电气技术

序号	参数	数值	备注
1	调相机冷却容量/kW	4 200	单台参数
2	调相机水流量/(m³/h)	600	单台参数
3	湿球温度/℃	26.7
4	极端最高气温/℃	41.2
5	极端最低气温/℃	-16.9

序号	参数	数值	备注
1	调相机冷却容量/kW	4 200	单台参数
2	调相机水流量/(m³/h)	600	单台参数
3	湿球温度/℃	26.7
4	极端最高气温/℃	41.2
5	极端最低气温/℃	-16.9

项目	开式外冷水系统	闭式外冷水系统
换热设备形式	开式冷却塔	闭式冷却塔	干湿联合
换热效果	换热效率高，能效比高	换热效果好	换热效果好
占地面积	占地面积小	占地面积小	占地面积大
耗水量/（万t/年）	约10.7	约11	约2.88
水费/万元	52.2	54	14
基建价格（两台机）/万元	1 000	1 800	2 400
运检费用（含检修、药剂）/（万/年）	70	50	50
优点	成本低	换热效率高、不容易结垢	节约水
缺点	藻类滋生、腐蚀结垢	成本高	占地面积大，成本高

项目	开式外冷水系统	闭式外冷水系统
换热设备形式	开式冷却塔	闭式冷却塔	干湿联合
换热效果	换热效率高，能效比高	换热效果好	换热效果好
占地面积	占地面积小	占地面积小	占地面积大
耗水量/（万t/年）	约10.7	约11	约2.88
水费/万元	52.2	54	14
基建价格（两台机）/万元	1 000	1 800	2 400
运检费用（含检修、药剂）/（万/年）	70	50	50
优点	成本低	换热效率高、不容易结垢	节约水
缺点	藻类滋生、腐蚀结垢	成本高	占地面积大，成本高

项目	工况1	工况2	工况3
工况说明	3台运行	2台运行，1台故障（不关闭阀门）	2台运行，1台故障（关闭阀门）
冷却容量/kW	8 400
单台塔处理水量/(m³/h)	413.3	413.3	600.0
冷却塔出水温度/℃	32.45	36.83	34.46
冷却塔进水温度/℃	45

项目	工况1	工况2	工况3
工况说明	3台运行	2台运行，1台故障（不关闭阀门）	2台运行，1台故障（关闭阀门）
冷却容量/kW	8 400
单台塔处理水量/(m³/h)	413.3	413.3	600.0
冷却塔出水温度/℃	32.45	36.83	34.46
冷却塔进水温度/℃	45

泵1运行	泵2运行	泵3运行	运行模式编码
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	2
0	1	1	3
1	0	0	4
1	0	1	5
1	1	0	6
1	1	1	7

泵1运行	泵2运行	泵3运行	运行模式编码
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0	1	1	3
1	0	0	4
1	0	1	5
1	1	0	6
1	1	1	7

某换流站调相机外冷水系统的设计

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张辉亮 , 王小飞 , 赵盛国 , 谢小冬 , 吕浩萌

电气技术 | 研究与开发 2025,26(1): 45-50

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电气技术 | 研究与开发 2025, 26(1): 45-50

某换流站调相机外冷水系统的设计

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张辉亮, 王小飞, 赵盛国, 谢小冬, 吕浩萌

作者信息

常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州 213025

张辉亮（1985—），男，陕西咸阳人，硕士，高级工程师，从事电力电子设备冷却系统研究工作。

Design of the external water cooling system for the phase modulator in a converter station

Huiliang ZHANG, Xiaofei WANG, Shengguo ZHAO, Xiaodong XIE, Haomeng LÜ

Affiliations

NR Electric Power Electronics Co., Ltd, Changzhou, Jiangsu 213025

出版时间: 2025-01-15

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摘要

收起

本文分别从换热效果、占地面积、耗水量、成本等方面对比闭式水冷却系统和开式水冷却系统的优缺点，结合某换流站加装调相机的换热容量、站址环境条件、调相机换热器入口温度等需求，并综合考虑经济投入和运维方面的因素，最终确定该换流站调相机外冷水系统采用开式循环水冷却的方案，并给出调相机外冷水系统的具体设计方案，以期为后续工程调相机外冷水系统的选择和设计提供参考。

关键词

调相机 / 外冷系统 / 闭式水冷却系统 / 开式水冷却系统

Abstract

收起

This paper compares the advantages and disadvantages of closed water cooling systems and open water cooling systems in terms of heat transfer efficiency, footprint, water consumption, and cost. The heat transfer capacity, site environmental conditions, inlet temperature of the phase modulator heat exchanger, and other requirements are taken into account for installing a phase modulator at a certain converter station, as well as the economic investment and operational factors. It is ultimately determined that the external water cooling system for the phase modulator at the converter station adopts an open water cooling scheme. The design scheme of external cooling system for the phase modulator is given in this paper, hoping to provide reference for the selection and design of the external cooling system for phase modulator in subsequent projects.

