多功能控制閥在換流閥外水冷原水預處理系統中的設計與應用

張增明,金海望,趙 棟,李振動,李金卜

(國網冀北電力有限公司檢修分公司,北京 102488)

閥冷系統作為換流站的重要組成部分，其性能直接決定著直流系統的安全，必須引起足夠的重視[1]。

水-水冷卻系統中的換熱設備為密閉蒸發型冷卻塔，適用于大部分的地區。該類冷卻系統的特點為冷卻效果好，電能節省，功能穩定，運用成熟，因采用閉式冷卻塔，耗水量亦已大大降低[2]。

冷卻塔是高壓直流閥水冷系統的關鍵冷卻設備，水冷系統中內冷系統熱量均由冷卻塔噴淋水的蒸發冷卻實現高效散熱[3]。

冷卻塔噴淋水在蒸發冷卻過程中，水中的鈣、鎂等致垢離子快速濃縮、析晶結垢并堆積附著于冷卻塔換熱盤管內壁及外壁，會導致冷卻塔換熱效率大幅降低，無法滿足水冷系統的冷卻要求，嚴重影響直流工程的穩定運行[3-5]。

污垢導致的經濟損失主要包括兩部分，一部分是由于換熱量不足，需要增加冷卻塔的容量，或增加除垢清洗費用；另一部分是冷卻塔運行時換熱量降低導致進入換流閥的溫度升高[6]。

預處理就是根據原水中雜質的特性，采取合適的工藝對其進行處理，使其達到反滲透膜元件進水要求的過程，因其在整個水處理工藝流程中的位置在反滲透之前，所以稱為預處理[7]。

冷卻塔噴淋系統的噴淋水水質優劣首先取決于其原水的水質情況、工業水池水質情況，其次是原水水處理工藝及補充水水處理工藝[8]。

噴淋水的補水系統一般主要由外冷補水泵、活性炭過濾器、石英砂過濾器和反滲透裝置組成。其具體流程為原水(自來水)首先通過外冷補水泵驅動進入石英砂過濾器和活性炭過濾器去除水中的懸浮物、膠體、顆粒、有機物等雜質，再經過反滲透裝置降低原水的離子濃度，最終進入緩沖水池，確保了噴淋水水質符合閉式冷卻塔設備長期正常運行的要求。

目前，大部分高壓直流輸電工程采用活性炭過濾器和石英砂過濾器對原水進行預處理，并通過PLC控制柜來控制反沖洗水泵和電動閥門，實現對活性炭過濾器和石英砂過濾器的反洗。該方案涉及設備數量眾多，造價偏高，占地面積大，今后日常維護檢修工作量大。本文提出利用多功能控制閥實現活性炭過濾器和石英砂過濾器的過濾、清洗，節省系統成本，減少占地面積，降低日后維護檢修工作量。

1 常規外冷補充水處理工藝原理

采用閉式冷卻塔的外冷水工作原理:內冷水在流經換流閥后被加熱升溫，由內冷水泵驅動進入室外密閉蒸發式冷卻塔內的換熱盤管，噴淋水循環泵從室外地下噴淋水池抽水均勻噴灑到冷卻塔的換熱盤管表面，噴淋水吸熱后蒸發成水蒸氣通過風機排至大氣，在此過程中，換熱盤管內的冷卻水將得到冷卻，降溫后的內冷卻水由循環水泵再送至換流閥，如此周而復始地循環，保障換流閥可靠、安全、穩定運行[9]。為防止外冷水系統腐蝕結垢，需控制噴淋水的硬度[10]。

常規補充水先進入預處理裝置，主要包括砂過濾器、炭過濾器等，然后進入反滲透裝置進行脫鹽，最后進入噴淋水池。除此之外，一般還配套反滲透清洗裝置及反滲透加藥裝置。常規外冷水處理工藝原理如圖1所示，主要流程為噴淋水補充水→砂過濾器→炭過濾器→反滲透裝置→噴淋水池，完成噴淋補充水過濾去除雜質的過程。

圖1 常規外冷水處理工藝原理

2 砂過濾器、炭過濾器及反洗裝置結構

采用反沖洗水泵和多個電動閥門對炭過濾器和砂過濾器進行過濾、正洗和反洗的原水預處理系統工藝流程如圖2所示。

砂過濾器(與炭過濾器結構相同)結構示意圖見圖3。

圖2 常規原水預處理系統工藝流程

圖3 砂過濾器結構

由于砂過濾器技術成熟、簡單、處理效果好，所以普遍采用此工藝。石英砂過濾器選用不同粒徑的石英砂濾料，自上而下粒徑逐級分配，利用深層過濾原理，當補充水通過石英砂濾層，水中的懸浮物、機械顆粒、膠體等雜質在流經濾料層中彎彎曲曲的孔道時，由于濾料表面的接觸作用，懸浮物和濾料表面互相粘附，從而去除水中的懸浮物、膠體、機械顆粒。

當原水通過炭過濾器時，由于炭過濾器中的過濾介質的接觸絮凝作用、吸附和截留作用使得原水中的雜質被吸附、截留。通過炭過濾器的過濾，可進一步降低原水的總有機物、濁度、余氯等[11]。過濾器為立式結構，通過壓差或時間進行反沖洗，活性炭過濾器的反洗、正洗過程，可將活性炭濾層的雜質沖洗出來，同時使濾層松動，提高流量及吸附效果。

