換流閥內(nèi)冷水系統(tǒng)充水排氣管控方法研究

阮 暢，黃一釗，覃廣斌，許高明，丁 賽，肖瑜堃

(中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545006)

0 引言

換流閥是高壓直流輸電系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其中，閥冷系統(tǒng)是換流閥的重要輔助系統(tǒng)，它可將換流閥產(chǎn)生的熱量通過水循環(huán)傳遞到閥廳外，保證晶閘管不會因溫度過高而損毀，具有良好的冷卻效果。因此，在換流閥投入運行前，必須保證閥冷系統(tǒng)內(nèi)冷水的各項運行指標(biāo)在正常范圍內(nèi)。下面對換流閥內(nèi)冷水系統(tǒng)充水排氣管控方法進行研究，以保證換流閥安全運行。

1 閥冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

換流站的每個換流閥組均配置一套獨立的換流閥冷卻系統(tǒng)，如圖1所示。每套換流閥冷卻系統(tǒng)由內(nèi)冷水處理設(shè)備、內(nèi)冷主循環(huán)設(shè)備、閥外冷系統(tǒng)及閥廳管道四部分組成。其主要設(shè)備包括主循環(huán)泵、噴淋泵、膨脹管、精密過濾器、離子交換器、原水罐、室外蒸發(fā)式冷卻塔、以及晶閘管散熱器等重要設(shè)備[1]。

圖1 換流閥冷卻系統(tǒng)流程

換流閥冷卻系統(tǒng)的內(nèi)冷水采用蒸餾水。內(nèi)冷水在主循環(huán)泵的作用下進入閥廳管道，繼而進入晶閘管散熱器與IGBT發(fā)生熱交換，經(jīng)加熱后的內(nèi)冷水進入室外蒸發(fā)式冷卻塔內(nèi)的盤管進行冷卻，降溫后的內(nèi)冷水再送至換流閥，如此周而復(fù)始地循環(huán)。另外，內(nèi)冷水還會經(jīng)過由膨脹罐、離子交換器等組成的內(nèi)冷水處理設(shè)備，對內(nèi)冷主循環(huán)回路中的部分介質(zhì)進行純化和脫氣。

2 內(nèi)冷水系統(tǒng)氣體產(chǎn)生原因及危害

2.1 射流泵吸氣現(xiàn)象

由于內(nèi)冷水流經(jīng)各段管徑存在差異，且流速較大，若出現(xiàn)密封元件腐蝕損壞或者不嚴密時，在兩段不同管徑的交接處可能發(fā)生射流泵吸氣現(xiàn)象[2]，導(dǎo)致環(huán)境空氣被吸入管內(nèi)，使內(nèi)冷水中出現(xiàn)大量氣泡。吸入的氣體在主循環(huán)泵的作用下循環(huán)流動至晶閘管散熱器。在高溫、高壓的環(huán)境中，氣泡集中破裂，將會產(chǎn)生非常高的溫度和壓力，導(dǎo)致元器件因氣蝕而損壞，同時主循環(huán)泵也會產(chǎn)生較大的噪聲和振動。

2.2 溶解氣體析出

在進行主過濾器濾芯更換、檢查水電極等工作時，檢修人員勢必排出大量的內(nèi)冷水。待工作完成后，如果原水罐液位低于原水罐總?cè)萘康?5 %，則需要對原水罐進行補水。此時，所加入的蒸餾水并未經(jīng)過專業(yè)處理，不可避免地會有微量空氣溶解于其中。根據(jù)亨利定律，在一定溫度下，氣體在溶液中的溶解度與液面上該氣體的平衡壓力成正比。因此，當(dāng)某處壓力低于空氣的平衡壓力時，溶解于內(nèi)冷水的空氣會迅速析出，產(chǎn)生大量的氣泡[2]。當(dāng)處于用電負荷高峰期時，換流閥所產(chǎn)生的高溫將使內(nèi)冷水發(fā)生汽化，產(chǎn)生大量的水蒸氣，導(dǎo)致元器件因氣蝕而損壞。

