电去离子技术在换流阀冷却系统的应用

梁家豪， 赖桂森， 李剑芳， 李乾坤， 崔鹏飞， 吴安兵

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局， 广州 510663；2.广州高澜节能技术股份有限公司， 广州 510663）

目前， 有很多机构正在研究高压直流换流阀均压电极结垢的机理， 并试图寻找有效的解决方案，有研究人员认为采用深度除盐水质精处理可以有效减缓均压电极结垢［1-3］。 电去离子技术（EDI）是将电渗析和离子交换技术有机结合的深度除盐新工艺［4］， 可以持续制备电子级高纯水［5］， 有望成为减缓均压电极结垢的解决方案。 近年来， EDI 在热电厂、 核电厂等行业的超纯水制备工艺中得到越来越广泛的应用［6-8］， 其运行结果表明EDI 工艺的产水水质稳定、 纯度高， 满足电厂对水质的要求。

针对降低或去除工业冷却水系统补充水的结垢物质， 王方［9］研究采用EDI 软水装置代替离子交换软化装置， 不仅能提高处理效果， 简化操作， 还能提高冷却水系统的浓缩倍数， 达到水资源的重复利用。 王梦玲等［10］总结了全膜法水处理技术在高压直流输电调相机内冷水处理的运行效果， 该装置产水满足调相机内冷水补给的各项水质要求。

针对首次在高压直流换流阀冷却系统中应用EDI 工艺， 本文在基于大量电厂应用EDI 工程经验的基础上， 提出了适用于换流阀冷却系统的EDI 系统应用方案， 介绍EDI 应用在换流阀冷却系统的运行效果， 并对运行影响因素、 技术经济进行分析。

1 工程概况

某换流站阀冷系统采用密闭式循环纯水冷却系统， 它包括内冷系统、 外冷系统、 输配水系统及控制系统， 其中内冷系统包括主循环冷却回路、 去离子水处理回路、 稳压系统、 辅助系统等［11］。 该工程通过改造某换流阀内冷系统， 将新增的EDI 系统并联在原有的离子交换树脂混床回路上， 建成后阀冷系统可选择EDI 回路运行或离子交换树脂混床回路运行， 某换流阀冷却系统的主要技术参数见表1。

表1 某换流阀冷却系统主要技术参数Tab. 1 Main technical parameters of a converter valve cooling system

2 EDI 系统应用方案

2.1 EDI 系统设计

该EDI 系统采用了RO-EDI 全膜法工艺， 如图1 所示， RO 装置的产水用于EDI 装置补水支路和浓水循环回路的补充水， EDI 装置作为换流阀冷却系统的内冷水处理设备。 RO 装置采用间断工作模式， EDI 装置采用连续工作模式。 EDI 装置配置了独立的排风系统， 用于排放EDI 膜堆产生的氢气。

图1 EDI 系统工艺流程Fig. 1 Process flow of EDI system

EDI 装置的淡水入口、 产水出口并联在原离子交换树脂混床两端， 通过切换装置， 可选择切换运行EDI 回路或离子交换树脂混床回路， EDI 系统主要技术参数见表2， EDI 膜堆进水水质要求见表3。

表2 EDI 系统主要技术参数Tab. 2 Main technical parameters of EDI system

表3 EDI 膜堆进水水质要求Tab. 3 Influent water quality requirements of EDI unit

2.2 控制策略

EDI 系统采用PLC 控制， 实时监测电导率、液位、 流量、 压力、 温度等参数， 当检测到异常信号时， EDI 控制系统快速发出调整指令， 通过预定程序驱动执行机构， 确保EDI 系统能与换流阀冷却系统智能联动、 稳定运行， 控制原理如图2 所示。 EDI 系统具备缺水、 泄漏、 电导率高等保护功能， 一旦触发故障保护程序， EDI 控制系统将切换成离子交换树脂混床回路， 关断EDI 回路， 同时向远程上位机发送报警信号， 及时通知调试人员。

图2 EDI 控制系统原理Fig. 2 Principle of EDI control system

3 运行效果

（1） RO 装置。 RO 装置进水水源为市政自来水， 进水电导率为169.6 μS／cm， 进水流量Q1为30 L／min。 水处理流程为： 自来水→原水箱→原水泵→砂滤器→碳滤器→保安过滤器→高压泵→RO组件， 产水存储在EDI 装置的中间水箱里。 RO 装置浓水流量Q3调节为15.5 L／min， 此时RO 装置的产水流量Q2为14.5 L／min， 产水电导率为3.73 μS／cm， 满足EDI 装置的进水水质要求。

（2） EDI 装置。 EDI 装置淡水室进水为换流阀冷却系统内冷水， 经过EDI 装置处理后流回换流阀冷却系统。 EDI 装置的浓水采用循环利用方式， 其浓水回路和淡水回路独立分开， 因此EDI 装置运行时没有因浓水排放而导致换流阀冷却系统内冷水损失的问题。 EDI 膜堆采用恒流控制模式， 每个EDI膜堆给定工作电流为2 A， 工作电压在65 ～89 V 范围内， EDI 装置淡水进水流量Q4为170.2 L／min， 产水出口流量Q5为170.1 L／min， 浓水回路流量Q6为52.8 L／min， 浓水电导率为117 μS／cm。 运行结果表明， EDI 装置产水电导率一直稳定在0.06 ～0.08 μS／cm， 满足换流阀冷却系统去离子水的技术要求。

