閥冷噴淋水池液位計失效分析及改進方案

張 鵬，李帥兵，馬修偉，趙 陽，劉科含

（國網河南省電力公司直流中心，河南鄭州 450000）

0 引言

閥冷系統是（特）高壓直流輸電換流站極其重要的輔助設備，通過主泵提供循環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境，其中內部循環冷卻水由噴淋系統進行降溫。一旦閥冷系統出現故障或異常，電流產生的熱量將會燒毀換流閥內的晶閘管，使系統跳閘、整個換流站癱瘓，進而導致大規模停電現象，造成不可估量的損失。

1 問題描述

中州換流站閥冷系統采用閉式冷卻塔作為外部熱交換設備，通過噴淋水的蒸發帶走熱量，進而給內部循環冷卻水降溫。噴淋水儲存在400 m3的噴淋水池內，并設置有液位計，給控制系統提供液位信號，在低液位時自動啟動補水系統進行水源補充，高液位時則停止補水。噴淋水池液位計一旦出現故障，將會導致補水不及時，影響閥冷系統正常運行。

中州換流站共有4 套閥冷系統，每套閥冷系統設置有一座噴淋水池，池內有2 臺超聲波液位計（圖1）。從2013 年中州站投運以來，出現過多次噴淋水池超聲波液位故障影響補水的情況，因此亟需找出原因并給出解決方案。

圖1 超聲波液位計

2 問題分析

中州站超聲波液位計出現的故障都表現為讀數不準確，經拆卸觀察，發現液位計底部超聲波發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。因此分析認為，由于噴淋水經過熱交換，吸收了內冷水的熱量，水溫升高（一般在40 ℃左右），高于室外溫度，很容易形成蒸汽，并在超聲波液位計表面形成水滴，這些水滴會導致超聲波液位計誤判，進而影響系統補水。

3 解決方案

3.1 液位計選擇

經上述分析，超聲波液位計不適合中州站噴淋水池的實際情況，需更換為其他形式的液位計。常見的液位計種類有：

（1）玻璃板液位計。通過與待測容器相連組成連通器，使容器內的液面高度能夠透過玻璃板直接讀取，其特點是結構簡單，讀數直觀。

（2）壓力液位變送器。采用靜壓測量原理，當壓力液位變送器放置在被測液體的某一深度時，傳感器通過測量壓力來反映液位深度。其特點是結構簡單、用途廣泛，能夠測量高溫、高壓和強腐蝕性液體的液位。

（3）浮標液位計。利用浮力原理，當液位改變時，浮子的位移經由鋼帶傳輸給位移傳動系統，使現場指示器動作，在顯示裝置上顯示液位變化。其特點是性價比高，同時可以用于測量不同液體之間的界面。

浮標液位計又能升級改造成磁翻板液位計和浮球液位計等。其中，磁翻板液位計同樣是利用浮力原理，浮子根據被測容器內的液位變化進行上下浮動，浮子內的永久磁鋼通過磁耦合作用控制磁翻柱上的紅白標識進行翻轉，紅色區域的高度即為所測液位高度，其特點是顯示清晰、測量范圍大，并且具有高密封性，能夠測量高溫、高壓和帶有腐蝕性的液體[1]。浮球液位計利用磁性浮球隨被測液位的改變而升高降低，進而使傳感器動作、電阻值呈線性變化，并輸出4～20 mA 的標準電流信號，再由控制器或通信設備將信號傳輸給上位操作站或工程師站進行數據的采集和分析，其特點是能夠遠程操控和觀察、監測功能齊全[2]。

（4）雷達液位計。利用時域反射原理，通過發射雷達波以光速前行，遇到液面再沿原路反射回來并由探測器接收，計算路徑時間以反映液面位置的儀器。其特點是不與液位接觸，可以測量高溫、高壓和帶有腐蝕性的液體，測量范圍廣、不受介質影響、可在真空中使用，但其使用的測量元件較為精密，維護比較困難[3]。

（5）超聲波液位計。即中州換流站原本采用的液位計，它與雷達液位計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、方向性強的特點，因而成為更廣泛被使用的液位計[4]。但超聲波需要借助介質進行傳播，因此不能在真空中使用，在蒸汽、粉塵含量過高的環境中或中州站這種探測表面被凝露覆蓋的情況，測量效果不理想。

（6）電容式液位計（圖2）。通過在液體中插入一根金屬棒，由金屬棒和導電容器壁（或接地管）構成電容兩極，當液位變化時，兩極相對面積改變，進而影響電容值的大小，反映液位變化情況。其特點是可以非接觸式測量，真空或高壓情況下皆可應用，分辨率高、動態響應快[5]。

