换流站阀厅空调在线监测及故障诊断方法研究

换流站阀厅空调在线监测及故障诊断方法研究

张国

山西省电力公司检修分公司 山西省太原市 030000

摘要：直流输电系统每个阀厅配置两套阀厅空调机组，作用是将换流阀元件的热量散出，使阀厅维持在换流阀运行允许的温度以内。目前，阀厅空调机组作为辅助系统，缺乏有效的在线监测及故障诊断手段，往往是阀厅空调机组故障停机发出告警时，运行人员才进行检查。当同一阀厅的两套阀厅空调机组同时故障且无法及时恢复时，阀厅温度会持续上升，若温度过高将导致运行人员紧急停运直流系统，严重威胁电力系统的安全稳定运行。因此，对换流站阀厅空调在线监测及故障诊断方法研究具有重要意义。

关键词：换流站；在线监测；故障诊断

1 阀厅空调机组结构及功能

1.1 阀厅空调机组结构

每个阀厅采用独立的空调系统，采用单冷型冷水机组。机组配置形式为：风冷螺杆式冷水机组+组合式空气处理机组+风管送回风的系统形式。冷水机组及组合式空气处理机组均设100%的备用，即每个阀厅设置2台，其中1台运行，一台备用。

组合式空气处理机组由回风机段、新/排风调节段、初效过滤段、表冷加热段、辅助电热段、送风机段、中效过滤段、送风消声段等功能段组成，其中高端阀厅组合式空气处理机组还需设置高效过滤段。组合式空气处理机从阀厅上部抽取室内空气，进行降温、过滤处理后，通过送风道由地沟送入阀厅，气流从换流阀底部吹向阀体，以确保阀厅内空气温湿度满足设计要求。

冷却水系统为机械循环闭式两管制，由冷却水泵、冷水机组、空调处理设备、管道、管件、管材等组成。通过水泵的输送使水在管道内流动，系统将冷热源所提供的冷热量输送给冷水机组。

换流阀运行过程中，阀厅内最高温度不能超过45℃，最低不能低于10℃，室内相对湿度控制在25%～60%，为了防止室外灰尘进入阀厅，阀厅内还需要维持5～50Pa的正压值。

1.2 阀厅空调制冷原理

冷水机组是阀厅空调的制冷元件，对空气处理机组送回的冷却水进行降温。冷水机组由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器等组成。

蒸气压缩冷水机组制冷循环示意图如图2所示。压缩机吸入蒸发器中的低压过热制冷剂蒸汽，并经压缩机压缩变为高温高压的过热蒸汽，在冷凝器中向环境放出热量，从而冷凝成饱和或过冷的制冷剂液体，经膨胀阀节流减压流入蒸发器，在蒸发器中吸收冷媒水的热量汽化后，再被压缩机吸入压缩，开始了新的循环。这样，经过蒸发器的冷媒水被冷却，从而被引入空调区域。

2 阀厅空调冷水机组运行性能监测

2.1 冷水机组蒸发温度与冷凝温度

在制冷循环过程中，由制冷压缩机抽吸从蒸发器流过来的低压、低温制冷剂蒸气，经压缩机压缩成高压、高温蒸气而排出，这样就把制冷剂蒸气分成了高压区和低压区。从压缩机的排出口至节流元件的入口端为高压区，该区压力称高压压力或冷凝压力，温度称为冷凝温度。从节流元件的出口至压缩机的吸入口为低压区，该区压力称为低压压力或蒸发压力，温度称为蒸发温度。

2.2 冷水机组运行性能影响因素

冷水机组运行性能不但受自身因素的影响，还受其所处的运行条件的影响，因此在对各种影响因素进行分类的时候，可以分成内部因素和外部因素。内部因素反映的是冷水机组的型式、制造水平、压缩机的匹配、制冷剂的种类及设计充装量等；外部因素则是指蒸发器状态、冷凝器状态、制冷剂实际填充料、室外温度等影响蒸发温度和冷凝温度的因素。

