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浅析如何优化高压环境下的顶装磁翻板液位计

编辑: 来源: 发布日期:2019-12-25
    摘 要:高压直流顶装磁翻板液位计系统的优化对于我国高压直流输电发展具有重要意义。文章首先对高压直流顶装磁翻板液位计系统优化背景作出简要阐述,然后对阀冷却水系统予以说明,zui后结合实际情况,对高压直流顶装磁翻板液位计系统故障及隐患,提出几点高压直流顶装磁翻板液位计系统优化措施,希翼可以对业内起到一定参考作用。

    引言
    自1954年高压直流输电问世以来,高压直流输电经历了多次变革,现阶段,高压直流输电已经在我国电力系统运行中占据重要地位。随着社会经济的快速发展,西电东送发展战略的落实,高压直流输电发展前景可谓十分广阔,为保证高压直流输电工程运行的稳定性,需要对其冷却水系统予以优化处理。

    1 背景概述
    和高压交流输电相比,高压直流输电具有多种明显优势。其主要体现在以下四个方面。

    (1)高压直流输电具有长距离、大容量特性,相比交流输电,在长距离跨区输送大容量电量时,经济优势明显。

    (2)高压直流输电可以实现不同频率交流电网的互连,直流输电所连两侧交流电网无需同步运行,可以通过直流输电系统起到频率转换作用。

    (3)高压直流输电具有较大的一次性投资,后 期 线 路维护投入相对较少。

    (4)高压直流输电的传送方向、传送功率可以得到快速控制。在高压直流输电系统中,为让交直流转换得以实现,需要使用顶装磁翻板液位计这一核心部件,在系统运行过程中,顶装磁翻板液位计需要承受大电流、高电压,其内部可控硅元件会产生较大热量,为避免可控硅元件因结温过高而受到损坏,需使用水冷系统进行散热,以带走其中热量。但就目前来看,在我国高压直流顶装磁翻板液位计系统中,仍存在一些故障及隐患,需要对系统进行优化处理。

    2 阀冷却水系统
    阀冷却水系统主要构成部分为阀内冷水系统与阀外冷水系统。阀内冷水系统主要通过内冷水与阀组件直接接触流动,将顶装磁翻板液位计中热量带出,确保顶装磁翻板液位计组件中晶闸管、水冷电阻、阳极电抗器等发热元件运行温度具有可控性。而阀外冷水系统主要通过闭式冷却塔或风机将内冷水中热量带走,并排放至环境中。顶装磁翻板液位计内、外冷水系统的协同运行,可以使顶装磁翻板液位计组件内部冷却持续进行,并满足元器件结温要 求,进而保证系统整体运行稳定性、安全性[1]。阀冷却水系统原理如图1所示。
 
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    阀内冷却水系统具有循环性、封闭性特点,构成主要回路为主水回路、稳压回路、离子回路、补水回路。其中主水回路主要包含主循环泵、主过滤器、脱气罐以及管道部分;稳压回路包含膨胀水箱或氮气稳压罐等部分;离子回路包含离子交换器、去离子树脂、离子过滤器等;补水回路包含补水泵、补水箱等。主水回路与顶装磁翻板液位计内元器件直接流通、接触,通过内循环水将顶装磁翻板液位计内热量带出,之后经外冷水系统中冷却塔或风机,使热量排出;稳压回路可以使系统中水容积变化得到缓冲,防止主泵切换、环境温度变化等影响 内 冷 水 压 力,起到保持压力恒定的作用。离子回路可以有效对密闭的内冷水回路离子进行过滤吸取,有效降低内 冷 水 电 导 率,确保主水回路内冷水质量;补水回路可以有效对内冷水进行补给,确保水量满足要求。

    阀外冷水系统目前在用的主要有闭式冷却塔冷却、风冷冷却两种方法。在西部冰冷缺水地区,风冷方式应用较为广泛,利 用 多 组 风 机,可以吹冷风至换热盘管外表面,对换热盘管内的内冷水进行散热冷却。闭式冷却塔冷却主要是利用外冷水喷淋至内部换热盘管,并结合风机将蒸发的热量带走,从而对换热盘管中内冷水进行降温散热。目前闭式冷却塔散热方法应用更为普遍,其主要由冷却塔、喷淋泵、喷淋水池、软化水处理系统、反渗透系统等组成。

    3 高压直流顶装磁翻板液位计系统故障分析与优化措施
  在我国直流换流站运行发展史中,曾有过多种类型故障出现,造 成 运 行 事 故,严重则直接造成系统闭锁跳闸等。此类运行事故直接影响换流站运行安全性、稳 定 性,需要对其进行优化。

