換流站閥水冷系統氮氣壓力安全穩定性分析

蔣久松，黃岳奎，高超，劉國云

(國網湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410004)

1 問題的提出

在鵝城換流站全封閉式閥水冷系統中，由氮氣加壓回路維持系統壓力，其回路如圖1所示。工業用標準瓶裝氮氣壓力與膨脹罐內設計壓力250 kPa差別大，故在氮氣加壓回路中串連減壓閥T1、壓力調節單元T2，得到所需的氣體壓力。

圖1 氮氣加壓回路示意圖

在氮氣瓶出口減壓閥故障等條件下，可能會導致膨脹罐內氣體壓力發生突變，將影響水回路流量、膨脹罐水位等重要參數。文章對是否存在保護誤動的隱患和對直流輸電系統的安全穩定運行的影響進行分析。

2 氮氣壓力對系統運行的影響

2.1 氮氣加壓和泄壓回路

氮氣瓶出來的氣體經過壓力調節單元T2和減壓閥T1，再經過逆止閥V37，到達膨脹罐。

2.2 水位、泄漏量與管道流量的關系

氮氣加壓回路流入和流出的水量在正常時基本保持動態平衡，流入的流量即為圖1中BF3流量計的流量。當流出水量大于流入水量時，膨脹罐內水位就會出現下降，兩者的流量差，就可以直接反映膨脹罐內的水位變化。根據實際讀數5.6，表計倍數為20，計算鵝城換流站現場BF3流量計算為5.6×20/60=1.86(L/s)，因此求出除氧系統出口的水流量，可得出水位的變化速率。

2.3 水的體積的彈性變化分析

按照力學原理，常溫水的體積彈性模量為K=2 190 MPa，壓縮系數k=1/K=(1/2190)(1/MPa)。1 L的水在膨脹罐內0.25 MPa壓力下，體積的壓縮量為:1×0.25×(1/2190)=(1/8760)(L)。

整個水系統中包含20 000 L去離子水，考慮調壓器2故障時壓力突然增大至1 MPa，即可計算出壓力值從正常的0.25 MPa突然變為1 MPa時，體積變化量為20000×0.75×(1/2190)=6.849(L)。此時，考慮對泄漏量的影響，鵝城換流站突變量泄漏定值約4.28 L/s，且需要持續25 s(時間定值)動作，從理論上講，在6.849 L的體積變化量下，持續25 s，保護會動作;而實際上，在壓力增大時，安全閥、釋放閥會立即動作，壓力會快速降低，不致引起保護動作?？紤]對水位的影響，即使出現內部過壓，按照體積變化量折算來看，引起的水位變化較小，而水位保護定值為低于10%動作，故該影響尚不致導致保護動作。

3 各閥門特性及故障分析

3.1 各類閥門特性分析

3.1.1 壓力調節單元

工作原理及特性:在整個除氧回路中，氮氣瓶中的高壓氮氣要釋放到膨脹罐中，首先經過壓力調節單元T2。通過自身的減壓閥將輸入的氣體壓力降低，滿足所需的輸出氣壓。當裝置內壓力過大時，頂部的安全閥將動作。正常運行時，充滿氣體的氮氣瓶最高壓力為13 MPa，即為最大輸入壓力，輸出壓力穩定在1.8 MPa附近。

3.1.2 減壓閥

內水冷系統除氧回路中，在壓力調節單元T2低壓出口處裝有1個減壓閥T 1，設計有雙級氣體調壓器，相當于使用了2個串聯，可根據現場需要靈活進行組合，滿足不同的管道連接方式。

其中，調壓器1最大進氣壓力 (P1max)為25 MPa，最大輸出壓力 (P2max)為1 MPa，正常輸出的氮氣氣流為15 m3/h。;調壓器2最大進氣壓力(P1max)為2 MPa，可調節的輸出氣壓 (P2max)為0.01～0.3 MPa，正常輸出的氮氣氣流為2.5 m3/h。在調壓器1的本體位置還連接有1個安全閥，壓力自行上升并超過1.6 MPa時該安全閥會自動打開排氣。減壓閥T1壓損為0.07 MPa，即當現場減壓閥T1出口顯示為0.3 MPa時，膨脹罐內氣體壓力實際約為0.23 MPa。

