李昊，劉釗

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

0 引 言

隨著國家西電東送戰(zhàn)略、國家電網(wǎng)公司“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，特高壓交直流輸電工程的數(shù)量逐年增長[1-2]。換流閥是特高壓直流輸電工程的核心設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)交直流電能轉(zhuǎn)換的核心功能單元[3]。換流閥在進(jìn)行交直流電能轉(zhuǎn)化功能時，閥內(nèi)各類元器件會產(chǎn)生大量的熱[4]。為防止閥內(nèi)元器件過熱導(dǎo)致運(yùn)行異常，換流閥配有專用的閥冷系統(tǒng)進(jìn)行熱交換[5]。特高壓換流站閥冷系統(tǒng)通常由3部分組成：閥內(nèi)冷系統(tǒng)、閥外風(fēng)冷系統(tǒng)以及閥外水冷系統(tǒng)[6]。閥內(nèi)冷系統(tǒng)主要用于轉(zhuǎn)移換流閥內(nèi)的熱量至閥廳外，閥外風(fēng)冷系統(tǒng)以及閥外水冷系統(tǒng)配合對閥內(nèi)冷系統(tǒng)冷卻介質(zhì)攜帶的熱量進(jìn)行交換[7]。

閥外水冷系統(tǒng)使用的外冷水經(jīng)過過濾、軟化、除藻滅菌等處理流程后儲存在平衡水池中，當(dāng)閥冷系統(tǒng)進(jìn)閥溫度達(dá)到定值后，噴淋泵帶動平衡水池中的外冷水參與到閥冷系統(tǒng)的熱量交換中[8]。通常情況下，特高壓換流站的4個閥組對應(yīng)配置4個平衡水池，每個平衡水池蓄水量平均在300 m3左右。

為保證平衡水池儲存的外冷水水質(zhì)符合要求，每年需要對平衡水池排空進(jìn)行檢查及清洗。考慮到資源節(jié)約，直接排空平衡水池內(nèi)的1 200 m3外冷水過于浪費(fèi)，因此采用排空1池300 m3外冷水后其余3池水相互轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行?，F(xiàn)有外冷水轉(zhuǎn)移方式為放置臨時潛水泵，通過消防水帶進(jìn)行轉(zhuǎn)移。由于臨時潛水泵的功率有限，該轉(zhuǎn)移方式需要消耗大量時間，占用了整個平衡水池檢查清洗作業(yè)時長的極大比重。此外，平衡水池內(nèi)總量約1 200m3的外冷水可作為消防作戰(zhàn)車的重要補(bǔ)給，延長消防車戰(zhàn)斗時間，但是目前的平衡水池缺乏高效穩(wěn)定的抽水功能，無法與換流站內(nèi)配置的消防作戰(zhàn)車有效銜接。基于以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種平衡水池抽水系統(tǒng)，對特高壓換流站閥冷系統(tǒng)平衡水池的抽水功能進(jìn)行了完善，大幅提升了平衡水池之間儲備水轉(zhuǎn)移效率的同時，為消防作戰(zhàn)車接入平衡水池進(jìn)行滅火戰(zhàn)斗提供了高效的解決方案。

1 現(xiàn)有平衡水池抽水方式

1.1 現(xiàn)有平衡水池儲備水轉(zhuǎn)移方式

現(xiàn)有平衡水池?zé)o固定且接入閥冷系統(tǒng)的抽水系統(tǒng)，需要對平衡水池內(nèi)進(jìn)行檢查及清洗作業(yè)時，只能通過2種方式對池內(nèi)排空：一是直接將池內(nèi)儲備的外冷水排入下水道，不再回收使用；二是通過放置臨時潛水泵并敷設(shè)消防水帶至另一平衡水池進(jìn)行外冷水轉(zhuǎn)移的方式。

特高壓換流站一般配置有4個平衡水池，共計(jì)約1 200 m3儲備水，若4個水池均選用方式一直接排入下水道，將造成水資源的大量浪費(fèi)。此外，制備水質(zhì)符合條件的外冷水需要經(jīng)過過濾、軟化、除藻滅菌等處理流程，重新對1 200 m3儲備水的制備將造成制水設(shè)備、材料及耗材的大幅損耗；因此，現(xiàn)有平衡水池均采用方式二進(jìn)行儲備水的轉(zhuǎn)移，交替對特高壓換流站的4個平衡水池進(jìn)行檢查清洗作業(yè)。

