高压直流换流阀冷却系统冷却能力评估方法和提升措施研究

引言

高压直流运行过程中换流阀会产生大量的热,主要通过换流阀冷却系统以水为介质对换流阀进行冷却。阀冷却系统作为换流阀的必要辅助系统,通过精确调控阀冷水的温度、流量、压力、水质等技术指标,达到节能环保、高效冷却的目的,保证换流阀安全、稳定、可靠运行。换流阀冷却系统主要分为内冷水系统和外冷水系统。内冷水系统为封闭循环系统,直接与换流阀接触实现冷却功能:在换流过程中,换流站设备中的部分发热元件会产生热量,通过阀冷系统内循环的去离子冷却水流入各个组件,带走发热元件产生的热量:外冷水系统为通过冷却塔对内冷水进行冷却,间接实现冷却功能,然后通过外冷设备将内冷水带出的热量发散到大气环境中。典型阀冷系统结构图如图1所示。

闭式冷却塔(c1osed-wetcoo1ingtower,简称CwCT)源于工业用蒸发式冷却器,是相对于开式冷却塔的一种叫法,作为一种间接接触式冷却塔,普通冷却塔的填料被换热盘管组替代。其主要工作原理是通过不断循环并喷淋在换热盘管表面的外冷却媒质"水"的蒸发将热量带走。根据设备本身的工艺特点,这种外冷却媒质也称"喷淋水"。

依据现有设计规范,单套阀冷系统一般配置有一台冗余的冷却塔提供额外的冷却,但随着直流输电工程投运年限的增加,直流工程换流阀冷却系统由于水管结垢、冷却塔设备老化等原因,冷却能力下降,内冷水系统入水温度逼近跳闸值的情况频发,严重时将导致阀组跳闸和缩短换流阀设备寿命。文献介绍了阀冷系统均压电极结垢的形成机理及可能后果,文献主要介绍了阀冷系统均压电极除垢方法。本文主要介绍阀冷系统随着运行年限增加冷却效率下降的主要原因和冷却能力提升措施。

1冷却效果评估

换流阀冷却系统在对换流阀冷却过程中,主要控制参数是换流阀进阀温度和出阀温度,进出阀温度可以控制换流阀结温在合理范围内,保证换流阀系统的寿命。因此,换流阀冷却系统设置有进阀温度告警和跳闸功能,当阀冷系统进阀温度超高限值后直接停运阀组,避免换流阀结温过高损坏设备。

不考虑阀厅空调因素,在直流满负荷、冷却塔风扇工频运行时,换热冗余量可表达为:

式中,Ti为满负荷进阀温度:To为满负荷出阀温度:Tw为满负荷运行时冷却塔进风湿球温度:Ti设计为设计进阀温度:Tw设计为冷却塔进风设计湿球温度。

应用上述评价公式,对4个投运超过10年的换流站阀冷系统外冷水冷却效果开展评估,结果如表1所示。数据表明,广州站在2018年增加一台冷却塔之后冷却效果大幅提升,换热冗余量从-0.15上升至0.34(且冷却塔风扇还未完全出力):肇庆站在2018年底更换冷却水管之后换热冗余量增加至0.34,具备一定冗余度:宝安站2018年及2019年换热冗余量均在0左右,已无任何冗余度:穗东站各个阀组换热冗余量差别较大,但2018年及2019年基本持平。

2现场检测情况

根据各换流站阀冷系统换热冗余量下降情况,现场分别对运行中的阀冷系统设备开展外冷水设备检查,内容主要包括各换流站阀冷系统喷淋管道流量检测、阀冷却塔喷嘴检查、冷却塔散热量分析,通过详细梳理各换流站阀冷系统冷却塔喷淋水流量、喷嘴检查情况、内水冷运行数据等分析出各站的外冷冷却塔运行状况。

2.1喷淋水流量检测

采用现场仪表测量的方式,利用超声波流量检测仪进行测量。超声波流量计主要由超声波发生器、超声波接收器、电子线路、流量显示几大部分构成。其中,超声波发生器主要用于产生超声波并将其发射到流体中,超声波接收器主要用于接收通过流体后的超声波,由于受到介质流速的影响,二者存在时间差A1,根据推算可以得出流速V和时间差A1之间的换算关系v=(C2/2L)×A1,进而可以得到流量值Q。具体检测结果如表2所示。

2.2冷却塔内部设备检查

现场对运行超过10年的各回直流阀冷系统冷却塔内部设备进行检查,包括喷嘴、集水管、蛇形盘管、填料、风扇电机及其他塔内设备,检查内容为喷嘴破损情况、喷淋水花以及流量、喷嘴及塔内设备结垢、藻类生长情况、风扇电机运转情况等。现场检查发现各站均存在以下几类问题:

(1)冷却塔内喷嘴处结垢严重,喷嘴存在破损,喷嘴出水(喷淋水)流量小:

(2)集水管外部结垢:

(3)冷却塔下部填料水垢和藻类滋生严重,喷淋管道底部结垢严重:

