多功能控制阀在换流阀外水冷原水预处理系统中的设计与应用

张增明,金海望,赵 栋,李振动,李金卜

(国网冀北电力有限公司检修分公司,北京 102488)

阀冷系统作为换流站的重要组成部分，其性能直接决定着直流系统的安全，必须引起足够的重视[1]。

水-水冷却系统中的换热设备为密闭蒸发型冷却塔，适用于大部分的地区。该类冷却系统的特点为冷却效果好，电能节省，功能稳定，运用成熟，因采用闭式冷却塔，耗水量亦已大大降低[2]。

冷却塔是高压直流阀水冷系统的关键冷却设备，水冷系统中内冷系统热量均由冷却塔喷淋水的蒸发冷却实现高效散热[3]。

冷却塔喷淋水在蒸发冷却过程中，水中的钙、镁等致垢离子快速浓缩、析晶结垢并堆积附着于冷却塔换热盘管内壁及外壁，会导致冷却塔换热效率大幅降低，无法满足水冷系统的冷却要求，严重影响直流工程的稳定运行[3-5]。

污垢导致的经济损失主要包括两部分，一部分是由于换热量不足，需要增加冷却塔的容量，或增加除垢清洗费用；另一部分是冷却塔运行时换热量降低导致进入换流阀的温度升高[6]。

预处理就是根据原水中杂质的特性，采取合适的工艺对其进行处理，使其达到反渗透膜元件进水要求的过程，因其在整个水处理工艺流程中的位置在反渗透之前，所以称为预处理[7]。

冷却塔喷淋系统的喷淋水水质优劣首先取决于其原水的水质情况、工业水池水质情况，其次是原水水处理工艺及补充水水处理工艺[8]。

喷淋水的补水系统一般主要由外冷补水泵、活性炭过滤器、石英砂过滤器和反渗透装置组成。其具体流程为原水(自来水)首先通过外冷补水泵驱动进入石英砂过滤器和活性炭过滤器去除水中的悬浮物、胶体、颗粒、有机物等杂质，再经过反渗透装置降低原水的离子浓度，最终进入缓冲水池，确保了喷淋水水质符合闭式冷却塔设备长期正常运行的要求。

目前，大部分高压直流输电工程采用活性炭过滤器和石英砂过滤器对原水进行预处理，并通过PLC控制柜来控制反冲洗水泵和电动阀门，实现对活性炭过滤器和石英砂过滤器的反洗。该方案涉及设备数量众多，造价偏高，占地面积大，今后日常维护检修工作量大。本文提出利用多功能控制阀实现活性炭过滤器和石英砂过滤器的过滤、清洗，节省系统成本，减少占地面积，降低日后维护检修工作量。

1 常规外冷补充水处理工艺原理

采用闭式冷却塔的外冷水工作原理:内冷水在流经换流阀后被加热升温，由内冷水泵驱动进入室外密闭蒸发式冷却塔内的换热盘管，喷淋水循环泵从室外地下喷淋水池抽水均匀喷洒到冷却塔的换热盘管表面，喷淋水吸热后蒸发成水蒸气通过风机排至大气，在此过程中，换热盘管内的冷却水将得到冷却，降温后的内冷却水由循环水泵再送至换流阀，如此周而复始地循环，保障换流阀可靠、安全、稳定运行[9]。为防止外冷水系统腐蚀结垢，需控制喷淋水的硬度[10]。

常规补充水先进入预处理装置，主要包括砂过滤器、炭过滤器等，然后进入反渗透装置进行脱盐，最后进入喷淋水池。除此之外，一般还配套反渗透清洗装置及反渗透加药装置。常规外冷水处理工艺原理如图1所示，主要流程为喷淋水补充水→砂过滤器→炭过滤器→反渗透装置→喷淋水池，完成喷淋补充水过滤去除杂质的过程。

图1 常规外冷水处理工艺原理

2 砂过滤器、炭过滤器及反洗装置结构

采用反冲洗水泵和多个电动阀门对炭过滤器和砂过滤器进行过滤、正洗和反洗的原水预处理系统工艺流程如图2所示。

砂过滤器(与炭过滤器结构相同)结构示意图见图3。

图2 常规原水预处理系统工艺流程

图3 砂过滤器结构

由于砂过滤器技术成熟、简单、处理效果好，所以普遍采用此工艺。石英砂过滤器选用不同粒径的石英砂滤料，自上而下粒径逐级分配，利用深层过滤原理，当补充水通过石英砂滤层，水中的悬浮物、机械颗粒、胶体等杂质在流经滤料层中弯弯曲曲的孔道时，由于滤料表面的接触作用，悬浮物和滤料表面互相粘附，从而去除水中的悬浮物、胶体、机械颗粒。

当原水通过炭过滤器时，由于炭过滤器中的过滤介质的接触絮凝作用、吸附和截留作用使得原水中的杂质被吸附、截留。通过炭过滤器的过滤，可进一步降低原水的总有机物、浊度、余氯等[11]。过滤器为立式结构，通过压差或时间进行反冲洗，活性炭过滤器的反洗、正洗过程，可将活性炭滤层的杂质冲洗出来，同时使滤层松动，提高流量及吸附效果。

