劉凱

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

±500 kV換流站閥冷系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)督與結(jié)垢分析

Water supervision and analysis of scaling for valve cooling system in±500 kV converter station

劉凱

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

分析±500 kV鵝城換流站閥冷系統(tǒng)的基本構(gòu)成和運(yùn)行狀況，對(duì)其閥內(nèi)、外水冷系統(tǒng)的運(yùn)行水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)督，對(duì)均壓電極結(jié)垢狀況進(jìn)行分析和處理，并對(duì)閥冷系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)提出一些改進(jìn)建議。

換流站；閥冷系統(tǒng)；水質(zhì)；化學(xué)監(jiān)督；均壓電極；結(jié)垢

閥冷系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)中最重要的輔助系統(tǒng)〔1〕，閥冷系統(tǒng)故障會(huì)引起換流閥元件散熱不良，導(dǎo)致元件過(guò)熱燒毀，嚴(yán)重影響設(shè)備安全和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。定期開(kāi)展閥水冷系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)督評(píng)價(jià)，對(duì)均壓電極結(jié)垢情況進(jìn)行分析和處理，對(duì)于維護(hù)直流輸電的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 閥冷系統(tǒng)構(gòu)成

±500 kV鵝城換流站采用ABB公司生產(chǎn)的換流閥，其水冷裝置由SWEDE WATER公司生產(chǎn)，由內(nèi)冷水系統(tǒng)和外冷水系統(tǒng)2個(gè)部分組成，其原理見(jiàn)圖1〔2〕。

圖1 閥水冷系統(tǒng)原理圖

1.1 內(nèi)水冷系統(tǒng)

內(nèi)水冷系統(tǒng)是一個(gè)密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，由主循環(huán)回路和水處理回路2個(gè)部分組成。在主循環(huán)回路中，冷卻水通過(guò)可控硅閥和冷卻塔來(lái)構(gòu)成循環(huán)回路。水處理回路包括離子交換罐、膨脹罐和補(bǔ)水泵。離子交換罐用于去除水中雜質(zhì)離子，凈化水質(zhì)。膨脹罐用于確保內(nèi)冷水系統(tǒng)的基準(zhǔn)壓力，兼有除氧和判斷內(nèi)冷水系統(tǒng)泄漏功能。

1.2 外冷水系統(tǒng)

外水冷系統(tǒng)主要作用是提供合格的噴淋水以冷卻內(nèi)冷水，主要由軟化罐及再生單元、反滲透處理單元、平衡水池等組成。軟化單元用于去除生水中的鈣鎂離子，為反滲透單元提供合格的軟化水。反滲透單元可過(guò)濾水中的金屬離子，降低水中的鹽分，防止外水冷系統(tǒng)的腐蝕結(jié)垢。

2 閥冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況

2.1 內(nèi)水冷系統(tǒng)

內(nèi)水冷系統(tǒng)與運(yùn)行的電氣設(shè)備直接接觸，對(duì)其運(yùn)行工況有較為嚴(yán)格的要求，該換流站內(nèi)水冷系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。一般換流站內(nèi)水冷系統(tǒng)運(yùn)行故障主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①水質(zhì)異常導(dǎo)致的腐蝕結(jié)垢；②流量、溫度、壓力等信號(hào)異常導(dǎo)致的保護(hù)動(dòng)作；③管道、閥門(mén)、泵機(jī)械故障；④其它故障。