砂炭反沖洗裝置即反洗泵組模塊結構如圖4所示。

圖4 砂炭反沖洗裝置結構

砂過濾器、炭過濾器長時間運行后，水中的懸浮物、膠體、有機物等會附著在濾料上，影響過濾效果。因此，需要定期對過濾器進行反沖洗，使濾料保持潔凈。反沖洗裝置通過管道與反洗水池連通，通過反洗水泵提供動力對過濾器進行反沖洗。從圖2—圖4可以看出，常規原水預處理系統主要包括反洗泵組、兩個罐體、較多閥門及管路，系統比較復雜，費用較高。

3 多功能控制閥的應用設計

在水處理的過濾、吸附、阻垢、反滲透的裝置中，水處理多功能控制閥作為核心部件，能改變水的流動方向實現特定功能[12]。控制閥主要特點如下。

a.采用高平面度、耐腐蝕的端面密封片啟閉、密封可靠；集運行、反洗和正洗全過程功能于一體。

b.程序可設定多次重復沖洗，即運行一次可設定反洗、正洗多次，有利于更好地清洗濾料。

c.可根據水質及配置使用的實際情況，修改設定各過程的參數。

d.可選擇流量型和時間型控制模式。

e.設置端口接收有源信號，與PLC、電腦等配合使用，可遠距離操作控制閥。

f.可以實現多控制閥串聯、并聯。

應用控制閥，利用工業補水泵和一個電動閥門的給水對炭過濾器和砂過濾器進行過濾、正洗和反洗，無需配置反洗泵和多個電動閥門，原水預處理系統工藝流程如圖5所示。

圖5 采用多功能控制閥的原水預處理系統工藝流程

由圖5可見，利用控制閥對炭過濾器和砂過濾器進行過濾、正洗和反洗，相較于常規原水預處理系統，該系統結構相對簡單，無反洗泵組模塊，減少了設備占地面積。

控制閥與過濾罐體安裝相對位置如圖6所示。中心管一端連接下布水器放入罐體底部，上布水器旋入控制閥，中心管經上布水器插入控制閥，并旋緊在罐體頂部。罐體頂部進水的上布水器為魚刺母支管式，保證布水均勻。底部下布水器為多孔板和ABS排水帽組成，多孔板由不銹鋼板制作而成，與筒體焊接后，連接ABS水帽孔，并與筒體一起雙層襯膠，安裝完后在其上部安裝ABS排水帽。

圖6 多功能控制閥與罐體的安裝位置

控制閥與罐體的管路安裝示意圖如圖7所示，補充水流動方向用黑色箭頭表示。在控制閥出水口安裝配有傳感器的流量計，實現對出口水流量的實時監測。進出水管路需用固定架支撐固定，排水管連接至污水池。在進水口、出水口及其管路中間接入了閥A、閥B、閥C、閥D作為取樣閥。

圖7 管路安裝示意圖

炭過濾器的反洗條件控制可在累計流量控制和運行時間控制中任選一種，一般采用時間控制型，控制閥與工業補水泵聯動控制實現反洗、正洗的同步，其控制邏輯如圖8所示。

圖8 控制邏輯

炭過濾器的反洗、正洗控制邏輯與砂過濾器一致，其清洗開始時間需錯開，防止清洗時供水不足。

圖9為過濾器工作流程，共分為運行狀態、反洗狀態和正洗狀態3種工作狀態。運行狀態是工業補充水進入控制閥進水管側，然后依次流經上布水器-濾料-下布水器-中心管，流出控制閥出水管，進入保安過濾器，完成過濾過程；反洗狀態是工業補充水進入控制閥進水管側，依次流經中心管-下布水器-濾料-上布水器，從控制閥排污管排出，廢水排出至污水池，完成反洗過程；正洗狀態是工業補充水進入控制閥進水管側，依次流經上布水器-濾料-下布水器-中心管，從控制閥排污管排出，廢水排出至污水池，完成正洗過程。

針對常用的罐體及濾料體積控制閥的配置參考見表1。

圖9 過濾器工作流程

表1 多功能控制閥的配置參考

上述炭過濾器過濾流量是以運行流速12 m/h時的流量；反洗流量是以反洗強度為10 L/(m2·s)時的流量；砂過濾器的過濾流量以運行流速25 m/h的流量；反洗流量是以反洗強度15 L/(m2·s)時的流量。

4 多功能控制閥常見故障及解決方法

多功能控制閥常見故障主要包括控制閥部分和控制器部分故障，表2和表3列舉了常見故障的原因及解決辦法，具體內容如下。

表2 控制閥部分故障分析結果

表3 控制器部分故障分析結果

5 結語

本文首先闡述了常規原水預處理系統工藝流程，主要設備包括石英砂過濾器、活性炭過濾器、反洗泵組模塊、電動閥門等，指出此系統設備數量眾多，造價高，占地面積大，日常維護檢修工作量大等缺點。然后介紹了采用多功能控制閥原水預處理系統工藝流程，利用工業補水泵和一個電動閥門的給水對炭過濾器和砂過濾器進行過濾、正洗和反洗，無需配置反洗泵和多個電動閥門，實現了智能化控制，節省原水預處理系統成本，減少占地面積，并降低日后維護檢修工作量。最后列舉了控制閥常見故障及解決方法，可指導日后對控制閥的運維檢修工作。