引言

高壓直流運行過程中換流閥會產(chǎn)生大量的熱,主要通過換流閥冷卻系統(tǒng)以水為介質(zhì)對換流閥進(jìn)行冷卻。閥冷卻系統(tǒng)作為換流閥的必要輔助系統(tǒng),通過精確調(diào)控閥冷水的溫度、流量、壓力、水質(zhì)等技術(shù)指標(biāo),達(dá)到節(jié)能環(huán)保、高效冷卻的目的,保證換流閥安全、穩(wěn)定、可靠運行。換流閥冷卻系統(tǒng)主要分為內(nèi)冷水系統(tǒng)和外冷水系統(tǒng)。內(nèi)冷水系統(tǒng)為封閉循環(huán)系統(tǒng),直接與換流閥接觸實現(xiàn)冷卻功能:在換流過程中,換流站設(shè)備中的部分發(fā)熱元件會產(chǎn)生熱量,通過閥冷系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的去離子冷卻水流入各個組件,帶走發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量:外冷水系統(tǒng)為通過冷卻塔對內(nèi)冷水進(jìn)行冷卻,間接實現(xiàn)冷卻功能,然后通過外冷設(shè)備將內(nèi)冷水帶出的熱量發(fā)散到大氣環(huán)境中。典型閥冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

閉式冷卻塔(c1osed-wetcoo1ingtower,簡稱CwCT)源于工業(yè)用蒸發(fā)式冷卻器,是相對于開式冷卻塔的一種叫法,作為一種間接接觸式冷卻塔,普通冷卻塔的填料被換熱盤管組替代。其主要工作原理是通過不斷循環(huán)并噴淋在換熱盤管表面的外冷卻媒質(zhì)"水"的蒸發(fā)將熱量帶走。根據(jù)設(shè)備本身的工藝特點,這種外冷卻媒質(zhì)也稱"噴淋水"。

依據(jù)現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范,單套閥冷系統(tǒng)一般配置有一臺冗余的冷卻塔提供額外的冷卻,但隨著直流輸電工程投運年限的增加,直流工程換流閥冷卻系統(tǒng)由于水管結(jié)垢、冷卻塔設(shè)備老化等原因,冷卻能力下降,內(nèi)冷水系統(tǒng)入水溫度逼近跳閘值的情況頻發(fā),嚴(yán)重時將導(dǎo)致閥組跳閘和縮短換流閥設(shè)備壽命。文獻(xiàn)介紹了閥冷系統(tǒng)均壓電極結(jié)垢的形成機理及可能后果,文獻(xiàn)主要介紹了閥冷系統(tǒng)均壓電極除垢方法。本文主要介紹閥冷系統(tǒng)隨著運行年限增加冷卻效率下降的主要原因和冷卻能力提升措施。

1冷卻效果評估

換流閥冷卻系統(tǒng)在對換流閥冷卻過程中,主要控制參數(shù)是換流閥進(jìn)閥溫度和出閥溫度,進(jìn)出閥溫度可以控制換流閥結(jié)溫在合理范圍內(nèi),保證換流閥系統(tǒng)的壽命。因此,換流閥冷卻系統(tǒng)設(shè)置有進(jìn)閥溫度告警和跳閘功能,當(dāng)閥冷系統(tǒng)進(jìn)閥溫度超高限值后直接停運閥組,避免換流閥結(jié)溫過高損壞設(shè)備。

不考慮閥廳空調(diào)因素,在直流滿負(fù)荷、冷卻塔風(fēng)扇工頻運行時,換熱冗余量可表達(dá)為:

式中,Ti為滿負(fù)荷進(jìn)閥溫度:To為滿負(fù)荷出閥溫度:Tw為滿負(fù)荷運行時冷卻塔進(jìn)風(fēng)濕球溫度:Ti設(shè)計為設(shè)計進(jìn)閥溫度:Tw設(shè)計為冷卻塔進(jìn)風(fēng)設(shè)計濕球溫度。

應(yīng)用上述評價公式,對4個投運超過10年的換流站閥冷系統(tǒng)外冷水冷卻效果開展評估,結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)表明,廣州站在2018年增加一臺冷卻塔之后冷卻效果大幅提升,換熱冗余量從-0.15上升至0.34(且冷卻塔風(fēng)扇還未完全出力):肇慶站在2018年底更換冷卻水管之后換熱冗余量增加至0.34,具備一定冗余度:寶安站2018年及2019年換熱冗余量均在0左右,已無任何冗余度:穗東站各個閥組換熱冗余量差別較大,但2018年及2019年基本持平。