表1 換流站內(nèi)水冷系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

天廣直流和貴廣直流工程換流閥閥冷系統(tǒng)的散熱器與水接觸部分材質(zhì)為鋁。閥水冷系統(tǒng)多次發(fā)生堵塞、漏水異常，導(dǎo)致元件過(guò)熱以及直流系統(tǒng)被迫停運(yùn)，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行〔3〕。檢查發(fā)現(xiàn)，閥冷系統(tǒng)異常的原因是內(nèi)冷水系統(tǒng)中存在一定程度的材質(zhì)腐蝕與沉積情況。散熱器的金屬鋁在水中的電化學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致閥冷系統(tǒng)中腐蝕與沉積的根本原因；興安直流工程也多次出現(xiàn)閥內(nèi)冷水主過(guò)濾器堵塞引起的內(nèi)冷水流量降低，隨后出現(xiàn)主過(guò)濾器進(jìn)出水壓差逐漸升高的故障現(xiàn)象，究其原因也主要是鋁材腐蝕沉積結(jié)垢的緣故〔4〕。鵝城換流站選擇閥冷系統(tǒng)材料時(shí)充分考慮到腐蝕問(wèn)題，所有與冷卻介質(zhì)接觸的設(shè)備材質(zhì)都是 304L/316不銹鋼、EPDM橡膠或PVDF，所有的墊圈都是由不帶有石棉的氯化物和氟化物制成，且內(nèi)冷水系統(tǒng)補(bǔ)水為外購(gòu)的高純水，離子交換樹(shù)脂也嚴(yán)格按照廠家要求，購(gòu)置進(jìn)口混合樹(shù)脂，每年更換串聯(lián)回路中第1個(gè)離子交換罐中的樹(shù)脂，并將更換樹(shù)脂的離子交換罐作為串聯(lián)回路中的第2個(gè)運(yùn)行。運(yùn)行至今未出現(xiàn)因內(nèi)冷水系統(tǒng)腐蝕或結(jié)垢影響換熱效果而導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)的故障。

鵝城換流站內(nèi)水冷系統(tǒng)已發(fā)生的運(yùn)行故障主要集中在設(shè)備機(jī)械故障和傳感器信號(hào)異常2個(gè)方面。如極I曾因Y/YC相閥塔頂部?jī)?nèi)冷水水管法蘭漏水發(fā)生停運(yùn)事故。該水管連接處上下分別為鋼材和塑料，中間是橡皮墊圈。事故原因?yàn)殚L(zhǎng)期運(yùn)行震動(dòng)后螺絲松動(dòng)和防震彈簧墊圈力矩太小未能緊固螺絲所致。2008年曾出現(xiàn)極Ⅰ內(nèi)水冷A系統(tǒng)頻發(fā) “主水流量高”報(bào)警的異常。運(yùn)維人員通過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)或設(shè)置，消除了這些異常和隱患。

2.2 外水冷系統(tǒng)

外水冷系統(tǒng)的效果直接決定內(nèi)水冷的冷卻容量。隨著外冷卻水的循環(huán)，水中的鹽類不斷濃縮，隨空氣及其他原因進(jìn)入外水冷系統(tǒng)的灰塵、微生物等，也加大了外水冷系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢的可能。目前外水冷水處理系統(tǒng)主要有加藥和軟化反滲透2種水處理方式。葛洲壩換流站曾發(fā)生因冷卻器管外表面結(jié)垢，噴淋頭部分堵塞，導(dǎo)致?lián)Q熱受到影響〔5〕。江陵換流站曾發(fā)生因軟化罐出水硬度高導(dǎo)致反滲透膜發(fā)生堵塞而無(wú)法向平衡水池補(bǔ)水〔6〕。

鵝城換流站也曾發(fā)生因軟化罐頂部進(jìn)水過(guò)濾器被異物堵塞，導(dǎo)致外冷水系統(tǒng)不能及時(shí)補(bǔ)水的故障。后經(jīng)改造，在軟化單元進(jìn)水處安裝袋式過(guò)濾器，并且定期更換過(guò)濾網(wǎng)，避免了此類故障的再次發(fā)生。

近兩年檢查時(shí)未發(fā)現(xiàn)鵝城換流站冷卻塔內(nèi)蛇形換熱管表面有明顯結(jié)垢或微生物滋生現(xiàn)象，平衡水池也未發(fā)現(xiàn)明顯長(zhǎng)藻現(xiàn)象，僅在兩極冷卻塔底部通風(fēng)格柵處發(fā)現(xiàn)有少許微生物滋生現(xiàn)象。

2013年下半年發(fā)現(xiàn)反滲透裝置運(yùn)行壓力異常升高，產(chǎn)水流量下降較為明顯，因該站自投運(yùn)以來(lái)未對(duì)反滲透膜進(jìn)行過(guò)化學(xué)清洗，考慮到反滲透裝置膜元件運(yùn)行已超過(guò)8年，最終決定不進(jìn)行清洗，于2014年度檢修期間對(duì)反滲透膜進(jìn)行整體更換，更換后反滲透裝置運(yùn)行參數(shù)恢復(fù)正常。