    3.1 外冷水系统缺陷及优化
    3.1.1 故障分析
    外冷水系统故障会使内冷水温度升高,直接影响顶装磁翻板液位计稳定运行,进而导致出现跳闸事故。如暴雨、排水泵故障导致喷淋泵坑水淹事故出现;站用电电源丢失、电源切换失败导致阀冷系统整体失电;外冷水水质过硬,使冷却塔内盘管结垢、冷却塔生藻等,导致冷却效率降低。除此之外,还有可能出现传感器故障误触发事故。

    3.1.2 优化措施
    针对喷淋泵坑水淹事故,需要做好预防工作,密切关注换流站附近的天气状况,并结合情况加强巡视周期,及时对排水泵进行检查、试运行,并结合情况增加排水泵冗余度,确保排水泵运行正常,同时在泵坑单独加装液位计,并将液 位 告 警 信 号、排水泵运行信号上送至监控系统,加强远程监视,以有效避免泵坑被淹现象。针对站用电源故障情况,需有效增加站内电源供电冗余度,并加强备自投与阀冷系统配合试验,确保在站用电源切换、备自投动作期间,阀冷系统仍可稳定运行。针对外冷水水质过硬问题,需结合水质问题,通过软化水系统进行处理,对外冷水进行长期加药来防止结垢、藻类生长现象,或通过加装反渗透装置对外冷水进行净化处理,改善喷淋水质量。针对传感器误触发故障,可通过增加传感器冗余度的方式,针对液位、电导率等关键回路传感器可采用双传感器冗余, “二取 二”控 制 方 式,对控制系统进行优化。通过一系列优化措 施,可以让外冷水系统稳定性得到提升、阀冷却水系统整体运行稳定性、长期性得到保证[2]。

    3.2 内冷水系统隐患及优化
    3.2.1 阀冷控制保护系统故障
    阀冷控制保护系统故障主要包含App逻辑故障、输入输出回路故障。控制保护系统故障产生的原因主要为早期换流站中,阀冷系统厂家缺乏运行经验,阀冷定值选取不当、阀冷系统输入输出硬件回路抗干扰性与稳定性差。如在早期某换流站就曾因厂家所设置的泄露定值过于灵敏,导致相应极闭锁情况。为解决此类,首先需要全面考量控制保护App系统,梳理逻辑中存在的隐患,对逻辑控制予以优化,受限确保所有跳闸回路满足双重化冗余,再对控制保护逻辑中输入、输出有关联部分进行逻辑关联,例如可以将泄漏保护动作结果改为先进行补水,连续多次补水后若液位仍存在 降 低 情 况,再使用液位保护进行动作等;其次,所有控制系统中涉及到的定值,均需结合换流站中顶装磁翻板液位计实际运行工况需求进行设定,确保定值设定合理。

    传感器故障产生的主要原因是仪表本身故障、传感器回路故障等导致测量结果错误或存在波动等误差情况,进而影响控制保护系统判断,导致相应直流闭锁。在很多换流站均出现过温度传感器、液位传感器等测量误差导致的闭锁情况,为让此类问题得到有效解决,具体优化措施可以归纳为以下三个方面。

    (1)需要对传感器件冗余化改造,将涉及跳闸回路的传感器进行三重化冗余,如膨胀水箱液位、内冷水温度、内冷水电导率等,逻辑设定为 “三取二”出口,增强稳定性。

    (2)利用不同传感器的测量数据进行关联,优 化 控 制保护系统逻辑;在控制系统中对内冷水流量、主泵出水压力、进阀压力三类测量数据进行优化,利用三类数据之间的关联度,两两管理,例如将内冷水流量与进阀压力进行有效关联,当内冷水同时出现压力低、流量低时,启动跳闸,增强系统稳定性。

    (3)加强传感器回路抗干扰性能,尤其是阀厅内传感器,如膨胀水箱液位、阀塔压力等,加强传感器本体接地,确保接地线可靠接地,并在传感器回路中增加抗干扰磁环,减小测量数据误差,确保测量数据正确性。

    3.2.2 电源回路故障
    电源回路故障主要包含电源失电故障及电源切换失败故障。电源回路故障会造成 PLC、主泵等相关用电设备失电,严重时会导致阀冷停运,直流闭锁事故。针对电源失电故障,可以对阀冷系统进线电源进线优化。将主泵、喷淋泵、风机等所使用的400V 电源,通过两路站用电源送入阀冷屏柜,再分 别对主泵、喷淋泵、风机分路进线,确保所有动力设备均有冗余电源进线。将 PLC所使用的110V 电源,同样从站内低压直流设备处分路进线接线,使用多路同步供 电,将 PLC供电回路、传感器供电回路等全部进行冗余,确保供电可靠性。针对电源切换失败故障,因早期阀冷系统设备设计选型时,主回路电源、电源监视继电器等均 采用交流供电,当交流电源出现扰动时,容易造成电源监视继电器误动,造成电源切换,如果切换失败则会造成闭锁跳闸。针对此问题,可以将电源监视继电器改造为直流供电、交流监视,直流供电稳定性高,且可以与交流进行隔离,防止误动。整体优化工作,即为增强供电冗余度、优 化 设 备 选 型,让系统整体运行稳定性、安全性得到有效提升。