2現(xiàn)場檢測情況

根據(jù)各換流站閥冷系統(tǒng)換熱冗余量下降情況,現(xiàn)場分別對運行中的閥冷系統(tǒng)設(shè)備開展外冷水設(shè)備檢查,內(nèi)容主要包括各換流站閥冷系統(tǒng)噴淋管道流量檢測、閥冷卻塔噴嘴檢查、冷卻塔散熱量分析,通過詳細(xì)梳理各換流站閥冷系統(tǒng)冷卻塔噴淋水流量、噴嘴檢查情況、內(nèi)水冷運行數(shù)據(jù)等分析出各站的外冷冷卻塔運行狀況。

2.1噴淋水流量檢測

采用現(xiàn)場儀表測量的方式,利用超聲波流量檢測儀進(jìn)行測量。超聲波流量計主要由超聲波發(fā)生器、超聲波接收器、電子線路、流量顯示幾大部分構(gòu)成。其中,超聲波發(fā)生器主要用于產(chǎn)生超聲波并將其發(fā)射到流體中,超聲波接收器主要用于接收通過流體后的超聲波,由于受到介質(zhì)流速的影響,二者存在時間差A(yù)1,根據(jù)推算可以得出流速V和時間差A(yù)1之間的換算關(guān)系v=(C2/2L)×A1,進(jìn)而可以得到流量值Q。具體檢測結(jié)果如表2所示。

2.2冷卻塔內(nèi)部設(shè)備檢查

現(xiàn)場對運行超過10年的各回直流閥冷系統(tǒng)冷卻塔內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行檢查,包括噴嘴、集水管、蛇形盤管、填料、風(fēng)扇電機及其他塔內(nèi)設(shè)備,檢查內(nèi)容為噴嘴破損情況、噴淋水花以及流量、噴嘴及塔內(nèi)設(shè)備結(jié)垢、藻類生長情況、風(fēng)扇電機運轉(zhuǎn)情況等?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)各站均存在以下幾類問題:

(1)冷卻塔內(nèi)噴嘴處結(jié)垢嚴(yán)重,噴嘴存在破損,噴嘴出水(噴淋水)流量小:

(2)集水管外部結(jié)垢:

(3)冷卻塔下部填料水垢和藻類滋生嚴(yán)重,噴淋管道底部結(jié)垢嚴(yán)重:

(4)填料損壞嚴(yán)重:

(5)盤管邊緣沒有直接水流沖擊的地方滋生水藻:

(6)風(fēng)扇電機轉(zhuǎn)速異常,進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇皮帶松動。

2.3檢查結(jié)論

通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),每年年度檢修期間對閥冷系統(tǒng)機械除垢僅能除去外管道外表面及冷卻塔填料的水垢和藻類,對于內(nèi)冷水管道內(nèi)壁、冷卻塔內(nèi)部盤管的除垢效果不佳,且機械除垢對于冷卻塔填料的損傷較大,隨著運行年限的增加,冷卻塔內(nèi)外冷水噴嘴同樣因水垢存在水花形狀變差的問題,影響冷卻效果。

3水質(zhì)檢測情況分析

目前徹底清除閥冷系統(tǒng)的水垢和藻類存在一定難度,一般通過添加殺菌滅藻劑和緩釋阻垢劑兩種藥劑來達(dá)到抑制水垢和藻類生成的目的。具體加藥的方式與換流站當(dāng)?shù)氐乃创嬖谝欢ǖ年P(guān)聯(lián)性,一般按站點不同選取不同的方式進(jìn)行加藥,并定期取水樣分析以進(jìn)一步調(diào)整現(xiàn)有加藥方案。

選取兩個典型換流站數(shù)據(jù)如表3所示。

可以看到廣州站與穗東站兩地的自來水水質(zhì)差異較大,廣州站當(dāng)?shù)氐淖詠硭淅矢窭麪栔笖?shù)(L.S.I)為1.16,屬于結(jié)垢型水質(zhì),經(jīng)過濃縮后結(jié)垢趨勢明顯,濃縮倍數(shù)偏高會導(dǎo)致結(jié)垢加劇,因此應(yīng)加大藥劑投加:同時應(yīng)維持外冷水濃縮倍數(shù)在2倍左右,故應(yīng)加大噴淋水池的泄水量。穗東站當(dāng)?shù)刈詠硭甃.S.I=-0.3,補充水屬于輕微腐蝕型水質(zhì),屬于典型低硬度、低堿度水質(zhì),系統(tǒng)經(jīng)濃縮運行后,腐蝕性下降,結(jié)垢趨勢增加。補水水質(zhì)較好,濃縮倍數(shù)適中,極2高端濃縮倍數(shù)遠(yuǎn)超控制值,需加大棄水排污,建議濃縮倍數(shù)保持在3~5倍。系統(tǒng)水質(zhì)較好,除極2高端需加大棄水外,其他閥組按現(xiàn)有方案保持運行。

