閥冷噴淋水池液位計(jì)失效分析及改進(jìn)方案

張 鵬，李帥兵，馬修偉，趙 陽(yáng)，劉科含

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司直流中心，河南鄭州 450000）

0 引言

閥冷系統(tǒng)是（特）高壓直流輸電換流站極其重要的輔助設(shè)備，通過(guò)主泵提供循環(huán)的去離子水為換流閥晶閘管提供冷卻，使換流閥處于最佳的工作環(huán)境，其中內(nèi)部循環(huán)冷卻水由噴淋系統(tǒng)進(jìn)行降溫。一旦閥冷系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常，電流產(chǎn)生的熱量將會(huì)燒毀換流閥內(nèi)的晶閘管，使系統(tǒng)跳閘、整個(gè)換流站癱瘓，進(jìn)而導(dǎo)致大規(guī)模停電現(xiàn)象，造成不可估量的損失。

1 問(wèn)題描述

中州換流站閥冷系統(tǒng)采用閉式冷卻塔作為外部熱交換設(shè)備，通過(guò)噴淋水的蒸發(fā)帶走熱量，進(jìn)而給內(nèi)部循環(huán)冷卻水降溫。噴淋水儲(chǔ)存在400 m3的噴淋水池內(nèi)，并設(shè)置有液位計(jì)，給控制系統(tǒng)提供液位信號(hào)，在低液位時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行水源補(bǔ)充，高液位時(shí)則停止補(bǔ)水。噴淋水池液位計(jì)一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)水不及時(shí)，影響閥冷系統(tǒng)正常運(yùn)行。

中州換流站共有4 套閥冷系統(tǒng)，每套閥冷系統(tǒng)設(shè)置有一座噴淋水池，池內(nèi)有2 臺(tái)超聲波液位計(jì)（圖1）。從2013 年中州站投運(yùn)以來(lái)，出現(xiàn)過(guò)多次噴淋水池超聲波液位故障影響補(bǔ)水的情況，因此亟需找出原因并給出解決方案。

圖1 超聲波液位計(jì)

2 問(wèn)題分析

中州站超聲波液位計(jì)出現(xiàn)的故障都表現(xiàn)為讀數(shù)不準(zhǔn)確，經(jīng)拆卸觀察，發(fā)現(xiàn)液位計(jì)底部超聲波發(fā)射面上吸附了大量的小水滴，將這些小水滴清除干凈后，故障消失。因此分析認(rèn)為，由于噴淋水經(jīng)過(guò)熱交換，吸收了內(nèi)冷水的熱量，水溫升高（一般在40 ℃左右），高于室外溫度，很容易形成蒸汽，并在超聲波液位計(jì)表面形成水滴，這些水滴會(huì)導(dǎo)致超聲波液位計(jì)誤判，進(jìn)而影響系統(tǒng)補(bǔ)水。

3 解決方案

3.1 液位計(jì)選擇

經(jīng)上述分析，超聲波液位計(jì)不適合中州站噴淋水池的實(shí)際情況，需更換為其他形式的液位計(jì)。常見(jiàn)的液位計(jì)種類有：

（1）玻璃板液位計(jì)。通過(guò)與待測(cè)容器相連組成連通器，使容器內(nèi)的液面高度能夠透過(guò)玻璃板直接讀取，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，讀數(shù)直觀。

（2）壓力液位變送器。采用靜壓測(cè)量原理，當(dāng)壓力液位變送器放置在被測(cè)液體的某一深度時(shí)，傳感器通過(guò)測(cè)量壓力來(lái)反映液位深度。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用途廣泛，能夠測(cè)量高溫、高壓和強(qiáng)腐蝕性液體的液位。

（3）浮標(biāo)液位計(jì)。利用浮力原理，當(dāng)液位改變時(shí)，浮子的位移經(jīng)由鋼帶傳輸給位移傳動(dòng)系統(tǒng)，使現(xiàn)場(chǎng)指示器動(dòng)作，在顯示裝置上顯示液位變化。其特點(diǎn)是性價(jià)比高，同時(shí)可以用于測(cè)量不同液體之間的界面。