(4)填料损坏严重:

(5)盘管边缘没有直接水流冲击的地方滋生水藻:

(6)风扇电机转速异常,进一步检查发现风扇皮带松动。

2.3检查结论

通过现场检查发现,每年年度检修期间对阀冷系统机械除垢仅能除去外管道外表面及冷却塔填料的水垢和藻类,对于内冷水管道内壁、冷却塔内部盘管的除垢效果不佳,且机械除垢对于冷却塔填料的损伤较大,随着运行年限的增加,冷却塔内外冷水喷嘴同样因水垢存在水花形状变差的问题,影响冷却效果。

3水质检测情况分析

目前彻底清除阀冷系统的水垢和藻类存在一定难度,一般通过添加杀菌灭藻剂和缓释阻垢剂两种药剂来达到抑制水垢和藻类生成的目的。具体加药的方式与换流站当地的水源存在一定的关联性,一般按站点不同选取不同的方式进行加药,并定期取水样分析以进一步调整现有加药方案。

选取两个典型换流站数据如表3所示。

可以看到广州站与穗东站两地的自来水水质差异较大,广州站当地的自来水其朗格利尔指数(L.S.I)为1.16,属于结垢型水质,经过浓缩后结垢趋势明显,浓缩倍数偏高会导致结垢加剧,因此应加大药剂投加:同时应维持外冷水浓缩倍数在2倍左右,故应加大喷淋水池的泄水量。穗东站当地自来水L.S.I=-0.3,补充水属于轻微腐蚀型水质,属于典型低硬度、低碱度水质,系统经浓缩运行后,腐蚀性下降,结垢趋势增加。补水水质较好,浓缩倍数适中,极2高端浓缩倍数远超控制值,需加大弃水排污,建议浓缩倍数保持在3~5倍。系统水质较好,除极2高端需加大弃水外,其他阀组按现有方案保持运行。

由于各换流站当地水质存在差异,应对外冷水水池进行合理泄水,控制外冷水池内水的浓缩倍数在合理区间。L.S.I>0的站点,浓缩倍数不宜太高,保持在2左右即可,适当增加缓释阻垢剂的添加。对于自来水L.S.I<0的站点,其补水水质整体较好,可保持3~5倍的浓缩倍数。各站点应根据保持外冷水浓缩倍数的需要,打开一定比例的泄流阀,保持外冷水水池浓缩倍数的稳定,确保水管基本不结垢。

4运维建议

(1)换流站在规划建设阶段应优先选择水质较好的水源地,以降低阀冷系统结垢程度和降低运维成本。具备多路水源的站点可根据水源水质检测结果,优先选用朗格利尔指数较低的水源。

(2)目前阀冷加药主要采用低磷的阻垢剂,从环保角度考虑,后续应优先采购无磷药剂产品,但无磷药剂需采用多种药剂混合加投的方式取得足够效果。目前在运直流一般仅配置单个阻垢剂加药回路,需对各站外冷水加药装置进行改造,使其满足自动投加多种无磷药剂的需求,同时具备人工调节加药量功能,方便根据水质监测结果及时调整药剂投加的数量和频率。

(3)添加阻垢剂阻垢只有在投加规律的情况下才能达到效果,需定期按量进行加药,管理成本较高。对于没有缺药报警功能的站点应申报项目,将缺药告警信号送至工作站,便于运行人员及时发现缺药并进行药剂投加。同时,缓释阻垢剂属于强酸性药剂,结合药剂腐蚀管道引起渗漏的缺陷,对药剂从药桶里抽至主水管道或外冷水池的中间管道材质建议优先采用UPVC材质,如使用不锈钢材质则应使用316不锈钢,且不能有焊缝。

(4)从加药阻垢效果来看,目前暂不能完全避免水垢的生成,如部分站点蛇形管表面仍存在一层很薄的硬质垢,通过人工敲打无法消除,此外在蛇形管的中间部位由于空间太小人工除垢也无法覆盖此区域。喷淋水管的内壁也会结垢,结垢后会导致喷淋水流量降低,影响换热效率,内壁的水垢也无法通过人工去除。因此,有条件的站点在管道材质允许的条件下可以推广化学清洗除垢方法,根据部分站点使用的效果来看,化学除垢较为彻底。

(5)定期对冷却塔易损部件进行更换,一般可按照风机电机轴承及冷却塔内部风扇轴承2年、冷却塔电机轴8年、风扇叶片12年、风扇皮带4年、喷嘴和蛇形管12年的频率进行更换。

(6)在外冷水补水回路上安装反渗透装置,降低水的硬度,阻止水垢生成。目前南网各回新建直流均配置了反渗透装置,反渗透装置安装在外冷水补水回路上,抑制结垢效果明显。加装了反渗透装置的站点外冷水化学处理的重点是防止设备腐蚀,使用的药剂性能应侧重在防腐蚀:反渗透装置的处理药剂与外冷水池的药剂在药剂颗粒大小上存在差异,不能混用,否则容易引起反渗透膜堵塞。