由于各換流站當(dāng)?shù)厮|(zhì)存在差異,應(yīng)對外冷水水池進(jìn)行合理泄水,控制外冷水池內(nèi)水的濃縮倍數(shù)在合理區(qū)間。L.S.I>0的站點,濃縮倍數(shù)不宜太高,保持在2左右即可,適當(dāng)增加緩釋阻垢劑的添加。對于自來水L.S.I<0的站點,其補水水質(zhì)整體較好,可保持3~5倍的濃縮倍數(shù)。各站點應(yīng)根據(jù)保持外冷水濃縮倍數(shù)的需要,打開一定比例的泄流閥,保持外冷水水池濃縮倍數(shù)的穩(wěn)定,確保水管基本不結(jié)垢。

4運維建議

(1)換流站在規(guī)劃建設(shè)階段應(yīng)優(yōu)先選擇水質(zhì)較好的水源地,以降低閥冷系統(tǒng)結(jié)垢程度和降低運維成本。具備多路水源的站點可根據(jù)水源水質(zhì)檢測結(jié)果,優(yōu)先選用朗格利爾指數(shù)較低的水源。

(2)目前閥冷加藥主要采用低磷的阻垢劑,從環(huán)保角度考慮,后續(xù)應(yīng)優(yōu)先采購無磷藥劑產(chǎn)品,但無磷藥劑需采用多種藥劑混合加投的方式取得足夠效果。目前在運直流一般僅配置單個阻垢劑加藥回路,需對各站外冷水加藥裝置進(jìn)行改造,使其滿足自動投加多種無磷藥劑的需求,同時具備人工調(diào)節(jié)加藥量功能,方便根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整藥劑投加的數(shù)量和頻率。

(3)添加阻垢劑阻垢只有在投加規(guī)律的情況下才能達(dá)到效果,需定期按量進(jìn)行加藥,管理成本較高。對于沒有缺藥報警功能的站點應(yīng)申報項目,將缺藥告警信號送至工作站,便于運行人員及時發(fā)現(xiàn)缺藥并進(jìn)行藥劑投加。同時,緩釋阻垢劑屬于強酸性藥劑,結(jié)合藥劑腐蝕管道引起滲漏的缺陷,對藥劑從藥桶里抽至主水管道或外冷水池的中間管道材質(zhì)建議優(yōu)先采用UPVC材質(zhì),如使用不銹鋼材質(zhì)則應(yīng)使用316不銹鋼,且不能有焊縫。

(4)從加藥阻垢效果來看,目前暫不能完全避免水垢的生成,如部分站點蛇形管表面仍存在一層很薄的硬質(zhì)垢,通過人工敲打無法消除,此外在蛇形管的中間部位由于空間太小人工除垢也無法覆蓋此區(qū)域。噴淋水管的內(nèi)壁也會結(jié)垢,結(jié)垢后會導(dǎo)致噴淋水流量降低,影響換熱效率,內(nèi)壁的水垢也無法通過人工去除。因此,有條件的站點在管道材質(zhì)允許的條件下可以推廣化學(xué)清洗除垢方法,根據(jù)部分站點使用的效果來看,化學(xué)除垢較為徹底。

(5)定期對冷卻塔易損部件進(jìn)行更換,一般可按照風(fēng)機電機軸承及冷卻塔內(nèi)部風(fēng)扇軸承2年、冷卻塔電機軸8年、風(fēng)扇葉片12年、風(fēng)扇皮帶4年、噴嘴和蛇形管12年的頻率進(jìn)行更換。

(6)在外冷水補水回路上安裝反滲透裝置,降低水的硬度,阻止水垢生成。目前南網(wǎng)各回新建直流均配置了反滲透裝置,反滲透裝置安裝在外冷水補水回路上,抑制結(jié)垢效果明顯。加裝了反滲透裝置的站點外冷水化學(xué)處理的重點是防止設(shè)備腐蝕,使用的藥劑性能應(yīng)側(cè)重在防腐蝕:反滲透裝置的處理藥劑與外冷水池的藥劑在藥劑顆粒大小上存在差異,不能混用,否則容易引起反滲透膜堵塞。