圖2 電容式液位計

根據中州換流站的工況特點，擬采用精度高、反應快，且能消除表面粘附物影響的電容式液位計。目前，電容式液位計已經應用在閥冷輔機的膨脹罐上，其可靠性已經過驗證。

3.2 測量原理

電容式液位計的兩極由探針和導電容器壁或接地管組成，根據極間液位變化帶動電容值變化的原理進行液位測量。當容器內沒有液體時，此時兩極間電容值最小，記為初始電容并標定為0。當容器中有液體注入時，隨著液位漸漸升高，電極被液體覆蓋面積越大電容值越大，然后通過帶有電源、負載電阻的測量電路轉換成4～20 mA 的電流信號，再通過后續放大器、濾波器和A/D 轉換器等信號處理裝置，將最終的測量結果輸出在顯示裝置上。

容器電容值的計算是根據相位選擇測量原理來進行工作的。在此過程期中，交變電流的大小和相移總量可以被測量出來。通過這兩個特征參數，根據介質容抗可以計算出電容性無功電流的大小，再根據介質阻抗計算出實際電流的大小。

探針纜或探針桿上具有導電性的粘附物相當于附加了介質阻抗，因此可能會導致測量誤差的出現。介質阻抗的數值可以通過相位選擇的方法來測量計算，所以通常采用該算法來補償探針上的粘附物影響，使電容式液位計具有粘附補償能力。

電容式液位計采用堅固耐用的錐形自密封結構，保證了探針可以在真空環境下使用，也可以在高達10 MPa 的高壓環境下使用。因其具有高度密封性，并且探針采用絕緣材料制作而成，使得電容式液位計能夠在-80～200 ℃的環境溫度下工作。電容式液位計受被測介質電導率影響不大，只需大于100 μS/cm 即可，測量值便與介電常數無關，顯示測量值也不會因其波動而產生變化，測量不同液體的液位時也不需要重新標定探針[6]。

3.3 線性度和重復性

傳感器的靜態特征可以由線性度和重復性兩個參數來表達。

線性度是在實驗室規定狀態下，經過多次測量獲得平穩輸出，并由最小二乘法進行線性擬合后獲得擬合曲線，通過將測量值（傳感器校準曲線）與擬合值的最大誤差與滿量程輸出相比，該百分比數值被稱為線性度。線性度越小，說明與擬合曲線偏離越小。傳感器經多次校準后獲得的輸出值誤差越小，可預測性越好。中州站擬采用的電容式液位計的線性度為0.5%。

重復性是指在同一時間段、同一實驗條件下，采用同樣的測試方法進行多次重復實驗，取其概率分布在95%以內的兩個獨立測試結果的最大差值與滿量程輸出之比。重復性越小，表示該結果的可復現性越好，測量結果越可靠。中州站擬采用的電容式液位計的重復性為0.1%。

4 工程應用

通過測量中州換流站噴淋水池實際深度，確定了電容式液位計整體長度，并設計加工了一套專用的固定裝置，該裝置配備有防水防曬蓋板，同時在水池內部設有套筒保護構件（圖3）。結合安裝完成后液位計實際高度情況，標定和設置液位參數，確保與原閥冷設備運行程序匹配。

圖3 電容式液位計固定裝置

使用電容式液位計，解決了多凝露環境下測量困難的問題，提升了閥冷噴淋水池液位的測量準確度。在安全效益方面，避免了換流閥運行過程中因補水不及時導致的閥組閉鎖乃至直流停運的風險。在經濟效益方面，節省噴淋水池維護的人力物力成本。電容式液位計本身沒有運動部件、結構簡單，易于檢修維護。在社會效益方面，電容式液位計在投入使用后消除了噴淋水池液位測量不準確的問題，為其他氣候寒冷、易凝露的換流站提供了借鑒思路，大大縮短作業人員的檢修時間，提高閥冷外水冷系統的檢修效率，避免因補水問題導致的閥組閉鎖，降低直流停運的風險。

5 結論

中州換流站原有超聲波液位計因工作溫度高于環境溫度，容易在超聲波發射面產生凝露，影響噴淋水池液位測量結果的準確性，導致不能正常補水，對閥冷系統產生危害。通過更換電容式液位計，并配套設有固定裝置、防水防曬蓋板，水池內部增加套筒保護，從而消除表面粘附物的影響，提高測量結果的準確性，并延長液位計的使用壽命，進而保證閥冷系統的長期穩定運行。