Key words

phase modulator / external cooling system / closed water cooling system / open water cooling system

引用本文

张辉亮, 王小飞, 赵盛国, 谢小冬, 吕浩萌. 某换流站调相机外冷水系统的设计. 电气技术, 2025 , 26 (1) : 45 -50 .

Huiliang ZHANG, Xiaofei WANG, Shengguo ZHAO, Xiaodong XIE, Haomeng LÜ. Design of the external water cooling system for the phase modulator in a converter station[J]. Electrical Engineering, 2025 , 26 (1) : 45 -50 .

正文

收起

0 引言

收起

新一代调相机一般指额定容量为300Mvar且采用隐极机的调相机^[1-2]，在特高压直流电网中具有不可替代的作用，能减少直流换相失败状况的发生^[3-4]。相比于传统调相机，新一代调相机具有动态特性好、安全可靠性高、运行维护方便等优点^[5]，可为电网提供充足的无功支撑，保障其安全稳定运行^[6]。

调相机在正常运行中会产生大量热量，若这些热量不能及时散发出去，轻则导致设备故障，重则导致调相机系统烧毁，造成不可挽回的后果。因此，设计兼顾经济性和可靠性的外冷水系统，成为保证调相机安全稳定运行的关键。

本文通过分析调相机外冷水系统的不同方案，结合某换流站站址环境条件、水源条件、调相机运行水温需求、经济性等因素，确定调相机外冷水系统的最终设计方案，以保证调相机的长期安全可靠运行。

1 冷却系统概述

收起

新一代调相机的冷却系统一般分为内冷系统和外冷系统^[7-8]。内冷系统位于调相机主机设备内，以风冷调相机主机为例，内冷系统一般由换热器、转子风扇、风道等组成。外冷系统一般采用水作为冷却介质，冷却水流经调相机换热器，通过水泵循环将热量带到室外换热设备，再由换热设备实现散热。外冷水系统分为闭式水冷却系统和开式水冷却系统两种。

1.1 闭式水冷却系统

闭式水冷却系统一般由循环水泵、补水系统、外冷设备（空气冷却器、冷却塔或两个设备联合）、稳压系统、主过滤器、管道、仪器仪表、阀门等连接成一个密闭的循环回路^[9-10]。其中，稳压系统为整个闭式水冷却系统提供恒定的压力，保证整个冷却系统的静压并隔绝外界空气，一般设计为一个稳压罐体，罐体上部采用氮气提供恒定压力^[11]。

对于闭式水冷却系统，根据被冷却对象进水温度需求和项目地水源情况，确定选用空气冷却器、闭式冷却塔或是两种设备联合冷却的方式。通常当被冷却对象进水温度比项目地环境极端温度高5℃以上时，宜采用空气冷却器。采用空气冷却器的闭式水冷却系统示意图如图1所示。

当选用空气冷却器不能满足被冷却对象散热需求且项目地水源充足时，选用闭式冷却塔。当选用空气冷却器不能满足被冷却对象散热需求且项目地水资源紧缺时，选用干湿联合的冷却设备，即选用空气冷却器串联闭式冷却塔的方案。闭式干湿联合的水冷却系统示意图如图2所示。

1.2 开式水冷却系统

开式水冷却系统一般由循环水泵、过滤器、开式冷却塔、水池、管道、仪器仪表、阀门等连接为一个循环回路，其中循环冷却水通过布水器直接喷洒在开式冷却塔的填料上，冷却水与空气接触达到降低水温的目的。开式水冷却系统示意图如图3所示。

2 某换流站调相机外冷水系统方案设计

收起

2.1 项目概况

某项目区域气候属于温带季风大陆性气候，四季分明，雨量充沛，水资源丰富，极端最高气温为41.2℃，湿球温度为26.7℃。换流站内新建2台300Mvar调相机，根据换流站总平面布置规划，项目调相机区域位于换流站的西南角。2台调相机的冷却容量为8 400kW，总流量为1 200m³/h，调相机外冷水系统设计参数见表1。