3 閥冷系統(tǒng)水質(zhì)化學(xué)監(jiān)督

3.1 內(nèi)冷水水質(zhì)

鵝城換流站內(nèi)水冷系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)采用在線檢測(cè)電導(dǎo)率和溶解氧的方法。極Ⅰ、極Ⅱ的內(nèi)冷水電導(dǎo)率一般控制在0.1 μS/cm以下，溶解氧在250 μg/L以下。2015年檢修期間對(duì)換流閥內(nèi)冷水和補(bǔ)充水進(jìn)行了取樣化驗(yàn)，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 極Ⅰ、極Ⅱ內(nèi)冷水及補(bǔ)充水水質(zhì)分析結(jié)果μg/L

極Ⅰ、極Ⅱ內(nèi)冷水均未檢出硬度成分，pH中性，銅、鐵等腐蝕產(chǎn)物離子含量和腐蝕性介質(zhì)氯離子含量也很低。結(jié)合極Ⅰ、極Ⅱ內(nèi)冷水在線和離線分析結(jié)果來(lái)看，鵝城換流站內(nèi)冷水系統(tǒng)水質(zhì)控制優(yōu)良，無(wú)明顯腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象，進(jìn)口304L/316鋼材具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。補(bǔ)充水為外購(gòu)的桶裝超純水，水質(zhì)優(yōu)良，雜質(zhì)離子極少，極大地減輕了內(nèi)冷水離子交換樹(shù)脂的處理負(fù)荷，延長(zhǎng)了樹(shù)脂的使用壽命。

3.2 外冷水水質(zhì)

鵝城換流站外冷水為地下水經(jīng)軟化、反滲透除鹽后補(bǔ)入平衡水池。考慮到蒸發(fā)、排污的損失，外冷水在循環(huán)中不斷濃縮，水中的鹽分也不斷增加，氯離子等腐蝕性離子含量提高，水中的碳酸鹽等不穩(wěn)定的鹽類會(huì)超出溶度積而發(fā)生沉積，導(dǎo)致冷卻設(shè)備腐蝕結(jié)垢，影響系統(tǒng)的換熱效果，因此必須對(duì)外冷水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控〔7〕。2015年檢修期間對(duì)極Ⅰ、極Ⅱ的外水冷系統(tǒng)進(jìn)行了取樣分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 極Ⅰ、極Ⅱ外冷水分析結(jié)果

結(jié)合本次分析結(jié)果及歷年數(shù)據(jù)分析，鵝城換流站原水水質(zhì)基本穩(wěn)定，屬于極軟堿性水，含鹽量較低。軟化罐更換樹(shù)脂后去除硬度離子效果優(yōu)良。平衡水池水質(zhì)偏腐蝕性。

4 均壓電極結(jié)垢分析與處理

閥內(nèi)冷水路將閥塔內(nèi)各個(gè)不同電位的水冷電抗器、水冷電阻及散熱片連接起來(lái)，不同電位的金屬件之間的水路就有可能產(chǎn)生電解電流，導(dǎo)致金屬件發(fā)生電解腐蝕。因此在其閥塔主進(jìn)、出水管路設(shè)置了均壓電極，而在其閥段串聯(lián)水路不設(shè)均壓電極，在散熱片接口處設(shè)置不銹鋼環(huán)，認(rèn)為電解電流可通過(guò)不銹鋼環(huán)泄漏，從而避免金屬件的腐蝕。

鵝城換流站在2015年檢修中，對(duì)均壓電極進(jìn)行了建站以來(lái)的首次抽檢。從雙極均壓電極抽檢情況看，極Ⅰ均壓電極結(jié)垢情況較極Ⅱ明顯，結(jié)垢電極分布無(wú)明顯規(guī)律。