浮標(biāo)液位計(jì)又能升級(jí)改造成磁翻板液位計(jì)和浮球液位計(jì)等。其中，磁翻板液位計(jì)同樣是利用浮力原理，浮子根據(jù)被測(cè)容器內(nèi)的液位變化進(jìn)行上下浮動(dòng)，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過(guò)磁耦合作用控制磁翻柱上的紅白標(biāo)識(shí)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，紅色區(qū)域的高度即為所測(cè)液位高度，其特點(diǎn)是顯示清晰、測(cè)量范圍大，并且具有高密封性，能夠測(cè)量高溫、高壓和帶有腐蝕性的液體[1]。浮球液位計(jì)利用磁性浮球隨被測(cè)液位的改變而升高降低，進(jìn)而使傳感器動(dòng)作、電阻值呈線性變化，并輸出4～20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，再由控制器或通信設(shè)備將信號(hào)傳輸給上位操作站或工程師站進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析，其特點(diǎn)是能夠遠(yuǎn)程操控和觀察、監(jiān)測(cè)功能齊全[2]。

（4）雷達(dá)液位計(jì)。利用時(shí)域反射原理，通過(guò)發(fā)射雷達(dá)波以光速前行，遇到液面再沿原路反射回來(lái)并由探測(cè)器接收，計(jì)算路徑時(shí)間以反映液面位置的儀器。其特點(diǎn)是不與液位接觸，可以測(cè)量高溫、高壓和帶有腐蝕性的液體，測(cè)量范圍廣、不受介質(zhì)影響、可在真空中使用，但其使用的測(cè)量元件較為精密，維護(hù)比較困難[3]。

（5）超聲波液位計(jì)。即中州換流站原本采用的液位計(jì)，它與雷達(dá)液位計(jì)的不同在于采用的是超聲波而非電磁波，超聲波具有穿透力大、方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，因而成為更廣泛被使用的液位計(jì)[4]。但超聲波需要借助介質(zhì)進(jìn)行傳播，因此不能在真空中使用，在蒸汽、粉塵含量過(guò)高的環(huán)境中或中州站這種探測(cè)表面被凝露覆蓋的情況，測(cè)量效果不理想。

（6）電容式液位計(jì)（圖2）。通過(guò)在液體中插入一根金屬棒，由金屬棒和導(dǎo)電容器壁（或接地管）構(gòu)成電容兩極，當(dāng)液位變化時(shí)，兩極相對(duì)面積改變，進(jìn)而影響電容值的大小，反映液位變化情況。其特點(diǎn)是可以非接觸式測(cè)量，真空或高壓情況下皆可應(yīng)用，分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快[5]。

圖2 電容式液位計(jì)

根據(jù)中州換流站的工況特點(diǎn)，擬采用精度高、反應(yīng)快，且能消除表面粘附物影響的電容式液位計(jì)。目前，電容式液位計(jì)已經(jīng)應(yīng)用在閥冷輔機(jī)的膨脹罐上，其可靠性已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。

3.2 測(cè)量原理

電容式液位計(jì)的兩極由探針和導(dǎo)電容器壁或接地管組成，根據(jù)極間液位變化帶動(dòng)電容值變化的原理進(jìn)行液位測(cè)量。當(dāng)容器內(nèi)沒(méi)有液體時(shí)，此時(shí)兩極間電容值最小，記為初始電容并標(biāo)定為0。當(dāng)容器中有液體注入時(shí)，隨著液位漸漸升高，電極被液體覆蓋面積越大電容值越大，然后通過(guò)帶有電源、負(fù)載電阻的測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成4～20 mA 的電流信號(hào)，再通過(guò)后續(xù)放大器、濾波器和A/D 轉(zhuǎn)換器等信號(hào)處理裝置，將最終的測(cè)量結(jié)果輸出在顯示裝置上。

容器電容值的計(jì)算是根據(jù)相位選擇測(cè)量原理來(lái)進(jìn)行工作的。在此過(guò)程期中，交變電流的大小和相移總量可以被測(cè)量出來(lái)。通過(guò)這兩個(gè)特征參數(shù)，根據(jù)介質(zhì)容抗可以計(jì)算出電容性無(wú)功電流的大小，再根據(jù)介質(zhì)阻抗計(jì)算出實(shí)際電流的大小。

探針纜或探針桿上具有導(dǎo)電性的粘附物相當(dāng)于附加了介質(zhì)阻抗，因此可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差的出現(xiàn)。介質(zhì)阻抗的數(shù)值可以通過(guò)相位選擇的方法來(lái)測(cè)量計(jì)算，所以通常采用該算法來(lái)補(bǔ)償探針上的粘附物影響，使電容式液位計(jì)具有粘附補(bǔ)償能力。

