±500 kV換流站閥冷系統水質監督與結垢分析

劉凱

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

±500 kV換流站閥冷系統水質監督與結垢分析

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

劉凱

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

分析±500 kV鵝城換流站閥冷系統的基本構成和運行狀況，對其閥內、外水冷系統的運行水質進行監督，對均壓電極結垢狀況進行分析和處理，并對閥冷系統的運行維護提出一些改進建議。

換流站；閥冷系統；水質；化學監督；均壓電極；結垢

閥冷系統是直流輸電系統中最重要的輔助系統〔1〕，閥冷系統故障會引起換流閥元件散熱不良，導致元件過熱燒毀，嚴重影響設備安全和系統穩定運行。定期開展閥水冷系統水質監督評價，對均壓電極結垢情況進行分析和處理，對于維護直流輸電的安全穩定運行具有重要意義。

1 閥冷系統構成

±500 kV鵝城換流站采用ABB公司生產的換流閥，其水冷裝置由SWEDE WATER公司生產，由內冷水系統和外冷水系統2個部分組成，其原理見圖1〔2〕。

圖1 閥水冷系統原理圖

1.1 內水冷系統

內水冷系統是一個密閉循環冷卻系統，由主循環回路和水處理回路2個部分組成。在主循環回路中，冷卻水通過可控硅閥和冷卻塔來構成循環回路。水處理回路包括離子交換罐、膨脹罐和補水泵。離子交換罐用于去除水中雜質離子，凈化水質。膨脹罐用于確保內冷水系統的基準壓力，兼有除氧和判斷內冷水系統泄漏功能。

1.2 外冷水系統

外水冷系統主要作用是提供合格的噴淋水以冷卻內冷水，主要由軟化罐及再生單元、反滲透處理單元、平衡水池等組成。軟化單元用于去除生水中的鈣鎂離子，為反滲透單元提供合格的軟化水。反滲透單元可過濾水中的金屬離子，降低水中的鹽分，防止外水冷系統的腐蝕結垢。

2 閥冷系統運行狀況

2.1 內水冷系統

內水冷系統與運行的電氣設備直接接觸，對其運行工況有較為嚴格的要求，該換流站內水冷系統主要設計參數見表1。一般換流站內水冷系統運行故障主要體現在以下幾個方面:①水質異常導致的腐蝕結垢；②流量、溫度、壓力等信號異常導致的保護動作；③管道、閥門、泵機械故障；④其它故障。

表1 換流站內水冷系統主要設計參數

天廣直流和貴廣直流工程換流閥閥冷系統的散熱器與水接觸部分材質為鋁。閥水冷系統多次發生堵塞、漏水異常，導致元件過熱以及直流系統被迫停運，嚴重影響了系統的安全可靠運行〔3〕。檢查發現，閥冷系統異常的原因是內冷水系統中存在一定程度的材質腐蝕與沉積情況。散熱器的金屬鋁在水中的電化學反應是導致閥冷系統中腐蝕與沉積的根本原因；興安直流工程也多次出現閥內冷水主過濾器堵塞引起的內冷水流量降低，隨后出現主過濾器進出水壓差逐漸升高的故障現象，究其原因也主要是鋁材腐蝕沉積結垢的緣故〔4〕。鵝城換流站選擇閥冷系統材料時充分考慮到腐蝕問題，所有與冷卻介質接觸的設備材質都是 304L/316不銹鋼、EPDM橡膠或PVDF，所有的墊圈都是由不帶有石棉的氯化物和氟化物制成，且內冷水系統補水為外購的高純水，離子交換樹脂也嚴格按照廠家要求，購置進口混合樹脂，每年更換串聯回路中第1個離子交換罐中的樹脂，并將更換樹脂的離子交換罐作為串聯回路中的第2個運行。運行至今未出現因內冷水系統腐蝕或結垢影響換熱效果而導致系統停運的故障。

鵝城換流站內水冷系統已發生的運行故障主要集中在設備機械故障和傳感器信號異常2個方面。如極I曾因Y/YC相閥塔頂部內冷水水管法蘭漏水發生停運事故。該水管連接處上下分別為鋼材和塑料，中間是橡皮墊圈。事故原因為長期運行震動后螺絲松動和防震彈簧墊圈力矩太小未能緊固螺絲所致。2008年曾出現極Ⅰ內水冷A系統頻發 “主水流量高”報警的異常。運維人員通過改進系統運行參數或設置，消除了這些異常和隱患。