砂炭反冲洗装置即反洗泵组模块结构如图4所示。

图4 砂炭反冲洗装置结构

砂过滤器、炭过滤器长时间运行后，水中的悬浮物、胶体、有机物等会附着在滤料上，影响过滤效果。因此，需要定期对过滤器进行反冲洗，使滤料保持洁净。反冲洗装置通过管道与反洗水池连通，通过反洗水泵提供动力对过滤器进行反冲洗。从图2—图4可以看出，常规原水预处理系统主要包括反洗泵组、两个罐体、较多阀门及管路，系统比较复杂，费用较高。

3 多功能控制阀的应用设计

在水处理的过滤、吸附、阻垢、反渗透的装置中，水处理多功能控制阀作为核心部件，能改变水的流动方向实现特定功能[12]。控制阀主要特点如下。

a.采用高平面度、耐腐蚀的端面密封片启闭、密封可靠；集运行、反洗和正洗全过程功能于一体。

b.程序可设定多次重复冲洗，即运行一次可设定反洗、正洗多次，有利于更好地清洗滤料。

c.可根据水质及配置使用的实际情况，修改设定各过程的参数。

d.可选择流量型和时间型控制模式。

e.设置端口接收有源信号，与PLC、电脑等配合使用，可远距离操作控制阀。

f.可以实现多控制阀串联、并联。

应用控制阀，利用工业补水泵和一个电动阀门的给水对炭过滤器和砂过滤器进行过滤、正洗和反洗，无需配置反洗泵和多个电动阀门，原水预处理系统工艺流程如图5所示。

图5 采用多功能控制阀的原水预处理系统工艺流程

由图5可见，利用控制阀对炭过滤器和砂过滤器进行过滤、正洗和反洗，相较于常规原水预处理系统，该系统结构相对简单，无反洗泵组模块，减少了设备占地面积。

控制阀与过滤罐体安装相对位置如图6所示。中心管一端连接下布水器放入罐体底部，上布水器旋入控制阀，中心管经上布水器插入控制阀，并旋紧在罐体顶部。罐体顶部进水的上布水器为鱼刺母支管式，保证布水均匀。底部下布水器为多孔板和ABS排水帽组成，多孔板由不锈钢板制作而成，与筒体焊接后，连接ABS水帽孔，并与筒体一起双层衬胶，安装完后在其上部安装ABS排水帽。

图6 多功能控制阀与罐体的安装位置

控制阀与罐体的管路安装示意图如图7所示，补充水流动方向用黑色箭头表示。在控制阀出水口安装配有传感器的流量计，实现对出口水流量的实时监测。进出水管路需用固定架支撑固定，排水管连接至污水池。在进水口、出水口及其管路中间接入了阀A、阀B、阀C、阀D作为取样阀。

图7 管路安装示意图

炭过滤器的反洗条件控制可在累计流量控制和运行时间控制中任选一种，一般采用时间控制型，控制阀与工业补水泵联动控制实现反洗、正洗的同步，其控制逻辑如图8所示。

图8 控制逻辑

炭过滤器的反洗、正洗控制逻辑与砂过滤器一致，其清洗开始时间需错开，防止清洗时供水不足。

图9为过滤器工作流程，共分为运行状态、反洗状态和正洗状态3种工作状态。运行状态是工业补充水进入控制阀进水管侧，然后依次流经上布水器-滤料-下布水器-中心管，流出控制阀出水管，进入保安过滤器，完成过滤过程；反洗状态是工业补充水进入控制阀进水管侧，依次流经中心管-下布水器-滤料-上布水器，从控制阀排污管排出，废水排出至污水池，完成反洗过程；正洗状态是工业补充水进入控制阀进水管侧，依次流经上布水器-滤料-下布水器-中心管，从控制阀排污管排出，废水排出至污水池，完成正洗过程。

针对常用的罐体及滤料体积控制阀的配置参考见表1。

图9 过滤器工作流程

表1 多功能控制阀的配置参考

上述炭过滤器过滤流量是以运行流速12 m/h时的流量；反洗流量是以反洗强度为10 L/(m2·s)时的流量；砂过滤器的过滤流量以运行流速25 m/h的流量；反洗流量是以反洗强度15 L/(m2·s)时的流量。

4 多功能控制阀常见故障及解决方法

多功能控制阀常见故障主要包括控制阀部分和控制器部分故障，表2和表3列举了常见故障的原因及解决办法，具体内容如下。

表2 控制阀部分故障分析结果

表3 控制器部分故障分析结果

5 结语

本文首先阐述了常规原水预处理系统工艺流程，主要设备包括石英砂过滤器、活性炭过滤器、反洗泵组模块、电动阀门等，指出此系统设备数量众多，造价高，占地面积大，日常维护检修工作量大等缺点。然后介绍了采用多功能控制阀原水预处理系统工艺流程，利用工业补水泵和一个电动阀门的给水对炭过滤器和砂过滤器进行过滤、正洗和反洗，无需配置反洗泵和多个电动阀门，实现了智能化控制，节省原水预处理系统成本，减少占地面积，并降低日后维护检修工作量。最后列举了控制阀常见故障及解决方法，可指导日后对控制阀的运维检修工作。