    3.2.3 内冷水水路故障
    (1)系统腐蚀现象。
    均压电极腐蚀、散热器腐蚀是内冷水系统腐蚀问题的主要表现。均压电极腐蚀主要存在于均压电极底座上,均压电极底座为不锈钢材质,运行过程中长时间受到电化学腐蚀会导致底座锈蚀、均压电极探针断裂与底座分离。顶装磁翻板液位计在运行过程中,需通过均压电极对相应阀层中水回路及电回路进行均压,防止其间出现电压差导致放电。但在实际运行过程中,均压电极探针容易出现结垢,结垢过厚如果没有及时处理,将会导致内冷水与均压电极不锈钢底座进行导电,长期下来就会导致底座腐蚀。针 对 此 问 题,需从均压电极本身的结构设计上进行改进优化,将均压电极底座材质更换为 PVDF材质,即保证了与内冷水汇流管材质相同,方便检修拆卸及运维,又可以防止底座腐蚀。散热器腐蚀现象出现的主要原因可以归纳为:散热器有电解腐蚀现象出现,内冷水存在于不同电位的晶闸管散热器、阳极电抗器,以及水冷电阻之间,这会让电解电流出现在多电位金 属 器 件 水 路 中,进而出现电解腐蚀情况;在酸性碱性条件下,散热器内金属铝有腐蚀现象出现;在内冷水系统中,散热器表面会吸附水处理回路离子交换树脂粉末,散热器有碱腐蚀情况出现。

    为让电解腐蚀问题得到有效解决,首先确保回路中均压电极的有效性,加强均压电极运维,其次需要对水处理回路进行优化处 理,比如在内冷水回路中加装 EDI装 置,大力减小内冷水回路中离子浓度,以此来让内冷水水质得到保证,减小电离腐蚀性。同时,为了减少内冷水中树脂的进入,可以在电导率可控范围内,降低离子回路水的流速,并相应减小离子回路过滤器孔径,让树脂粉末得到有效过滤。

    (2)系统堵塞现象。
    系统堵塞物主要包含了碎布、垢样、毛发以及碎石等。对系统堵塞现象产生原因进行推测,如 果 阀 塔 检 修时,工作人员误将均压电极结垢物掉落至内冷水回路,或正常运行过程中,均压电极垢样自行掉落至内冷水中,均会导致水回路中出现垢样堵塞;如果主泵检修时,作业人员误将毛巾等杂物遗留至主泵出水回路,将会导致毛巾堵塞主过 滤 器。针 对 此 类 原 因,首先确保人员工作的可靠性、安全性;在检修过程中,凡是工作在水回路内部的环境中时,工作负责人需做好监护,在系统恢复前,检查确认设备中无遗留物,方才对回路管道等进行回装;其次可以对管道设计进行优化,让 “死区”现象得以减少,在主水管道中合理增加阀门,使检修过程中尽可能缩小工作范围,并将主过滤器放置在进阀管道前端,做好内冷水进入阀塔时zui后一道关卡。再次,可以对主过滤冗余情况予以全面考 量,对主过滤器进行冗余化改造,增 加 备 用 过 滤器,如果主过滤器有堵塞情况出现,可以及时切换为备用过滤器,有效避免因主过滤器堵塞带来的内冷水流量、压 力、温度等故障导致的跳闸。

    (3)均压电极结垢现象。
     均压电极结垢问题在内冷水系统结垢现象中较为常见。为让内冷水系统电解腐蚀现象得到有效减少,当前的顶装磁翻板液位计设计中,大多均压电极安装在内冷水系统阀段并联水路汇流管与S型水管等位置。均压电极结垢的主要来源为散热器腐蚀后产生的铝离子。为减少均压电极结垢现象,可对系统进行有效优化。首先改进均压电极本身结构,加大电极探针直径、增加探针针头数量,来减小每一根探针本身结垢量;其次,在内冷水回路中,增加 CO2 装置或 EDI装置,有效对铝离子进行吸取或过滤,降低其在内冷水回路中浓度。zui后是加强运维,根据每个换流站中均压电极结垢情况,合理制定检修维护周期,确保均压电极结垢可控,确保系统稳定过。

    4 结语
    通过对外冷水系统、内冷水系统故障及隐患进行全面分析,从设计、安 装、操 作、运维等多角度进行优化处理,可以让外冷水故障、控制系统故障、电源回路故障以及内冷水水路故障得到有效处理,进而让高压直流顶装磁翻板液位计系统运行稳定性得到有效提升。

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