2.2 外冷水系统方案设计

调相机外冷水系统设计方案一般从多个方面对比确定，如冷却对象进出口温度（调相机外冷水进水温度38℃，出水温度45℃）、极端环境温度、水源条件、设备造价、占地等。冷却塔一般应用于常年水资源丰富的地区^[12]，经过对比开式冷却塔方案、闭式冷却塔方案和干湿联合冷却方案，最终确定采用开式外冷水系统的冷却方案。调相机外冷水系统方案对比见表2。

3 某换流站调相机外冷水系统

收起

3.1 工艺原理

该调相机外冷水系统采用带机力通风冷却塔的循环供水系统，循环水系统采用扩大单元制供水系统，其流程为冷却塔集水池→循环水回水管（沟）→循环水泵房→循环水供水压力管→调相机冷却换热器→循环水排水压力管→开式冷却塔→冷却塔集水池，依此形成循环回路，为调相机提供冷却水。调相机外冷水系统工艺流程如图4所示。两台调相机共配置循环水泵3台（2用1备），机力通风冷却塔3台（2用1备）。

采用扩大单元制系统可满足调相机和冷却系统的轮停检修需要，提高整个系统的冷却效率，通过控制系统中阀门的开关，实现外冷水系统设备运行状态的切换，从而实现调相机轮停。

3.2 循环水泵

调相机外冷水系统管路主要由水泵房至调相机换热器入口管路、调相机换热器、调相机换热器出口至冷却塔管路、冷却塔至水泵入口管路或管沟等连接形成开式循环回路。循环水泵是整个冷却系统的关键设备，为系统提供动力源。循环水泵扬程的设计至关重要，需要计算系统管路的沿程阻力损失、局部阻力损失及各设备的阻力损失后，才能确定循环水泵扬程。

沿程阻力损失是在每段缓流区域内单位质量流体沿流程的能量损失。研究表明，沿程阻力损失h_f与单位质量流体所具有的动能和流程长度成正比，与通道的直径成反比，通常表示为

（1）

${h}_{\text{f}}=\lambda \frac{l{v}^{2}}{2dg}$

式中：$\lambda $为沿程损失系数；l为管长；v为管内流体流速；d为管道内径；g为重力加速度。

局部阻力损失是当管道中因截面面积或流动方向改变而引起流动急剧变化时，单位质量流体的能量损失，通常表示为

（2）

${h}_{\text{j}}=\epsilon \frac{{v}^{2}}{2g}$

式中：h_j为局部阻力损失；$\epsilon $为局部阻力系数。

根据式（1）和式（2）计算系统管路的沿程阻力损失和局部阻力损失，再根据调相机换热器的水阻计算循环水路的水阻H，计算过程如下：

1）水泵房至调相机换热器入口管路水阻H₁= 78.6kPa。

2）调相机换热器水阻H₂=79.7kPa。

3）调相机换热器出口至冷却塔管路水阻H₃= 80kPa。

4）冷却塔至水泵入口管路水阻为H₄=50kPa。

5）总水阻H=H₁+H₂＋H₃＋H₄=288.3kPa。

主循环水泵扬程Y=288.3×0.102m=29.4m。同时，考虑到水头安全裕度，确定水泵扬程为31m。

3.3 开式冷却塔

2台调相机共需要的冷却容量为8 400kW，所需的总流量为1 200m³/h；选用3台冷却塔2用1备的方案，其中2台冷却塔的换热容量可满足2台调相机满出力运行的换热容量要求。当1台冷却塔发生故障或停机检修时，不需要关闭故障冷却塔进出水阀门，其余2台冷却塔运行即可保证调相机的进水温度限值。按湿球温度26.7℃设计，采用计算软件核算，冷却塔运行工况如下：

1）当3台冷却塔正常运行时，单台塔流经的流量为413.3m³/h，经选型计算得冷却塔进水温度为45℃时，出水温度为32.45℃，小于38℃（调相机进水温度限值），满足调相机运行要求。

2）当3台冷却塔运行，其中1台冷却塔出现故障或停机检修时，不关闭冷却塔进、出口阀门，单台冷却塔流经的流量为413.3m³/h，2台冷却塔正常运行进水温度为45℃时，出水温度为35.1℃。1台冷却塔虽然失去风机散热能力，但是冷却水依然从填料中流过，冷却塔仍具有一定的散热能力，此时出水温度近似为40.3℃，与其他2台冷却塔的出水进行混合后的出水温度为36.83℃，小于38℃（调相机进水温度限值），满足调相机运行水温要求。

