±500 kV换流站阀冷系统水质监督与结垢分析

2015-03-16刘凯

湖南电力 2015年4期

关键词：垫圈换流站水冷

刘凯

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙 410007)

±500 kV换流站阀冷系统水质监督与结垢分析

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

刘凯

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙 410007)

分析±500 kV鹅城换流站阀冷系统的基本构成和运行状况，对其阀内、外水冷系统的运行水质进行监督，对均压电极结垢状况进行分析和处理，并对阀冷系统的运行维护提出一些改进建议。

换流站；阀冷系统；水质；化学监督；均压电极；结垢

阀冷系统是直流输电系统中最重要的辅助系统〔1〕，阀冷系统故障会引起换流阀元件散热不良，导致元件过热烧毁，严重影响设备安全和系统稳定运行。定期开展阀水冷系统水质监督评价，对均压电极结垢情况进行分析和处理，对于维护直流输电的安全稳定运行具有重要意义。

1 阀冷系统构成

±500 kV鹅城换流站采用ABB公司生产的换流阀，其水冷装置由SWEDE WATER公司生产，由内冷水系统和外冷水系统2个部分组成，其原理见图1〔2〕。

图1 阀水冷系统原理图

1.1 内水冷系统

内水冷系统是一个密闭循环冷却系统，由主循环回路和水处理回路2个部分组成。在主循环回路中，冷却水通过可控硅阀和冷却塔来构成循环回路。水处理回路包括离子交换罐、膨胀罐和补水泵。离子交换罐用于去除水中杂质离子，净化水质。膨胀罐用于确保内冷水系统的基准压力，兼有除氧和判断内冷水系统泄漏功能。

1.2 外冷水系统

外水冷系统主要作用是提供合格的喷淋水以冷却内冷水，主要由软化罐及再生单元、反渗透处理单元、平衡水池等组成。软化单元用于去除生水中的钙镁离子，为反渗透单元提供合格的软化水。反渗透单元可过滤水中的金属离子，降低水中的盐分，防止外水冷系统的腐蚀结垢。

2 阀冷系统运行状况

2.1 内水冷系统

内水冷系统与运行的电气设备直接接触，对其运行工况有较为严格的要求，该换流站内水冷系统主要设计参数见表1。一般换流站内水冷系统运行故障主要体现在以下几个方面:①水质异常导致的腐蚀结垢；②流量、温度、压力等信号异常导致的保护动作；③管道、阀门、泵机械故障；④其它故障。

表1 换流站内水冷系统主要设计参数

天广直流和贵广直流工程换流阀阀冷系统的散热器与水接触部分材质为铝。阀水冷系统多次发生堵塞、漏水异常，导致元件过热以及直流系统被迫停运，严重影响了系统的安全可靠运行〔3〕。检查发现，阀冷系统异常的原因是内冷水系统中存在一定程度的材质腐蚀与沉积情况。散热器的金属铝在水中的电化学反应是导致阀冷系统中腐蚀与沉积的根本原因；兴安直流工程也多次出现阀内冷水主过滤器堵塞引起的内冷水流量降低，随后出现主过滤器进出水压差逐渐升高的故障现象，究其原因也主要是铝材腐蚀沉积结垢的缘故〔4〕。鹅城换流站选择阀冷系统材料时充分考虑到腐蚀问题，所有与冷却介质接触的设备材质都是 304L/316不锈钢、EPDM橡胶或PVDF，所有的垫圈都是由不带有石棉的氯化物和氟化物制成，且内冷水系统补水为外购的高纯水，离子交换树脂也严格按照厂家要求，购置进口混合树脂，每年更换串联回路中第1个离子交换罐中的树脂，并将更换树脂的离子交换罐作为串联回路中的第2个运行。运行至今未出现因内冷水系统腐蚀或结垢影响换热效果而导致系统停运的故障。

鹅城换流站内水冷系统已发生的运行故障主要集中在设备机械故障和传感器信号异常2个方面。如极I曾因Y/YC相阀塔顶部内冷水水管法兰漏水发生停运事故。该水管连接处上下分别为钢材和塑料，中间是橡皮垫圈。事故原因为长期运行震动后螺丝松动和防震弹簧垫圈力矩太小未能紧固螺丝所致。2008年曾出现极Ⅰ内水冷A系统频发 “主水流量高”报警的异常。运维人员通过改进系统运行参数或设置，消除了这些异常和隐患。

2.2 外水冷系统

外水冷系统的效果直接决定内水冷的冷却容量。随着外冷却水的循环，水中的盐类不断浓缩，随空气及其他原因进入外水冷系统的灰尘、微生物等，也加大了外水冷系统腐蚀结垢的可能。目前外水冷水处理系统主要有加药和软化反渗透2种水处理方式。葛洲坝换流站曾发生因冷却器管外表面结垢，喷淋头部分堵塞，导致换热受到影响〔5〕。江陵换流站曾发生因软化罐出水硬度高导致反渗透膜发生堵塞而无法向平衡水池补水〔6〕。

鹅城换流站也曾发生因软化罐顶部进水过滤器被异物堵塞，导致外冷水系统不能及时补水的故障。后经改造，在软化单元进水处安装袋式过滤器，并且定期更换过滤网，避免了此类故障的再次发生。

近两年检查时未发现鹅城换流站冷却塔内蛇形换热管表面有明显结垢或微生物滋生现象，平衡水池也未发现明显长藻现象，仅在两极冷却塔底部通风格栅处发现有少许微生物滋生现象。