2.3 冷水机组理想效率

为了反映外部因素对冷水机组的影响，根据逆卡诺循环，冷水机组理想效率ε为：

式中，ε为冷水机组理想效率，Tev为蒸发温度，K;Tcd为冷凝温度，K。

在蒸汽压缩式循环系统运行过程中，冷凝温度、蒸发温度对制冷量、制冷系数有影响，而且蒸发温度的影响较大，具体表现为：

（1）蒸发温度降低，制冷循环性能变差，制冷量迅速减小，冷水机组效率降低。而随着制冷循环的蒸发温度的降低，制冷压缩机所消耗的功率的变化则是不确定的。

（2）冷凝温度升高后，制冷循环性能变差，制冷量减少，冷水机组效率降低，压缩机功耗升高。

（3）蒸发温度在一定限度内升高，能提高冷水机组效率、增加制冷量，但蒸发温度过高，自节流装置过来的制冷剂液体容易闪发，堵塞制冷剂通道，影响系统的正常运行。

（4）冷凝温度在一定范围内降低，对改善制冷循环性能、提高制冷系数有利，但冷却温度过低，会造成压缩机制冷系统高低压差不够、运行不稳定、润滑系统不良运行等问题。

3 阀厅空调空气处理机组运行性能监测方法

3.1 空气处理机组表冷器

表冷器属于表面式热湿交换设备，是阀厅空调冷却水系统与空气处理机组进风热交换元件，其特点是与空气进行热湿交换的介质不与空气直接接触。

空气与介质间的热湿交换是通过设备的金属表面来进行的，当作为冷却器处理空气时，其表面温度低于被处理空气的露点温度时，空气首先被等湿降温到饱和线上，然后沿饱和线进一步降温减湿到接近表冷器的表面温度，这时空气中有部分水分凝结出来。在这个过程中，由于空气不但温度要降低，含湿量也要减少。

3.2 表冷器运行性能计算

空气通过表冷器放出的热量计算公式如下。

式中，G为经过表冷器的实测风量，kg/s;i1为表冷器前空气焓，kcal/kg;i2为表冷器后空气焓，kcal/kg。

通过设置在空气处理机组的干球温度传感器与湿度传感器，分别测量空气冷却器前后空气的干球温度和湿球温度，用气压传感器测量大气压力，进而求得空气冷却器前后空气的比焓值，同时测出空气冷却器的风量，就可以算出空气冷却器的冷却能力Q1。

空气经过表冷器失去的热量与冷水经过表冷器吸收的热量接近，可通过冷水经过表冷器吸收的热量Q2间接计算。

式中，W为通过空气冷却器的水量，kg/s;C为水的比定压热容；tw1、tw2为表冷器进水、出水温度，℃；S为换热器的水阻系数，MPa/（m3/s)2;p为换热器进出水压力差，MPa。

3.3 空气处理机组运行性能影响因素

从式（2）、式（3）可以看出，当表冷器换热性能下降、空气处理机组风量不足时，将导致表冷器交换热量下降。表冷器换热性能下降的原因有表冷器积污及结垢、冷却水系统故障、三通阀故障等。

4 现场试验情况

4.1 冷水机组模拟故障试验

以某换流站的阀厅空调水冷螺杆冷水机组（制冷剂R407C）为例，蒸发器和冷凝器流量不变，冷却水温度、流量不变，通过关闭冷凝风机升高冷凝温度。

冷凝风机关闭后，制冷剂经过冷凝器时的热量无法及时排放，冷凝器的制冷剂压力上升，温度升高。随着冷凝温度的上升，流到蒸发器的制冷剂温度也随之上升，但上升幅度较小。压缩机理想性能ε随着时间推移逐步下降，制冷循环不断恶化，冷凝压力上升到高压保护定值时冷水机组停机。

4.2 空气处理机组模拟故障试验

以某换流站的阀厅空调空气处理机组为例，冷却水温度、流速不变，送风、回风阀开启度不变，降低送风风机运行频率减少送风量。随着空气处理机组送风量下降，表冷器进出水温度差逐步扩大，由于冷却水流速不变，表冷器换热量随之下降。

5 结语

阀厅空调作为换流站的重要辅助设备，对换流阀的正常运行起着关键作用。在直流系统运行过程中，阀厅空调的冷水机组蒸发温度及冷凝温度、表冷器换热量、空气处理机组风量可反映阀厅空调存在的异常。对阀厅空调运行数据进行在线分析及故障诊断，能够及时发现阀厅空调缺陷，防止故障恶化导致两套阀厅空调系统同时故障，避免直流限负荷及换流阀设备损坏事件的发生，对于保障直流输电系统的安全稳定运行有重要的意义。

参考文献

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