3）当3台冷却塔运行，其中1台冷却塔出现故障或停机检修时，关闭冷却塔入口阀门，单台冷却塔流经的流量为600m³/h，经选型计算得出进水温度为45℃，出水温度为34.46℃，小于38℃（调相机进水温度限值），满足调相机运行要求。

通过以上工况核算，冷却塔的选型满足调相机换热需求。冷却塔核算结果见表3。

3.4 调相机外冷水系统的控制

调相机外冷水系统的控制和保护功能均由分布式控制系统（distributed control system, DCS）实现，冷却系统的信号全部接入DCS，即所有运行控制指令和运行逻辑判断由DCS完成。其中，外冷水系统最主要的设备为主循环水泵和冷却塔，其控制最复杂且运行方式直接影响调相机的安全运行，因此本文主要研究循环水泵和冷却塔的运行控制。

1）循环水泵的运行控制

由于水泵流量大、功率大，为减小水泵起动时的电流冲击，在电气回路中设计软起动器。当水泵起动时，先经过软起动回路起动，以减小电流的冲击，运行一定时间后切换至工频电气回路长期运行。为保证水泵在正常运行和故障工况下均能可靠切换，首先对3台水泵进行编码，确保水泵实物编号与程序编号对应，实现精准识别。水泵运行模式编码定义见表4。

水泵故障等级分为三级：当水泵工频回路与软起动回路均正常时，水泵无故障，故障等级为0；当水泵工频回路与软起动回路有且只有一个故障时，水泵轻微故障，故障等级为1；当水泵工频回路与软起动回路全部故障时，水泵严重故障，故障等级为2。循环水泵故障等级分类如图5所示。

循环水泵运行控制逻辑如图6所示，具体如下：

（1）主循环水泵均无故障时，可正常进行周期或远程切泵，即运行168h（可设定）切泵，先起动备用泵（优先软起动器运行，再切至工频运行），再停运行泵。

（2）主循环泵的软起动器、工频回路均故障，退出备用状态。

（3）运行泵在工频回路运行，此时工频回路故障而软起动回路无故障时，若备用泵故障等级高于运行泵，则切换至运行泵软起动回路运行。

（4）运行泵在软起动回路运行，此时软起动回路故障而工频回路无故障，若备用泵故障等级高于运行泵，则切至运行泵工频回路运行。

（5）运行泵故障等级大于备用泵，若备用泵软起动回路故障，则直接切至备用泵工频回路运行。

（6）运行泵故障等级大于备用泵，若备用泵工频回路故障，则直接切至备用泵软起动回路运行，并保持软起动回路运行。

（7）备用泵软起回路故障而工频回路无故障，当运行泵软起动回路故障而工频回路无故障时（此时运行泵与备用泵故障等级相同），则切至运行泵工频回路运行。

2）冷却塔的运行控制

冷却塔运行控制逻辑如下：

（1）冷却塔风机共3台，根据水温分组起停，轮起轮停，先起先停。若1台风机故障（包含跳闸）或处于检修状态（人工退出轮起轮停），则自动将此风机退出轮起轮停控制；当故障消失或检修结束后，由运行人员在后台手动确认，再将此风机投入轮起轮停控制。

（2）风机控制的目标温度取2台机组的循环冷却水供水温度（每台机组3个温度取平均值）中的较大值。

（3）冷却系统启动后，冷却塔风机根据调相机供水温度进行比例积分（PI）闭环调节。

（4）为保证调相机进水温度可控，DCS实时采集调相机换热器入口水温T和冷却塔风机的转速，并根据环境温度变化和调相机负荷大小的变化，通过变频调节冷却塔风机的转速达到控制调相机进水温度的目的，从而保证调相机进口温度满足限值。

当T≥30℃时，延时2s起动变频风机，1台风机投入。以最低频率20Hz运行80s，80s后进行PI控制调节。当T>30.5℃时，PI频率上升；当T<29.5℃时，PI频率下降；当T<28℃时，最低频率20Hz运行15min后，停运变频风机。

当T≥32℃时，延时75s起动变频风机，2台风机投入。变频投入时全部风机变频送固定25Hz运行30s，30s后进行PI控制调节。当T>32.5℃时，PI频率上升；当T<31.5℃时，PI频率下降；当 T<30℃时，最低频率20Hz运行15min后，停运1台变频风机。