2.2 外水冷系統

外水冷系統的效果直接決定內水冷的冷卻容量。隨著外冷卻水的循環，水中的鹽類不斷濃縮，隨空氣及其他原因進入外水冷系統的灰塵、微生物等，也加大了外水冷系統腐蝕結垢的可能。目前外水冷水處理系統主要有加藥和軟化反滲透2種水處理方式。葛洲壩換流站曾發生因冷卻器管外表面結垢，噴淋頭部分堵塞，導致換熱受到影響〔5〕。江陵換流站曾發生因軟化罐出水硬度高導致反滲透膜發生堵塞而無法向平衡水池補水〔6〕。

鵝城換流站也曾發生因軟化罐頂部進水過濾器被異物堵塞，導致外冷水系統不能及時補水的故障。后經改造，在軟化單元進水處安裝袋式過濾器，并且定期更換過濾網，避免了此類故障的再次發生。

近兩年檢查時未發現鵝城換流站冷卻塔內蛇形換熱管表面有明顯結垢或微生物滋生現象，平衡水池也未發現明顯長藻現象，僅在兩極冷卻塔底部通風格柵處發現有少許微生物滋生現象。

2013年下半年發現反滲透裝置運行壓力異常升高，產水流量下降較為明顯，因該站自投運以來未對反滲透膜進行過化學清洗，考慮到反滲透裝置膜元件運行已超過8年，最終決定不進行清洗，于2014年度檢修期間對反滲透膜進行整體更換，更換后反滲透裝置運行參數恢復正常。

3 閥冷系統水質化學監督

3.1 內冷水水質

鵝城換流站內水冷系統水質監測采用在線檢測電導率和溶解氧的方法。極Ⅰ、極Ⅱ的內冷水電導率一般控制在0.1 μS/cm以下，溶解氧在250 μg/L以下。2015年檢修期間對換流閥內冷水和補充水進行了取樣化驗，分析結果見表2。

表2 極Ⅰ、極Ⅱ內冷水及補充水水質分析結果μg/L

極Ⅰ、極Ⅱ內冷水均未檢出硬度成分，pH中性，銅、鐵等腐蝕產物離子含量和腐蝕性介質氯離子含量也很低。結合極Ⅰ、極Ⅱ內冷水在線和離線分析結果來看，鵝城換流站內冷水系統水質控制優良，無明顯腐蝕結垢現象，進口304L/316鋼材具有優良的抗腐蝕性能。補充水為外購的桶裝超純水，水質優良，雜質離子極少，極大地減輕了內冷水離子交換樹脂的處理負荷，延長了樹脂的使用壽命。

3.2 外冷水水質

鵝城換流站外冷水為地下水經軟化、反滲透除鹽后補入平衡水池。考慮到蒸發、排污的損失，外冷水在循環中不斷濃縮，水中的鹽分也不斷增加，氯離子等腐蝕性離子含量提高，水中的碳酸鹽等不穩定的鹽類會超出溶度積而發生沉積，導致冷卻設備腐蝕結垢，影響系統的換熱效果，因此必須對外冷水水質進行監控〔7〕。2015年檢修期間對極Ⅰ、極Ⅱ的外水冷系統進行了取樣分析，分析結果見表3。

表3 極Ⅰ、極Ⅱ外冷水分析結果

結合本次分析結果及歷年數據分析，鵝城換流站原水水質基本穩定，屬于極軟堿性水，含鹽量較低。軟化罐更換樹脂后去除硬度離子效果優良。平衡水池水質偏腐蝕性。

4 均壓電極結垢分析與處理

閥內冷水路將閥塔內各個不同電位的水冷電抗器、水冷電阻及散熱片連接起來，不同電位的金屬件之間的水路就有可能產生電解電流，導致金屬件發生電解腐蝕。因此在其閥塔主進、出水管路設置了均壓電極，而在其閥段串聯水路不設均壓電極，在散熱片接口處設置不銹鋼環，認為電解電流可通過不銹鋼環泄漏，從而避免金屬件的腐蝕。

