高壓直流換流閥冷卻系統(tǒng)冷卻能力評(píng)估方法和提升措施研究

引言

高壓直流運(yùn)行過(guò)程中換流閥會(huì)產(chǎn)生大量的熱,主要通過(guò)換流閥冷卻系統(tǒng)以水為介質(zhì)對(duì)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(guò)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(yùn)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(shí)現(xiàn)冷卻功能:在換流過(guò)程中,換流站設(shè)備中的部分發(fā)熱元件會(huì)產(chǎn)生熱量,通過(guò)閥冷系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的去離子冷卻水流入各個(gè)組件,帶走發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量:外冷水系統(tǒng)為通過(guò)冷卻塔對(duì)內(nèi)冷水進(jìn)行冷卻,間接實(shí)現(xiàn)冷卻功能,然后通過(guò)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(jiǎn)稱CwCT)源于工業(yè)用蒸發(fā)式冷卻器,是相對(duì)于開(kāi)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(guò)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(diǎn),這種外冷卻媒質(zhì)也稱"噴淋水"。

依據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范,單套閥冷系統(tǒng)一般配置有一臺(tái)冗余的冷卻塔提供額外的冷卻,但隨著直流輸電工程投運(yùn)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(shí)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(jī)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(yùn)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(píng)估

換流閥冷卻系統(tǒng)在對(duì)換流閥冷卻過(guò)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(yùn)閥組,避免換流閥結(jié)溫過(guò)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(yùn)行時(shí),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(yùn)行時(shí)冷卻塔進(jìn)風(fēng)濕球溫度:Ti設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)進(jìn)閥溫度:Tw設(shè)計(jì)為冷卻塔進(jìn)風(fēng)設(shè)計(jì)濕球溫度。

應(yīng)用上述評(píng)價(jià)公式,對(duì)4個(gè)投運(yùn)超過(guò)10年的換流站閥冷系統(tǒng)外冷水冷卻效果開(kāi)展評(píng)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(tái)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(wú)任何冗余度:穗東站各個(gè)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(chǎng)檢測(cè)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(chǎng)分別對(duì)運(yùn)行中的閥冷系統(tǒng)設(shè)備開(kāi)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(cè)、閥冷卻塔噴嘴檢查、冷卻塔散熱量分析,通過(guò)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(yùn)行數(shù)據(jù)等分析出各站的外冷冷卻塔運(yùn)行狀況。

2.1噴淋水流量檢測(cè)

采用現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)量的方式,利用超聲波流量檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量。超聲波流量計(jì)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(guò)流體后的超聲波,由于受到介質(zhì)流速的影響,二者存在時(shí)間差A(yù)1,根據(jù)推算可以得出流速V和時(shí)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(cè)結(jié)果如表2所示。

2.2冷卻塔內(nèi)部設(shè)備檢查

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)運(yùn)行超過(guò)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(jī)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(zhǎng)情況、風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況等?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)各站均存在以下幾類問(wèn)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(méi)有直接水流沖擊的地方滋生水藻:

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

2.3檢查結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),每年年度檢修期間對(duì)閥冷系統(tǒng)機(jī)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(duì)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(jī)械除垢對(duì)于冷卻塔填料的損傷較大,隨著運(yùn)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(wèn)題,影響冷卻效果。

3水質(zhì)檢測(cè)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(guò)添加殺菌滅藻劑和緩釋阻垢劑兩種藥劑來(lái)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(diǎn)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(gè)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(lái)水水質(zhì)差異較大,廣州站當(dāng)?shù)氐淖詠?lái)水其朗格利爾指數(shù)(L.S.I)為1.16,屬于結(jié)垢型水質(zhì),經(jīng)過(guò)濃縮后結(jié)垢趨勢(shì)明顯,濃縮倍數(shù)偏高會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢加劇,因此應(yīng)加大藥劑投加:同時(shí)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?lái)水L.S.I=-0.3,補(bǔ)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(yùn)行后,腐蝕性下降,結(jié)垢趨勢(shì)增加。補(bǔ)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(yùn)行。

由于各換流站當(dāng)?shù)厮|(zhì)存在差異,應(yīng)對(duì)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(diǎn),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(duì)于自來(lái)水L.S.I<0的站點(diǎn),其補(bǔ)水水質(zhì)整體較好,可保持3~5倍的濃縮倍數(shù)。各站點(diǎn)應(yīng)根據(jù)保持外冷水濃縮倍數(shù)的需要,打開(kāi)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(yùn)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(yùn)維成本。具備多路水源的站點(diǎn)可根據(jù)水源水質(zhì)檢測(cè)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(gòu)無(wú)磷藥劑產(chǎn)品,但無(wú)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(yùn)直流一般僅配置單個(gè)阻垢劑加藥回路,需對(duì)各站外冷水加藥裝置進(jìn)行改造,使其滿足自動(dòng)投加多種無(wú)磷藥劑的需求,同時(shí)具備人工調(diào)節(jié)加藥量功能,方便根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)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(duì)于沒(méi)有缺藥報(bào)警功能的站點(diǎn)應(yīng)申報(bào)項(xiàng)目,將缺藥告警信號(hào)送至工作站,便于運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺藥并進(jìn)行藥劑投加。同時(shí),緩釋阻垢劑屬于強(qiáng)酸性藥劑,結(jié)合藥劑腐蝕管道引起滲漏的缺陷,對(duì)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(lái)看,目前暫不能完全避免水垢的生成,如部分站點(diǎn)蛇形管表面仍存在一層很薄的硬質(zhì)垢,通過(guò)人工敲打無(wú)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(wú)法覆蓋此區(qū)域。噴淋水管的內(nèi)壁也會(huì)結(jié)垢,結(jié)垢后會(huì)導(dǎo)致噴淋水流量降低,影響換熱效率,內(nèi)壁的水垢也無(wú)法通過(guò)人工去除。因此,有條件的站點(diǎn)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(diǎn)使用的效果來(lái)看,化學(xué)除垢較為徹底。

(5)定期對(duì)冷卻塔易損部件進(jìn)行更換,一般可按照風(fēng)機(jī)電機(jī)軸承及冷卻塔內(nèi)部風(fēng)扇軸承2年、冷卻塔電機(jī)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(bǔ)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(bǔ)水回路上,抑制結(jié)垢效果明顯。加裝了反滲透裝置的站點(diǎn)外冷水化學(xué)處理的重點(diǎn)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。