当T≥34℃时，延时75s起动变频风机，3台风机投入。变频投入时全部风机变频送固定25Hz运行30s，30s后进行PI控制调节。当T>34.5℃时，PI频率上升；当T<33.5℃时，PI频率下降；当T<32℃时，最低频率20Hz运行15min后，停运1台变频风机。

（5）风机工频变频自动切换联锁投入，变频跳闸或故障自动切换至工频运行（变频停止延时3s后再启工频）。变频恢复正常后，需要运行人员在后台操作，切至变频运行（工频停止延时2s再切至变频）。

（6）起停温度均由运行人员在后台设置，起3台风机温度>起2台风机温度>起1台风机温度；停1台风机温度>停2台风机温度>停3台风机温度；起3台风机温度>停1台风机温度；起2台风机温度>停2台风机温度；起1台风机温度>停3台风机温度。起停温度定值须同时满足上述原则，否则报定值错误并退出水温自动控制联锁。

4 结论

收起

本文根据某换流站调相机外冷水换热量、流量、进水温度需求及站址环境条件，研究分析了闭式水冷却系统和开式水冷却系统的优缺点，并结合项目的经济投入情况，最终确定两台调相机共用一套开式循环外冷水系统。通过计算循环水路的阻力，确定外冷水系统的工艺流程、循环水泵和冷却塔的选型及运行控制逻辑，以期为调相机外冷水系统的设计提供参考。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2025年第26卷第1期

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129

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接收时间：2024-08-29
首发时间：2025-11-09
出版时间：2025-01-15

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收稿日期：2024-08-29
修回日期：2024-10-06

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常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州 213025

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

序号	参数	数值	备注
1	调相机冷却容量/kW	4 200	单台参数
2	调相机水流量/(m³/h)	600	单台参数
3	湿球温度/℃	26.7
4	极端最高气温/℃	41.2
5	极端最低气温/℃	-16.9

序号

参数

数值

备注

调相机冷却容量/kW

4 200

单台参数

调相机水流量/(m³/h)

600

单台参数

湿球温度/℃

26.7

极端最高气温/℃

41.2

极端最低气温/℃

-16.9

项目	开式外冷水系统	闭式外冷水系统
换热设备形式	开式冷却塔	闭式冷却塔	干湿联合
换热效果	换热效率高，能效比高	换热效果好	换热效果好
占地面积	占地面积小	占地面积小	占地面积大
耗水量/（万t/年）	约10.7	约11	约2.88
水费/万元	52.2	54	14
基建价格（两台机）/万元	1 000	1 800	2 400
运检费用（含检修、药剂）/（万/年）	70	50	50
优点	成本低	换热效率高、不容易结垢	节约水
缺点	藻类滋生、腐蚀结垢	成本高	占地面积大，成本高

项目

开式外冷水系统

闭式外冷水系统

换热设备形式

开式冷却塔

闭式冷却塔

干湿联合

换热效果

换热效率高，能效比高

换热效果好

占地面积

占地面积小

占地面积大

耗水量/（万t/年）

约10.7

约11

约2.88

水费/万元

52.2

基建价格（两台机）/万元

1 000

1 800

2 400

运检费用（含检修、药剂）/（万/年）

优点

成本低

换热效率高、不容易结垢

节约水

缺点

藻类滋生、腐蚀结垢

成本高

占地面积大，成本高

项目	工况1	工况2	工况3
工况说明	3台运行	2台运行，1台故障（不关闭阀门）	2台运行，1台故障（关闭阀门）
冷却容量/kW	8 400
单台塔处理水量/(m³/h)	413.3	413.3	600.0
冷却塔出水温度/℃	32.45	36.83	34.46
冷却塔进水温度/℃	45

项目

工况1

工况2

工况3

工况说明

3台运行

2台运行，1台故障（不关闭阀门）

2台运行，1台故障（关闭阀门）

冷却容量/kW

8 400

单台塔处理水量/(m³/h)

413.3

600.0

冷却塔出水温度/℃

32.45

36.83

34.46

冷却塔进水温度/℃

泵1运行	泵2运行	泵3运行	运行模式编码
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	2
0	1	1	3
1	0	0	4
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1	1	0	6
1	1	1	7

泵1运行

泵2运行

泵3运行

运行模式编码