2013年下半年发现反渗透装置运行压力异常升高，产水流量下降较为明显，因该站自投运以来未对反渗透膜进行过化学清洗，考虑到反渗透装置膜元件运行已超过8年，最终决定不进行清洗，于2014年度检修期间对反渗透膜进行整体更换，更换后反渗透装置运行参数恢复正常。

3 阀冷系统水质化学监督

3.1 内冷水水质

鹅城换流站内水冷系统水质监测采用在线检测电导率和溶解氧的方法。极Ⅰ、极Ⅱ的内冷水电导率一般控制在0.1 μS/cm以下，溶解氧在250 μg/L以下。2015年检修期间对换流阀内冷水和补充水进行了取样化验，分析结果见表2。

表2 极Ⅰ、极Ⅱ内冷水及补充水水质分析结果μg/L

极Ⅰ、极Ⅱ内冷水均未检出硬度成分，pH中性，铜、铁等腐蚀产物离子含量和腐蚀性介质氯离子含量也很低。结合极Ⅰ、极Ⅱ内冷水在线和离线分析结果来看，鹅城换流站内冷水系统水质控制优良，无明显腐蚀结垢现象，进口304L/316钢材具有优良的抗腐蚀性能。补充水为外购的桶装超纯水，水质优良，杂质离子极少，极大地减轻了内冷水离子交换树脂的处理负荷，延长了树脂的使用寿命。

3.2 外冷水水质

鹅城换流站外冷水为地下水经软化、反渗透除盐后补入平衡水池。考虑到蒸发、排污的损失，外冷水在循环中不断浓缩，水中的盐分也不断增加，氯离子等腐蚀性离子含量提高，水中的碳酸盐等不稳定的盐类会超出溶度积而发生沉积，导致冷却设备腐蚀结垢，影响系统的换热效果，因此必须对外冷水水质进行监控〔7〕。2015年检修期间对极Ⅰ、极Ⅱ的外水冷系统进行了取样分析，分析结果见表3。

表3 极Ⅰ、极Ⅱ外冷水分析结果

结合本次分析结果及历年数据分析，鹅城换流站原水水质基本稳定，属于极软碱性水，含盐量较低。软化罐更换树脂后去除硬度离子效果优良。平衡水池水质偏腐蚀性。

4 均压电极结垢分析与处理

阀内冷水路将阀塔内各个不同电位的水冷电抗器、水冷电阻及散热片连接起来，不同电位的金属件之间的水路就有可能产生电解电流，导致金属件发生电解腐蚀。因此在其阀塔主进、出水管路设置了均压电极，而在其阀段串联水路不设均压电极，在散热片接口处设置不锈钢环，认为电解电流可通过不锈钢环泄漏，从而避免金属件的腐蚀。

鹅城换流站在2015年检修中，对均压电极进行了建站以来的首次抽检。从双极均压电极抽检情况看，极Ⅰ均压电极结垢情况较极Ⅱ明显，结垢电极分布无明显规律。

极Ⅰ－Y/Y－B阀塔上、中、下部共抽检11个均压电极，其中阀塔上、下部均压电极结垢明显，铂针基本被水垢覆盖，垢质较为坚硬，各电极垢层厚度不一，结垢严重的电极垢层厚约1 mm。阀塔中部电极结垢较少，垢质疏松，用手轻抹即可除去。极Ⅱ－Y/Δ－A阀塔上、中、下部共抽检11个均压电极，其中上、中部均压电极结垢情况轻微，垢层薄且松散，用手轻抹即可除去。下部电极结垢明显，其中抽检的V1L3电极结垢严重，铂针均被水垢覆盖，垢质坚硬，垢层厚约1 mm，垫圈有部分腐蚀磨损；V1L1电极有部分垢层覆盖，垢质坚硬，垫圈腐蚀磨损严重。

从此次抽检情况来看，鹅城换流站投运10余年，阀内冷水质控制优良，均压电极总体情况较好，局部结垢较为严重。考虑到系统运行时间较长，局部电极结垢明显，电极密封垫圈难免腐蚀老化，为避免可能发生的大范围泄露，建议安排整站检修时，扩大双极阀塔均压电极抽检范围，如时间允许，对全部电极进行检查清理，清除垢层，更换破损垫圈，消除设备隐患。

由于大部分垢样松软可用抹布直接抹去，较为坚硬的垢样也可通过工具轻松去除，且调研发现南网换流站均压电极结垢去除也是采取人工除垢方法，因此现场均采用手工除垢法对均压电极进行了清理，效果良好。

5 存在的问题及改进建议

鹅城换流站阀冷系统运行较为稳定，近年来未发生阀冷却水系统闭锁事故，但系统还是存在一定的隐患:

1)在线电导率表和溶解氧表长期运行，未进行过校验和电极清洗等维护工作，存在较大安全隐患。建议加强在线化学仪表的维护工作，按照相关规定定期清洗电导率传感器，并对二次仪表进行定期校验。

2)换流站极Ⅰ、极Ⅱ平衡水池水体浓缩倍率较高，均有一定的腐蚀性，但结合系统管道材质和多年来运行情况来看，换热管发生结垢或腐蚀风险较低，建议定期投入平衡水池加药装置，提高换热管在高浓缩倍率水体下的耐腐蚀结垢性能，并严格按规定进行排污补水工作。另外冷却塔底部通风格栅处发现有微生物滋生现象，建议定期开展平衡水池的杀菌灭藻工作。

3)为避免阀内冷系统发生大面积泄露事故，建议安排整站检修时，扩大双极阀塔均压电极抽检范围，如时间允许，对全部电极进行检查清理，清除垢层，更换破损垫圈，消除设备隐患。