如圖1所示，方式二中，現(xiàn)場作業(yè)人員首先放置臨時潛水泵將極1高端平衡水池提前排入下水道中，排空后進(jìn)行檢查清洗作業(yè)，作業(yè)完成后放置臨時潛水泵至極1低端平衡水池底部并敷設(shè)臨時消防水帶至極1高端平衡水池內(nèi)，進(jìn)行儲備外冷水的轉(zhuǎn)移。待極1低端平衡水池騰空后進(jìn)行檢查清洗作業(yè)，作業(yè)完成后極2低端、極2高端以此類推，按順序進(jìn)行。待極2高端平衡水池作業(yè)完畢后，直接對水池進(jìn)行制水補(bǔ)水，補(bǔ)至滿液位。

圖1 4個平衡水池儲備水轉(zhuǎn)移步驟

1.2 現(xiàn)有平衡水池與消防作戰(zhàn)車銜接補(bǔ)給方式

現(xiàn)有平衡水池沒有可以與消防作戰(zhàn)車直接銜接的設(shè)施。圖2為特高壓換流站單極換流變壓器廣場的設(shè)備布置平面。

圖2 單極換流變壓器廣場設(shè)備布置平面

當(dāng)換流變壓器發(fā)生火情時，消防作戰(zhàn)車將在廣場面對換流變壓器進(jìn)行滅火作業(yè)。廣場兩側(cè)布置有消防管網(wǎng)及消防栓，可同時對4輛消防作戰(zhàn)車進(jìn)行水源補(bǔ)給，但是單臺換流變壓器內(nèi)儲有100 t以上的絕緣油，若火勢難以控制展開拉鋸戰(zhàn)時，4輛消防作戰(zhàn)車的戰(zhàn)斗力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

這種情況下，作為獨(dú)立于消防系統(tǒng)的平衡水池，可為上述4輛接入消防管網(wǎng)消防作戰(zhàn)車以外的其余消防車輛提供額外的水源補(bǔ)給。以10 m3儲水規(guī)模的消防作戰(zhàn)車為例，約1 200 m3儲水量的平衡水池將提供120車次以上的消防供水。

在現(xiàn)有的平衡水池配置條件下，消防作戰(zhàn)車需要取水時，取水方式為往返于滅火戰(zhàn)斗點(diǎn)至平衡水池之間，利用作戰(zhàn)車自有引水泵與臨時架設(shè)的引水管道銜接進(jìn)行取水，待注滿后繼續(xù)投入到滅火作業(yè)中。

2 現(xiàn)有平衡水池抽水方式問題分析

2.1 現(xiàn)有平衡水池儲備水轉(zhuǎn)移耗時

不計(jì)平衡水池檢查清潔作業(yè)時間，現(xiàn)有平衡水池儲備水轉(zhuǎn)移耗時計(jì)算公式如下：

T=t排+t1+t2+t3+t注

(1)

式中：t排=V/δ—極1高端平衡水池排水耗時，V為儲備水體積，δ為臨時潛水泵流量;

t1=V/δ—極1低端平衡水池轉(zhuǎn)移至極1高端耗時；

t2=V/δ,極2低端平衡水池轉(zhuǎn)移至極1低端耗時；

t3=V/δ，極2高端平衡水池轉(zhuǎn)移至極2低端耗時；

t注—極2高端制備外冷水至水池滿液位耗時，通常情況下平均約1 200 min。

通過公式(1)可知，若t注恒定、各平衡水池儲備水體積V相等的理想情況下，平衡水池儲備水轉(zhuǎn)移耗時T與臨時潛水泵流量δ成反比關(guān)系，即：臨時潛水泵流量δ越大，耗時T越少。

通過對市面各流量的潛水泵規(guī)格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得到表1所示參數(shù)。

表1 潛水泵參數(shù)

由于臨時潛水泵為作業(yè)人員臨時放置，放置點(diǎn)為平衡水池口，周圍存在設(shè)備及臺階，綜合現(xiàn)場安全需求，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)潛水泵質(zhì)量一般控制在30 kg以下，最優(yōu)選擇為質(zhì)量25 kg、流量15 m3/h的規(guī)格，由此得出理想情況下的耗時T為6 000 min。以某特高壓換流站實(shí)際操作時間統(tǒng)計(jì)得到表2。