極Ⅰ－Y/Y－B閥塔上、中、下部共抽檢11個(gè)均壓電極，其中閥塔上、下部均壓電極結(jié)垢明顯，鉑針基本被水垢覆蓋，垢質(zhì)較為堅(jiān)硬，各電極垢層厚度不一，結(jié)垢嚴(yán)重的電極垢層厚約1 mm。閥塔中部電極結(jié)垢較少，垢質(zhì)疏松，用手輕抹即可除去。極Ⅱ－Y/Δ－A閥塔上、中、下部共抽檢11個(gè)均壓電極，其中上、中部均壓電極結(jié)垢情況輕微，垢層薄且松散，用手輕抹即可除去。下部電極結(jié)垢明顯，其中抽檢的V1L3電極結(jié)垢嚴(yán)重，鉑針均被水垢覆蓋，垢質(zhì)堅(jiān)硬，垢層厚約1 mm，墊圈有部分腐蝕磨損；V1L1電極有部分垢層覆蓋，垢質(zhì)堅(jiān)硬，墊圈腐蝕磨損嚴(yán)重。

從此次抽檢情況來(lái)看，鵝城換流站投運(yùn)10余年，閥內(nèi)冷水質(zhì)控制優(yōu)良，均壓電極總體情況較好，局部結(jié)垢較為嚴(yán)重?？紤]到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，局部電極結(jié)垢明顯，電極密封墊圈難免腐蝕老化，為避免可能發(fā)生的大范圍泄露，建議安排整站檢修時(shí)，擴(kuò)大雙極閥塔均壓電極抽檢范圍，如時(shí)間允許，對(duì)全部電極進(jìn)行檢查清理，清除垢層，更換破損墊圈，消除設(shè)備隱患。

由于大部分垢樣松軟可用抹布直接抹去，較為堅(jiān)硬的垢樣也可通過(guò)工具輕松去除，且調(diào)研發(fā)現(xiàn)南網(wǎng)換流站均壓電極結(jié)垢去除也是采取人工除垢方法，因此現(xiàn)場(chǎng)均采用手工除垢法對(duì)均壓電極進(jìn)行了清理，效果良好。

5 存在的問(wèn)題及改進(jìn)建議

鵝城換流站閥冷系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，近年來(lái)未發(fā)生閥冷卻水系統(tǒng)閉鎖事故，但系統(tǒng)還是存在一定的隱患:

1)在線電導(dǎo)率表和溶解氧表長(zhǎng)期運(yùn)行，未進(jìn)行過(guò)校驗(yàn)和電極清洗等維護(hù)工作，存在較大安全隱患。建議加強(qiáng)在線化學(xué)儀表的維護(hù)工作，按照相關(guān)規(guī)定定期清洗電導(dǎo)率傳感器，并對(duì)二次儀表進(jìn)行定期校驗(yàn)。

2)換流站極Ⅰ、極Ⅱ平衡水池水體濃縮倍率較高，均有一定的腐蝕性，但結(jié)合系統(tǒng)管道材質(zhì)和多年來(lái)運(yùn)行情況來(lái)看，換熱管發(fā)生結(jié)垢或腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較低，建議定期投入平衡水池加藥裝置，提高換熱管在高濃縮倍率水體下的耐腐蝕結(jié)垢性能，并嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行排污補(bǔ)水工作。另外冷卻塔底部通風(fēng)格柵處發(fā)現(xiàn)有微生物滋生現(xiàn)象，建議定期開(kāi)展平衡水池的殺菌滅藻工作。

3)為避免閥內(nèi)冷系統(tǒng)發(fā)生大面積泄露事故，建議安排整站檢修時(shí)，擴(kuò)大雙極閥塔均壓電極抽檢范圍，如時(shí)間允許，對(duì)全部電極進(jìn)行檢查清理，清除垢層，更換破損墊圈，消除設(shè)備隱患。

6 結(jié)論

鵝城換流站閥冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，設(shè)備選材適當(dāng)，控制水質(zhì)效果良好，系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模腐蝕或結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)較低。但因投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，均壓電極存在一定程度結(jié)垢現(xiàn)象，且電極密封墊圈因老化發(fā)生大范圍滲漏的風(fēng)險(xiǎn)增大，建議進(jìn)一步開(kāi)展隱患排查治理工作，合理安排檢修項(xiàng)目，強(qiáng)化技術(shù)監(jiān)督管理，鞏固系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行局面。

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