3.1.3 安全閥

在膨脹罐頂部進氣管道處安裝1個安全閥V25。當系統內部壓力超過閥門動作定值時，閥門將迅速打開以釋放多余的氣體。鵝城換流站該閥門設定動作值為0.26 MPa，根據廠家提供的壓力釋放特性曲線，當膨脹罐內部出現氣體過壓時，隨著內部壓力的增加，氣流釋放的速率也將迅速增大。當內部壓力為0.45 MPa時，氣體釋放速率將達到10 L/s，隨著氣體釋放速率的快速增大，壓力變化將逐漸趨于恒定。

3.1.4 釋放閥

釋放閥F1安裝于膨脹罐頂部，動作壓力為0.35 MPa。工作正常時，它通過彈簧提供密封力保證設備正常運行;當罐內壓力超過0.35 MPa時釋放閥自動開啟，系統壓力下降;當氣體壓力降低到某一定值時，釋放閥在彈簧力的作用下回彈并自動關閉。該閥門主要為防止安全閥V25故障時容器內部過壓無法釋放，作為V25的后備保護，在壓力大于0.35 MPa時輔助泄壓。

3.1.5 自動排氣閥

該自動排氣閥安裝于排氣罐C1頂部，通過內部浮球控制閥門的開關。正常運行時除氣罐內充滿水，通過水的浮力托起浮球，將泄壓口關閉，如管道內出現氣體，自動排氣閥將自動打開排氣。

3.2 減壓閥故障及泄壓情況分析

氮氣加壓和泄壓回路如圖2所示。各級調壓單元均配置有泄壓通道，確保不會因過壓導致閥門故障或過壓爆炸。針對減壓回路的3個最重要的組成部分調壓器分別進行如下分析:

圖2 氣體加壓及泄壓回路示意圖

1)壓力調節單元T2故障分析

在減壓回路中，壓力調節單元T2自身減壓閥和減壓閥T1的調壓器1工作壓力接近，二者僅有1個正常工作都可以保證輸出1～1.5 MPa的壓力。因此，T2調壓單元故障時T1的調壓器1不會承受高壓，滿足運行要求。

2)T1的調壓器1故障分析

由上述類似分析，調壓器1故障時，調壓器2最大承受的電壓實際約為1.8 MPa(經調壓器 T2輸入減壓閥T1的壓力，參照正常運行時的現場讀數)，而其最大進氣壓力容許為2 MPa，仍滿足運行要求。

3)T1的調壓器2故障分析

若調壓器2故障，經過調壓器1，壓力調節單元T2減壓后，可能輸出1 MPa左右的氣壓至膨脹罐，此時安全閥V25和釋放閥F1都將打開。結合安全閥V25的動作曲線，基本確定膨脹罐內氣體壓力0.4 MPa以內，與正常值0.25 MPa相比升高不大，不會對系統造成大的危害。

4 運行維護措施

4.1 運行監視

1)若膨脹罐內部壓力高于0.32 MPa或低于0.15 MPa，監視后臺將報警，需迅速現場檢查。

2)抄錄膨脹罐內壓力的讀數，對相關設備進行在線監視。

3)監視整個回路運行情況，抄錄各級減壓閥相關壓力表計讀數。如發現壓力下降較快，則需分析處理。

4)一旦減壓閥故障情況較為嚴重，內部過壓必然通過安全閥釋放，此時釋放高壓氣體的故障現象較為明顯，較容易發現。

4.2 故障減壓閥的更換措施探討

1)減壓閥T1或壓力調節單元T2的更換

由于氮氣加壓回路中設計有逆止閥V37(如圖1)，對減壓閥T1或壓力調節單元T2進行更換并不會導致膨脹罐內部失壓。但考慮到逆止閥的密封效果，以及回路的安全可靠性，為了將膨脹罐氣體與外界、與氮氣加壓回路完全隔離，建議在回路中V37前增加1個手動閥門，可以更為可靠地實現對T1或T2的在線更換。

2)安全閥V25或釋放閥F1的更換

安全閥V25或釋放閥F1安裝在同一連通管道回路上，其中之一故障時，另一個閥門尚能起到安全釋放作用。目前系統中，上述2個閥門前端均無手動閥門 (參見圖1)，當其中之一故障時，無法在線更換，否則氮氣罐頂部氣壓無法保持。為了保證系統可靠運行，建議在安全閥V25、釋放閥F1前端分別增加1個手動閥門。

5 結束語

經過上述理論分析，鵝城換流站閥水冷系統中，減壓閥T1和壓力調節單元T2故障，導致壓力變化時，各相關泄壓閥門、安全閥的動作配合可靠，不會導致閥水冷系統相關保護誤動，不會因過壓損壞相關設備。

〔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〕李興源.高壓直流輸電系統的運行和控制〔M〕.北京，科學出版社，1998.