电力建设, 2015, 36(6):7-13.

[10]严俊杰，张春雨，李秀云，等.直接空冷系统变工况特性的理论研究[J]. 热能动力工程，2000,15(90)：601-603.

[11]贾宝荣，杨立军,杜小泽，等. 不同风向条件下空冷岛运行特性的数值模拟[J].现代电力，2009,26(3)：71-75.

[12]杨立军,杜小泽,杨勇平. 风场影响下直接空冷系统热风回流率的空间分布特性[J]. 工程热物理学报,2011,32(7)：1181-1184.

[13]吕玉坤, 王宁. 环境风对直接空冷机组性能的影响[J]. 华北电力技术, 2015(2):55-59.

HVDC Converter Station Anti-freezing Building Design and Project Application

LENG Mingquan1,2, WEN Yuliang2, WU Anbing2, ZHOU Jianhui3,LIU Chongqiang2

(1. School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510643,China; 2. Guangzhou Gaoland Energy Conservation Tech.Co.Ltd., Guangzhou 510663,China;3. State Grid Smart Grid Research Institute, Beijing 102209,China)

The structure design for a cold freezing shed of a HVDC converter station was studied and optimization measures were put forward as well. The hot air recirculation rates under different air speeds and different heights of the anti-freezing shed were achieved via analysis of the outside air heat transfer characteristics of the air cooler using CFD simulation. Through cost analysis and thermal design analysis, the fact that the installation of antifreeze can effectively prevent shed after reflow is found, and the inlet air temperature of the low-end valve group air cooler drops by 3 ℃. The optimal design height of the anti-freezing shed is determined with the value 6 m eventually.

HVDC converter station; anti-freezing building; structural design; thermal design

2016-08-08。

广州市科技计划项目(201508030019)。

冷明全(1971-)，男，硕士研究生，主要研究方向为高压直流输电换流阀冷却设备研究，E-mail：lengmq@ goaland.com.cn。

TM621

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.12.012