表2 某特高壓換流站實(shí)際儲備水轉(zhuǎn)移時間統(tǒng)計(jì)

從表2可知，現(xiàn)有平衡水池儲備水轉(zhuǎn)移方式平均需要消耗6 054.7 min。通過對整個轉(zhuǎn)移過程的分析，可以發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量符合現(xiàn)場作業(yè)安全需求的臨時潛水泵，其抽水流量限制了平衡水池儲備水的轉(zhuǎn)移速率,進(jìn)而導(dǎo)致了轉(zhuǎn)移耗時過多，但是由于人力限制，潛水泵流量無法大幅提升。

2.2 現(xiàn)有平衡水池與消防作戰(zhàn)車銜接補(bǔ)給方式

現(xiàn)有平衡水池未配置可直接與消防作戰(zhàn)車銜接的補(bǔ)給接口，消防作戰(zhàn)車僅能依靠自身尾部引水泵進(jìn)行抽水，雖然引水速度可達(dá)6 m3/min，但是標(biāo)準(zhǔn)引水管直徑為DN150的硬連接，不具備長距離敷設(shè)條件，因此車輛不得不往返于滅火點(diǎn)與平衡水池之間，且尾部必須準(zhǔn)確無誤地對準(zhǔn)平衡水池池口方能進(jìn)行引水作業(yè)。作戰(zhàn)車駕駛員需要根據(jù)后方操作員的指引，多次調(diào)整車輛方向，經(jīng)某特高壓換流站現(xiàn)場測算統(tǒng)計(jì)，10 m3容量的消防作戰(zhàn)車儲備水全部噴完的耗時約在150 s，但是由于車輛位置調(diào)整及操作需要通過平衡水池補(bǔ)充水時，約需600 s，該方式導(dǎo)致消防作戰(zhàn)車補(bǔ)充水效率十分低下。

3 平衡水池抽水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合2.1及2.2問題，目前特高壓換流站平衡水池亟需對抽水功能進(jìn)行完善，因此對平衡水池的抽水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該抽水系統(tǒng)單套主要由2臺固定立式潛水泵、主不銹鋼管及潛水泵出口止回閥、6支分支不銹鋼管、6支標(biāo)準(zhǔn)消防卡口、DN15泄空閥、液位傳感器及電氣控制柜組成。整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 平衡水池抽水系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1)該系統(tǒng)的固定立式潛水泵無需現(xiàn)場作業(yè)人員臨時放置，因此避免了重量因素，根據(jù)平衡水池實(shí)際容量，設(shè)立2臺流量為150 m3/h的固定立式潛水泵。

2)上述2臺潛水泵通過DN150不銹鋼管道并接至主管路，為防止單臺潛水泵運(yùn)行時水流反向流至備用潛水泵形成換流，在潛水泵出口處設(shè)置了1個DN150的止回閥。

3)主管路引出至平衡水池外部后分出6個DN50的支管路，每個支管路配置有可獨(dú)立控制開合的閘閥及標(biāo)準(zhǔn)的DN50消防卡口，可與消防水帶相連，既能與相鄰平衡水池快速聯(lián)通，也可與消防作戰(zhàn)車預(yù)留的6個DN50注水口相連。

4)考慮到西北地區(qū)冬季寒冷氣候可能會造成抽水系統(tǒng)管道內(nèi)的存水結(jié)冰膨脹，在主管路的平衡水池口下約1 m高度處設(shè)計(jì)了1個DN15的泄空閥，用于排空管道內(nèi)存水。

5)電氣控制柜可對2臺固定潛水泵獨(dú)立進(jìn)行運(yùn)行/停止操作，上級電源取自400 V站用電，根據(jù)具體功率進(jìn)行級差配置核算及電纜及空開選型，保證潛水泵可長時間運(yùn)行。

6)液位傳感器可對平衡水池液位進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)液位低于10%時，自動閉鎖潛水泵運(yùn)行，保證閥冷噴淋系統(tǒng)處于可用狀態(tài)。

4 效果評價(jià)