電容式液位計(jì)采用堅(jiān)固耐用的錐形自密封結(jié)構(gòu)，保證了探針可以在真空環(huán)境下使用，也可以在高達(dá)10 MPa 的高壓環(huán)境下使用。因其具有高度密封性，并且探針采用絕緣材料制作而成，使得電容式液位計(jì)能夠在-80～200 ℃的環(huán)境溫度下工作。電容式液位計(jì)受被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率影響不大，只需大于100 μS/cm 即可，測(cè)量值便與介電常數(shù)無(wú)關(guān)，顯示測(cè)量值也不會(huì)因其波動(dòng)而產(chǎn)生變化，測(cè)量不同液體的液位時(shí)也不需要重新標(biāo)定探針[6]。

3.3 線性度和重復(fù)性

傳感器的靜態(tài)特征可以由線性度和重復(fù)性兩個(gè)參數(shù)來(lái)表達(dá)。

線性度是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)定狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量獲得平穩(wěn)輸出，并由最小二乘法進(jìn)行線性擬合后獲得擬合曲線，通過(guò)將測(cè)量值（傳感器校準(zhǔn)曲線）與擬合值的最大誤差與滿量程輸出相比，該百分比數(shù)值被稱為線性度。線性度越小，說(shuō)明與擬合曲線偏離越小。傳感器經(jīng)多次校準(zhǔn)后獲得的輸出值誤差越小，可預(yù)測(cè)性越好。中州站擬采用的電容式液位計(jì)的線性度為0.5%。

重復(fù)性是指在同一時(shí)間段、同一實(shí)驗(yàn)條件下，采用同樣的測(cè)試方法進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取其概率分布在95%以內(nèi)的兩個(gè)獨(dú)立測(cè)試結(jié)果的最大差值與滿量程輸出之比。重復(fù)性越小，表示該結(jié)果的可復(fù)現(xiàn)性越好，測(cè)量結(jié)果越可靠。中州站擬采用的電容式液位計(jì)的重復(fù)性為0.1%。

4 工程應(yīng)用

通過(guò)測(cè)量中州換流站噴淋水池實(shí)際深度，確定了電容式液位計(jì)整體長(zhǎng)度，并設(shè)計(jì)加工了一套專用的固定裝置，該裝置配備有防水防曬蓋板，同時(shí)在水池內(nèi)部設(shè)有套筒保護(hù)構(gòu)件（圖3）。結(jié)合安裝完成后液位計(jì)實(shí)際高度情況，標(biāo)定和設(shè)置液位參數(shù)，確保與原閥冷設(shè)備運(yùn)行程序匹配。

圖3 電容式液位計(jì)固定裝置

使用電容式液位計(jì)，解決了多凝露環(huán)境下測(cè)量困難的問(wèn)題，提升了閥冷噴淋水池液位的測(cè)量準(zhǔn)確度。在安全效益方面，避免了換流閥運(yùn)行過(guò)程中因補(bǔ)水不及時(shí)導(dǎo)致的閥組閉鎖乃至直流停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)。在經(jīng)濟(jì)效益方面，節(jié)省噴淋水池維護(hù)的人力物力成本。電容式液位計(jì)本身沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于檢修維護(hù)。在社會(huì)效益方面，電容式液位計(jì)在投入使用后消除了噴淋水池液位測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題，為其他氣候寒冷、易凝露的換流站提供了借鑒思路，大大縮短作業(yè)人員的檢修時(shí)間，提高閥冷外水冷系統(tǒng)的檢修效率，避免因補(bǔ)水問(wèn)題導(dǎo)致的閥組閉鎖，降低直流停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

中州換流站原有超聲波液位計(jì)因工作溫度高于環(huán)境溫度，容易在超聲波發(fā)射面產(chǎn)生凝露，影響噴淋水池液位測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致不能正常補(bǔ)水，對(duì)閥冷系統(tǒng)產(chǎn)生危害。通過(guò)更換電容式液位計(jì)，并配套設(shè)有固定裝置、防水防曬蓋板，水池內(nèi)部增加套筒保護(hù)，從而消除表面粘附物的影響，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，并延長(zhǎng)液位計(jì)的使用壽命，進(jìn)而保證閥冷系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。