氣泡對(duì)換流閥內(nèi)冷水電導(dǎo)率在線測(cè)量的影響

馬嘯飛

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

換流閥是直流站的核心設(shè)備之一。換流閥運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部可控硅元件會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要冷卻介質(zhì)及時(shí)將熱量帶走，以防可控硅元件因溫度過高而損毀。換流閥內(nèi)冷系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為高純水，其電導(dǎo)率的在線測(cè)量容易受到諸多因素的影響，水中氣泡是常見的影響因素之一。為了避免水中雜質(zhì)的侵蝕，換流閥對(duì)內(nèi)冷卻水的電導(dǎo)率有著嚴(yán)格的要求（國標(biāo)要求≤0.5 μS/cm），電導(dǎo)率測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)換流閥的安全運(yùn)行有著不容忽視的影響。本文分析了換流閥內(nèi)冷水系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)氣泡的機(jī)理，闡明了氣泡對(duì)換流閥內(nèi)冷水電導(dǎo)率測(cè)量過程的影響，并提出了一些有效控制措施。

1 換流閥內(nèi)冷水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

換流閥內(nèi)冷卻水系統(tǒng)由主循環(huán)回路、水處理回路和內(nèi)冷水補(bǔ)水系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)主要包括主循環(huán)水泵、空氣冷卻器、閉式冷卻塔、去離子裝置、脫氣罐、電加熱器、膨脹水箱、過濾器、補(bǔ)充水泵、配電及控制等設(shè)備，如圖1所示。冷卻水在室內(nèi)換流閥熱交換器內(nèi)加熱升溫后，由循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)入室外空氣冷卻器，降溫后的冷卻水由循環(huán)水泵再送至室內(nèi)。水處理回路主要由一用一備的離子交換器和交換器出水段的精密過濾器組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，部分內(nèi)冷卻水將從主循環(huán)回路旁通進(jìn)入水處理裝置進(jìn)行去離子處理，去離子后的內(nèi)冷卻水其電導(dǎo)率將會(huì)降低，處理后的內(nèi)冷卻水再返回主循環(huán)回路。

圖1 換流閥內(nèi)冷系統(tǒng)流程圖

2 氣泡的來源

2.1 吸氣現(xiàn)象

由于換流閥循環(huán)內(nèi)冷水各段管徑不同，內(nèi)冷水的流速和壓力差距較大，在某些部位可能發(fā)生射流泵吸氣現(xiàn)象。比如水冷電阻處，當(dāng)冷卻室的密封元件腐蝕損壞或密封不嚴(yán)時(shí)，其進(jìn)出水管和冷卻室就會(huì)組成射流泵。進(jìn)水以較高的速度從管口流出，進(jìn)入冷卻室，在冷卻室因周圍的空氣被高速水流帶走而形成真空，導(dǎo)致外部空氣被吸入管內(nèi)，使內(nèi)冷水中出現(xiàn)大量微小氣泡，其工作原理如圖2所示。氣泡會(huì)導(dǎo)致內(nèi)冷水的流動(dòng)特性發(fā)生改變，在高溫、高壓的局部，氣泡集中破裂，產(chǎn)生非常高的溫度和壓力，會(huì)導(dǎo)致元器件因氣蝕而損壞，同時(shí)使液壓泵產(chǎn)生較大的噪聲和振動(dòng)。

圖2 吸氣現(xiàn)象原理圖

2.2 溶解氣體析出

內(nèi)水冷系統(tǒng)中的空氣以兩種形式存在：一種是游離性氣體，氣體以游離氣泡隨內(nèi)冷水循環(huán)流動(dòng)，容易在系統(tǒng)某些部位聚集（比如管路較高處）；另一種是溶解性氣體，氣體溶解于水中，當(dāng)系統(tǒng)壓力由高變低時(shí)，這部分氣體會(huì)以氣泡的形式析出。內(nèi)冷水循環(huán)系統(tǒng)并不是絕對(duì)的全封閉循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)冷水不可避免的會(huì)有微量空氣溶解于其中。根據(jù)亨利定律，在一定溫度下，若內(nèi)冷水循環(huán)回路中某處的壓力低于空氣的平衡分壓，則溶解于內(nèi)冷水中的過飽和空氣會(huì)迅速析出，產(chǎn)生大量的氣泡。此外，在高溫高壓下，內(nèi)冷水本身也會(huì)發(fā)生汽化，產(chǎn)生大量的水蒸氣。

3 氣泡電導(dǎo)率測(cè)量的影響

3.1 氣泡對(duì)測(cè)量電阻的影響

電導(dǎo)率是用來表示物質(zhì)傳導(dǎo)電流能力強(qiáng)弱的物理量，電導(dǎo)率越大則導(dǎo)電能力越強(qiáng)，反之越小。對(duì)于水溶液，其電導(dǎo)率越大說明水中離子濃度越高，反之越低。電導(dǎo)率的基本計(jì)算公式為

式中σ為電導(dǎo)率，K為電極常數(shù)，G為溶液的電導(dǎo)，R為溶液的電阻。

在線電導(dǎo)率傳感器由2個(gè)平行板構(gòu)成，一般采用同軸設(shè)計(jì)，位于中間位置的內(nèi)電極被環(huán)繞在其周圍的外電極包圍，內(nèi)外電極和周圍的待測(cè)溶液共同組成了測(cè)量池，如圖3。