4.1 抽水系統(tǒng)儲備水轉(zhuǎn)移效果評價(jià)

2019年，某特高壓換流站已對站內(nèi)4座平衡水池進(jìn)行了抽水系統(tǒng)的安裝。停電檢修期間，作業(yè)現(xiàn)場對4座平衡水池儲備水轉(zhuǎn)移時間進(jìn)行了3次測算統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。為節(jié)約用水，3次時間測算僅對第1次進(jìn)行水池排水，平均時間按照單次排水時間計(jì)算，僅對第3次進(jìn)行水池注水，考慮到注水與抽水功能無關(guān)，因此平均時間按照單次注水時間計(jì)算對整體效果的評價(jià)無影響。儲備水的轉(zhuǎn)移為往返轉(zhuǎn)移：第1次為極1高端排空，由極1低端開始逐個轉(zhuǎn)移；第2次為極2高端處于空置狀態(tài)，由極2低端開始逐個轉(zhuǎn)移；第3次重復(fù)第1次的順序。

表3 某特高壓換流站抽水功能完善后轉(zhuǎn)移時間統(tǒng)計(jì)

通過表3中平均用時與表2平均用時對比可以發(fā)現(xiàn)，對平衡水池抽水功能完善后，儲備水轉(zhuǎn)移用時由原來的6 054.7 min下降至1 529.1 min，縮短74.7%，大幅提升了平衡水池檢查清洗工作的整體效率，效果良好。

4.2 抽水系統(tǒng)與消防作戰(zhàn)車銜接效果評價(jià)

抽水系統(tǒng)的支管路均裝設(shè)DN50的標(biāo)準(zhǔn)消防卡口，可通過消防水帶長距離延伸對接至消防作戰(zhàn)車的6個被動注水口，并實(shí)現(xiàn)快速裝拆。與消防作戰(zhàn)車引水泵作業(yè)方式不同，通過6個被動注水口對作戰(zhàn)車水箱進(jìn)行補(bǔ)水，無需車輛進(jìn)行專移即可直接進(jìn)行注水，抽水系統(tǒng)的持續(xù)補(bǔ)水可以保證消防作戰(zhàn)車補(bǔ)水、噴水同時進(jìn)行，如圖4所示。

圖4 抽水系統(tǒng)消防水帶連接現(xiàn)場

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際測算，連接不同數(shù)量的消防水帶至同一輛消防作戰(zhàn)車的補(bǔ)水用時如表4所示。

表4 抽水系統(tǒng)對補(bǔ)水消防作戰(zhàn)車補(bǔ)水時長統(tǒng)計(jì)

以該消防作戰(zhàn)車型號作為參考，當(dāng)平衡水池抽水系統(tǒng)2臺潛水泵通過4條以上的消防水帶對消防作戰(zhàn)車進(jìn)行補(bǔ)水時，作戰(zhàn)車可達(dá)到補(bǔ)水、噴水的平衡狀態(tài)，即不間斷進(jìn)行滅火作戰(zhàn)。根據(jù)計(jì)算，以圖2為例，該換流變壓器廣場的兩側(cè)容量為300 m3平衡水池抽水功能完善后，可在換流站消防管網(wǎng)支援基礎(chǔ)上額外支援2輛消防作戰(zhàn)車持續(xù)75 min的持續(xù)滅火能力，這對控制特高壓換流站內(nèi)火情有著非常重要的作用。若消防水帶儲備充足，特高壓換流站另一換流變壓器廣場的2個平衡水池還能夠提供600 m3儲備水的滅火作戰(zhàn)補(bǔ)給，大幅提升消防作戰(zhàn)車輛作戰(zhàn)能力。

5 結(jié) 論

1)特高壓換流站平衡水池抽水功能通過抽水系統(tǒng)的完善，在避免水資源浪費(fèi)的同時，縮短了平衡水池間儲備水轉(zhuǎn)移的時間，極大地提升了平衡水池定期檢查及清洗工作的效率。

2)平衡水池抽水功能的完善，使平衡水池儲備水成為特高壓換流站發(fā)生火情時消防作戰(zhàn)車的關(guān)鍵后備“彈藥”，增加了消防作戰(zhàn)車輛的取水方式，進(jìn)一步提升了特高壓換流站的消防能力。