鵝城換流站在2015年檢修中，對均壓電極進行了建站以來的首次抽檢。從雙極均壓電極抽檢情況看，極Ⅰ均壓電極結垢情況較極Ⅱ明顯，結垢電極分布無明顯規律。

極Ⅰ－Y/Y－B閥塔上、中、下部共抽檢11個均壓電極，其中閥塔上、下部均壓電極結垢明顯，鉑針基本被水垢覆蓋，垢質較為堅硬，各電極垢層厚度不一，結垢嚴重的電極垢層厚約1 mm。閥塔中部電極結垢較少，垢質疏松，用手輕抹即可除去。極Ⅱ－Y/Δ－A閥塔上、中、下部共抽檢11個均壓電極，其中上、中部均壓電極結垢情況輕微，垢層薄且松散，用手輕抹即可除去。下部電極結垢明顯，其中抽檢的V1L3電極結垢嚴重，鉑針均被水垢覆蓋，垢質堅硬，垢層厚約1 mm，墊圈有部分腐蝕磨損；V1L1電極有部分垢層覆蓋，垢質堅硬，墊圈腐蝕磨損嚴重。

從此次抽檢情況來看，鵝城換流站投運10余年，閥內冷水質控制優良，均壓電極總體情況較好，局部結垢較為嚴重。考慮到系統運行時間較長，局部電極結垢明顯，電極密封墊圈難免腐蝕老化，為避免可能發生的大范圍泄露，建議安排整站檢修時，擴大雙極閥塔均壓電極抽檢范圍，如時間允許，對全部電極進行檢查清理，清除垢層，更換破損墊圈，消除設備隱患。

由于大部分垢樣松軟可用抹布直接抹去，較為堅硬的垢樣也可通過工具輕松去除，且調研發現南網換流站均壓電極結垢去除也是采取人工除垢方法，因此現場均采用手工除垢法對均壓電極進行了清理，效果良好。

5 存在的問題及改進建議

鵝城換流站閥冷系統運行較為穩定，近年來未發生閥冷卻水系統閉鎖事故，但系統還是存在一定的隱患:

1)在線電導率表和溶解氧表長期運行，未進行過校驗和電極清洗等維護工作，存在較大安全隱患。建議加強在線化學儀表的維護工作，按照相關規定定期清洗電導率傳感器，并對二次儀表進行定期校驗。

2)換流站極Ⅰ、極Ⅱ平衡水池水體濃縮倍率較高，均有一定的腐蝕性，但結合系統管道材質和多年來運行情況來看，換熱管發生結垢或腐蝕風險較低，建議定期投入平衡水池加藥裝置，提高換熱管在高濃縮倍率水體下的耐腐蝕結垢性能，并嚴格按規定進行排污補水工作。另外冷卻塔底部通風格柵處發現有微生物滋生現象，建議定期開展平衡水池的殺菌滅藻工作。

3)為避免閥內冷系統發生大面積泄露事故，建議安排整站檢修時，擴大雙極閥塔均壓電極抽檢范圍，如時間允許，對全部電極進行檢查清理，清除垢層，更換破損墊圈，消除設備隱患。

6 結論

鵝城換流站閥冷系統設計合理，設備選材適當，控制水質效果良好，系統發生大規模腐蝕或結垢的風險較低。但因投運時間較長，均壓電極存在一定程度結垢現象，且電極密封墊圈因老化發生大范圍滲漏的風險增大，建議進一步開展隱患排查治理工作，合理安排檢修項目，強化技術監督管理，鞏固系統安全穩定運行局面。

〔1〕趙畹君.高壓直流輸電工程技術 〔M〕.北京:中國電力出版社，2004.

〔2〕ABB.Three Gorges－Guangdong±500 kV DC Transmission Project Valve Cooling System Maintenance Manual 1JNL100088-141〔S〕. ABB，2003.

〔3〕王遠游，郝志杰，林睿.天廣直流工程換流閥冷卻系統腐蝕與沉積 〔J〕.高電壓技術，2006，32(9):80-83.

〔4〕田興旺，鄧本飛.興安直流閥冷系統主過濾器堵塞原因分析及改進建議 〔J〕.高壓電器，46(10):45-48.

〔5〕詹約章，喻亞非，喻柏松.采用有機膦羧酸控制換流閥冷卻水系統結垢 〔J〕.湖北電力，2001，25(4):41-42，61.

〔6〕饒洪林.換流站外冷水系統反滲透膜堵塞原因分析及解決措施 〔J〕.電工技術，2010，31(1):58，63.

〔7〕陸培平，陳震.大型直流變電站的極外、極內冷卻水的運行監督 〔J〕.上海電力，2003，16(5):448-450.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.010

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1008-0198(2015)04-0041-03

2015-06-16