在內(nèi)冷水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，水中的氣泡會(huì)附著在電導(dǎo)率測(cè)量電極上（如圖4）。當(dāng)電極表面的氣泡足夠多，足夠大時(shí)，由于氣泡的電阻較大，會(huì)使電極附近的溶液電阻R變大，根據(jù)式（1）電導(dǎo)率讀數(shù)將變小，因此氣泡的存在會(huì)導(dǎo)致在線電導(dǎo)率儀表讀數(shù)偏小。

圖3 電導(dǎo)率測(cè)量池截面

圖4 氣泡覆蓋后的測(cè)量池

在實(shí)際測(cè)量中，當(dāng)電導(dǎo)率表讀數(shù)不穩(wěn)定時(shí)，可以通過一邊敲擊傳感器一邊觀察電導(dǎo)率讀數(shù)，來檢驗(yàn)電極表面是否存在氣泡（當(dāng)氣泡被除去和沖洗到下游時(shí)，讀數(shù)會(huì)上升）。在日常運(yùn)行中，如果發(fā)現(xiàn)在線電導(dǎo)率表的讀數(shù)長期低于理論值（0.055 μS/cm）時(shí)，除了校準(zhǔn)儀表以外，還要考慮電極的安裝位置是否有利于氣泡及時(shí)排走。

3.2 溶解空氣對(duì)電導(dǎo)率的影響

在測(cè)量低電導(dǎo)率（＜10 μS/cm） 時(shí)，空氣中的二氧化碳會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響。溶解二氧化碳在水中形成碳酸（H2CO3），碳酸在第一步解離成碳酸氫根離子（HCO3），在第二步解離成碳酸根離子（CO32－）。具體反應(yīng)如下。

從上述反應(yīng)可以看出，二氧化碳在水中電解會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電能力較強(qiáng)H+。由于內(nèi)冷水的電導(dǎo)率極低，H+對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)量影響很大，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，二氧化碳電解產(chǎn)生的離子可使電導(dǎo)率讀數(shù)提高大約1 μS/cm。因此，溶解空氣會(huì)使在線電導(dǎo)率儀表讀數(shù)偏大。

4 控制措施

4.1 合適的測(cè)量流速

理想條件下，水的電導(dǎo)率取決于水的純度或組成，和流速無關(guān)，但當(dāng)水中存在氣泡時(shí)，流速對(duì)電導(dǎo)率尤其是高純水的電導(dǎo)率測(cè)量則有較大的影響。表1數(shù)據(jù)為某換流站電導(dǎo)率表比對(duì)結(jié)果，該站極1高端和極2低端離子交換器出水在線電導(dǎo)率表讀數(shù)長時(shí)間低于理論值，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)表旁路測(cè)量發(fā)現(xiàn)引出管內(nèi)有大量氣泡。通過調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)表的流速，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)隨流速的增大而上升，當(dāng)流速達(dá)到3 m/s以上后，讀數(shù)基本穩(wěn)定不再變化。由此分析，流速逐漸升高時(shí)，電極表面附著的氣泡逐漸被水流帶走，水中溶解的二氧化碳被不斷稀釋，使電導(dǎo)率讀數(shù)不斷接近真實(shí)值，最終穩(wěn)定下來。因此，測(cè)量高純水的電導(dǎo)率要選擇合適的流速，同時(shí)也應(yīng)該注意，過高的流速會(huì)造成“氣穴效應(yīng)”，對(duì)電極產(chǎn)生一定沖擊力，不僅會(huì)造成讀數(shù)不穩(wěn)且可能損害電極。

表1 某換流站在線電導(dǎo)率儀表比對(duì)結(jié)果

4.2 選擇合適安裝位置

對(duì)于內(nèi)冷水系統(tǒng)，電導(dǎo)率傳感器應(yīng)安裝在水平或流向朝上的垂直管道中，最好使流向正對(duì)著電極的頭部，應(yīng)盡量避免將電極安裝在水平管路的垂直方向。采用外接儀表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)使水樣從底部流入流通池，并從上面排出。總之，傳感器的安裝應(yīng)該避免流動(dòng)死角，選擇盡量有利于氣泡排出的位置（見圖5—圖7）。

圖5 電極正對(duì)水流

圖6 流向朝上的垂直管道

圖7 電極與水流垂直

4.3 增加排氣閥

在管道的高位裝設(shè)足夠的排氣閥，在主循環(huán)管道較高處、過濾器頂部以及樹脂罐頂部等氣體易聚集處設(shè)置手動(dòng)排氣閥。當(dāng)發(fā)現(xiàn)管路氣泡較多或者系統(tǒng)運(yùn)行噪聲變大時(shí)，可使用手動(dòng)排氣閥加快氣體排出的速度，減少管內(nèi)殘留氣體。

5 結(jié)語

換流閥內(nèi)冷卻水的監(jiān)督檢測(cè)是換流閥安全運(yùn)行的重要保證，電導(dǎo)率的測(cè)量是否準(zhǔn)確對(duì)整個(gè)換流閥的安全運(yùn)行有著不容忽視的影響。本文分析了氣泡對(duì)換流閥內(nèi)冷水電導(dǎo)率在線測(cè)量的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出了一些有效措施，對(duì)換流閥內(nèi)冷水的分析檢測(cè)起到了一定的參考作用。