（3） EDI 回路与离子交换树脂混床回路切换。换流阀冷却系统运行期间， 可以在线进行EDI 回路或离子交换树脂混床回路的切换运行， 流量变化如图3 所示。 从图3 可知， 回路切换过程中的流量变化范围为176.2 ～209.3 L／min， 流量从变动到稳定总用时约31 s， 总体波动幅度小、 时间短， 满足换流阀冷却系统稳定运行要求。

图3 回路切换时的流量变化Fig. 3 Flow rate changes when the circuit is switched

（4） 换流阀冷却系统。 主循环冷却水流量给定4 980 L／min， 换流阀冷却系统运行期间， 先后切换成离子交换树脂混床回路运行和EDI 回路运行， 各回路流量均给定170 L／min， 记录运行数据。 内冷水温度为36.5 ℃时， 离子交换树脂混床回路运行时的的混床产水电导率为0.08 ～0.10 μS／cm， 主循环冷却水电导率为0.09 ～0.11 μS／cm； EDI 回路运行时的EDI 产水电导率为0.06 ～0.08 μS／cm， 主循环冷却水电导率为0.08 ～0.10 μS／cm。 可见， EDI 回路运行时， 产水水质优于离子交换树脂混床出水水质， 主循环冷却水电导率有所改善。

4 运行影响因素分析

影响换流阀冷却系统EDI 运行的因素较多，主要有以下几个方面：

（1） 进水水质。 进水水质对EDI 的产水品质、运行性能、 能耗、 寿命等方面有重要影响， 因此需对进水水质进行监测和控制。 换流阀冷却系统的实际运行参数及内冷水水质检测结果见表4。 对比表3 的EDI 膜堆进水水质要求可知， 内冷水压力小于0.7 MPa， 电导率小于40 μS／cm， 水温小于45 ℃，总氯、 铁、 锰元素未检出， 总硬度小于1.0 mg／L，因此该换流阀冷却系统的内冷水可以直接进入EDI膜堆， 不需要额外预处理。

表4 某换流阀冷却系统的实际运行参数和内冷水水质Tab. 4 Actual operating parameters of a converter valve cooling system and internal cooling water quality

（2） 内冷水损失。 换流阀冷却系统属于密闭循环系统， 对运行压力、 流量、 温度、 电导率、 液位等参数有着严格的要求。 EDI 膜堆运行过程中会存在少量的极水、 浓水排放， 如浓水室与淡水室采取同一水源， 内冷水会不断流失， 冷却系统出现压力低、 液位低、 流量不足等故障， 严重的还会导致换流阀闭锁， 造成重大经济损失， 因此需要通过优化设计减少内冷水流失， 并采取有效的补水措施， 以维持换流阀冷却系统的正常运行。

该工程的EDI 膜堆采用了淡水和浓水独立分开的方式， 淡水回路并联换流阀内冷系统， 取内冷水作为淡水回路的进水水源， 浓水回路则取RO 产水作为进水水源。 换流阀冷却系统内冷水只进入EDI 膜堆的淡水室， 去除离子后又流回换流阀冷却系统， 因此回收率达到99%以上， 大大降低了内冷水流失， 保障了换流阀冷却系统安全、 稳定运行。

（3） 操作电流。 EDI 膜堆的操作电流与进水水质、 产水流量等有关， 通常操作电流设定范围为1 ～6 A， 直流电源器在恒流控制模式下会根据EDI 膜堆电阻变化自动调节操作电压。 当操作电流给定过低时， 产水品质无法满足换流阀冷却系统内冷水的水质要求。 当操作电流给定过高时， 又会产生大量富余的H＋和OH-， 引发离子反扩散导致产水品质降低， 同时极室中还产生大量氢气和氧气， 会妨碍EDI 装置正常运行［12］。

操作电流调节应保证产水品质在达到要求的前提下给定电流值越小越好。 该工程调试时， 每个EDI 膜堆的操作电流给定为2 A， 操作电压为82 ～88 V， 产水电导率为0.07 ～0.08 μS／cm， 满足换流阀冷却系统内冷水水质要求。

（4） 浓水淡水回路压差控制。 EDI 装置的淡水回路与浓水回路采取了不同的进水水源， 两者之间势必存在压力差， 过低的压力差会导致产水水质快速恶化［13］； 过高的压力差会导致膜堆变形， 严重时会发生大泄漏甚至报废。

为了实现稳定的压力差控制， 该工程的EDI膜堆淡水入口和浓水入口均安装了压力变送器，控制系统能实时监测两者之间的压力差， 浓水循环泵采用了变频控制， 根据压力差的变化量实时调控循环泵的运行频率， 使得浓水压力低于淡水压力0.03 ～0.07 MPa， 防止浓水被压渗到淡水室中影响产水品质［14］。