2.3 游離性氣體聚集

當(dāng)進行蝶閥開合、主循環(huán)泵啟停、水電極檢查等工作時，將會使得內(nèi)冷系統(tǒng)冷卻水產(chǎn)生較大波動，導(dǎo)致內(nèi)冷水中出現(xiàn)游離的氣泡。游離的氣泡隨著內(nèi)冷水循環(huán)流動，吸附在各個管道連接處或閥塔“S”型彎管處，當(dāng)內(nèi)冷系統(tǒng)出現(xiàn)振動時，各部位的氣泡將會聚集于管路較高處。當(dāng)聚集的氣體含量較多時，大量氣體可能會進入散熱器或者主循環(huán)泵，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異?；驌p壞。

3 充水排氣管控措施

在進行充水排氣前，現(xiàn)場人員必須詳細逐一檢查各功率模塊散熱器進、出水管連接處，各管道法蘭連接處、水電極安裝處等地方牢固可靠，并且實時監(jiān)視各主水管道壓力、膨脹水箱水位、內(nèi)冷水電導(dǎo)率等重要參數(shù)變化情況，以此為依據(jù)開展注水工作。結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，建議還采取以下幾點充水排氣關(guān)鍵管控措施。

1) 合理控制水流速度。在進行閥冷系統(tǒng)管道更換后，進行管道內(nèi)部氣體的排氣工作時，首先應(yīng)打開該段管道最高點處排氣閥，然后緩慢打開進水端蝶閥約15°，逐漸排出空氣，直至排氣閥只有冷卻液溢出時，關(guān)閉排氣閥。最后，觀察內(nèi)冷系統(tǒng)各參數(shù)無異常，恢復(fù)進、出水蝶閥。

2) 采用間歇式充水方法。根據(jù)文獻[3]可知，在水平管道中，氣泡顆粒數(shù)密度和粒徑相對大的氣泡所占百分比會隨時間增加而不斷減小。根據(jù)研究表明，氣泡顆粒數(shù)密度會在20～25 s時達到穩(wěn)定值，氣泡的粒徑分布變化會在7 s時達到穩(wěn)定。因此，為了保證充入的冷卻水中氣泡顆粒數(shù)密度及氣泡粒徑達到最低值，在進行充水時，每隔30 s充水一次。

3) 改進排氣閥門與主水管的連接結(jié)構(gòu)。結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，管道的排氣閥門采用細長的管子焊接于主水管上，管道內(nèi)的氣體無法迅速排出。為了便于管道內(nèi)氣體的匯集，可將排氣閥與主水管連接處改進為喇叭形狀，從而提高排氣閥收集氣體的能力。

4) 對未開展檢修維護工作的閥廳管道進行隔離。在進行水電極檢查、功率模塊更換等工作時，勢必排出閥塔中大量的內(nèi)冷水。為了保證在進行充水排氣時，該閥塔中的氣泡不竄入相鄰閥塔，可關(guān)閉該閥廳所有閥塔進、出水蝶閥(主循環(huán)設(shè)備停機)，然后打開正進行檢修維護工作的閥塔進、出水蝶閥，同時手動啟動補水泵對閥塔進行補水，此時需時刻關(guān)注膨脹罐液位變化情況。待閥塔水位至最高點后，打開所有閥塔進、出水蝶閥，通過主循環(huán)泵電動的方法進行排氣即可。該方法可有效防止水流對閥塔水管的沖擊及氣泡竄入相鄰閥塔。

4 結(jié)論

換流閥內(nèi)冷水充水排氣工作是換流閥檢修維護過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，對整個換流閥的安全運行有著不容忽視的影響。以上結(jié)合實際運行維護經(jīng)驗提出一些管控措施，供閥冷系統(tǒng)的分析檢測參考。