该工程调试时， 淡水回路流量为170.2 L／min，淡水入口压力为0.21 MPa， 浓水回路流量给定为52.8 L／min， 浓水入口压力为0.18 MPa， EDI 装置运行期间， 两回路的压差波动小， 产水品质稳定。

（5） 浓水电导率。 EDI 装置采用浓水循环方式， 内冷水的离子在膜堆吸附和迁移的作用下， 不断汇集到浓水回路里， 因此浓水回路的电导率会持续升高。 王仁雷等［15］研究发现浓水电导率在100 ～200 μS／cm 时， EDI 装置的产水电导率相对稳定。当浓水电导率低于100 μS／cm 时， EDI 膜堆电阻变大导致电流减小， 产水品质变差； 当浓水电导率高于200 μS／cm， 电流增大又会产生大量富余的H＋和OH-， 因浓差扩散导致产水品质变差。 因此， 在运行中， 控制系统需实时监测浓水回路的电导率，可以通过循环系统的排水、 补水措施来控制浓水电导率维持在规定的范围内。

（6） 泄漏监测及补水。 为了避免发生内冷水意外泄漏而造成换流阀闭锁， EDI 系统应具有监测泄漏、 液位保护的功能。 EDI 装置进出口安装了精密流量计， 通过检测总流入和总流出的差额可判断EDI 装置是否存在泄漏； 此外， 控制系统还实时监测换流阀冷却系统内冷水缓冲罐的液位， 通过检测液位的变化量来判断冷却系统是否存在泄漏。

为了提高运行的可靠性， EDI 装置还配置了补水支路， 当换流阀冷却系统的缓冲罐液位低于40%时， EDI 装置会自动启动补水程序， 缓冲罐液位到达45%后自动停止补水； 如补水失控， 缓冲罐液位低于35%时， EDI 装置会发出缺水报警信号。

（7） 氢气排放。 EDI 膜堆通电运行时电极会发生电解反应， EDI 的阴极反应如下：

在标准状况下（25 ℃， 1 个大气压）每安培电流大约产生7.46 mL／min 的氢气， EDI 膜堆操作电流给定为2 A， 膜堆运行数量为3 台， EDI 装置的氢气产生量为44.76 mL／min， 由于氢气爆炸浓度下限为4.0%［16］， 因此需要有效的氢气排放措施。 在高压直流换流站， 由于安全保障要求严格， 阀冷却设备室四周无窗户， 且室内温度要求控制在10 ～35 ℃［17］，因此全面通风法不适用于EDI 装置氢气排放。 该工程采用了独立的排风系统， 通过送风和排风管道， 从室外往中间水箱鼓入新鲜空气， 稀释氢气后强迫排出到室外大气中。

该工程调试时， 排风系统风量给定为29 m3／h，经检测， 阀冷却设备室的氢气浓度未检出， 排风系统内部的氢气浓度为0.012%， 远小于氢气爆炸浓度下限， 表明该氢气排放工艺安全、 有效。

5 技术经济分析

5.1 EDI 应用在换流阀冷却系统的技术分析

与传统的离子交换树脂混床技术比较， EDI 具有一定的优势， 主要有以下几个方面：

（1） EDI 可将进入淡水室的换流阀冷却系统内冷水离子定向迁移到阴阳交换膜表面， 借助交换膜的选择透过性， 使得阴、 阳离子透过交换膜而脱离排出［18］， 有利于减缓均压电极结垢。

（2） EDI 可制备电阻率为10 ～18.2 MΩ·cm 或电导率为0.055 ～0.1 μS／cm 的高纯水［14］， 可持续有效地纯化换流阀冷却系统内冷水。

（3） EDI 可连续电再生， 正常运行时不需要进行酸、 碱化学再生， 无化学药剂排放。

（4） 水的利用率高， 通过优化设计， 水利用率可达99%以上。

（5） EDI 除盐能力优于传统离子交换树脂混床， EDI 能去除电解质杂质， 也能去除非电解质杂质（如SiO2）。

（6） EDI 膜堆普遍采用模块化设计， 便于安装、 维修、 更换、 扩容。

5.2 EDI 系统与离子交换树脂混床的运行成本分析

EDI 系统和离子交换树脂混床均按照流量为10.2 m3／h， 年运行8 760 h 计算， 运行成本分析见表5。 EDI 系统吨水成本为0.982 元， 比离子交换树脂混床多0.538 元； EDI 系统年运行费为87 697.423元， 比离子交换树脂混床多48 091.855 元。

表5 EDI 系统与离子交换树脂混床的运行成本分析Tab. 5 Comparative analysis of the operating cost of EDI system and ionic exchange resin mixed bed

6结语

本EDI 应用方案系统解决了内冷水损失、 淡水浓水回路压差控制、 泄漏监测、 氢气排放等影响运行的诸方面问题， 实现了EDI 工艺在高压直流换流阀冷却系统中的成功应用。 EDI 技术作为深度除盐精处理工艺， 与离子交换树脂混床相比具有极大的优势， 可持续吸附、 迁移去除内冷水中的离子， 减缓均压电极结垢。 该EDI 系统在换流阀冷却系统的工程应用经验， 能够为后续的同类工程提供借鉴。