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    關于高壓直流防爆型磁翻板液位計系統故障分析與優化措施

    發布時間:2021-01-22 17:57:09??點擊次數:506次

    摘要:高壓直流防爆型磁翻板液位計系統的優化對于我國高壓直流輸電發展具有重要意義。文章首先對高壓直流防爆型磁翻板液位計系統優化背景作出簡要闡述,然后對閥冷卻水系統予以說明,最后結合實際情況,對高壓直流防爆型磁翻板液位計系統故障及隱患,提出幾點高壓直流防爆型磁翻板液位計系統優化措施,希望可以對業內起到一定參考作用。
    引言
    自1954年高壓直流輸電問世以來,高壓直流輸電經歷了多次變革,現階段,高壓直流輸電已經在我國電力系統運行中占據重要地位。隨著社會經濟的快速發展,西電東送發展戰略的落實,高壓直流輸電發展前景可謂十分廣闊,為保證高壓直流輸電工程運行的穩定性,需要對其冷卻水系統予以優化處理。
    1 背景概述
    和高壓交流輸電相比,高壓直流輸電具有多種明顯優勢。其主要體現在以下四個方面。
    (1)高壓直流輸電具有長距離、大容量特性,相比交流輸電,在長距離跨區輸送大容量電量時,經濟優勢明顯。
    (2)高壓直流輸電可以實現不同頻率交流電網的互連,直流輸電所連兩側交流電網無需同步運行,可以通過直流輸電系統起到頻率轉換作用。
    (3)高壓直流輸電具有較大的一次性投資,后期線路維護投入相對較少。
    (4)高壓直流輸電的傳送方向、傳送功率可以得到快速控制。在高壓直流輸電系統中,為讓交直流轉換得以實現,需要使用防爆型磁翻板液位計這一核心部件,在系統運行過程中,防爆型磁翻板液位計需要承受大電流、高電壓,其內部可控硅元件會產生較大熱量,為避免可控硅元件因結溫過高而受到損壞,需使用水冷系統進行散熱,以帶走其中熱量。但就目前來看,在我國高壓直流防爆型磁翻板液位計系統中,仍存在一些故障及隱患,需要對系統進行優化處理。
    2 閥冷卻水系統
    閥冷卻水系統主要構成部分為閥內冷水系統與閥外冷水系統。閥內冷水系統主要通過內冷水與閥組件直接接觸流動,將防爆型磁翻板液位計中熱量帶出,確保防爆型磁翻板液位計組件中晶閘管、水冷電阻、陽極電抗器等發熱元件運行溫度具有可控性。而閥外冷水系統主要通過閉式冷卻塔或風機將內冷水中熱量帶走,并排放至環境中。防爆型磁翻板液位計內、外冷水系統的協同運行,可以使防爆型磁翻板液位計組件內部冷卻持續進行,并滿足元器件結溫要求,進而保證系統整體運行穩定性、安全性。閥冷卻水系統原理如圖1所示。

    閥內冷卻水系統具有循環性、封閉性特點,構成主要回路為主水回路、穩壓回路、離子回路、補水回路。其中主水回路主要包含主循環泵、主過濾器、脫氣罐以及管道部分;穩壓回路包含膨脹水箱或氮氣穩壓罐等部分;離子回路包含離子交換器、去離子樹脂、離子過濾器等;補水回路包含補水泵、補水箱等。主水回路與防爆型磁翻板液位計內元器件直接流通、接觸,通過內循環水將防爆型磁翻板液位計內熱量帶出,之后經外冷水系統中冷卻塔或風機,使熱量排出;穩壓回路可以使系統中水容積變化得到緩沖,防止主泵切換、環境溫度變化等影響內冷水壓力,起到保持壓力恒定的作用。離子回路可以有效對密閉的內冷水回路離子進行過濾吸收,有效降低內冷水電導率,確保主水回路內冷水質量;補水回路可以有效對內冷水進行補給,確保水量滿足要求。
    閥外冷水系統目前在用的主要有閉式冷卻塔冷卻、風冷冷卻兩種方法。在西部寒冷缺水地區,風冷方式應用較為廣泛,利用多組風機,可以吹冷風至換熱盤管外表面,對換熱盤管內的內冷水進行散熱冷卻。閉式冷卻塔冷卻主要是利用外冷水噴淋至內部換熱盤管,并結合風機將蒸發的熱量帶走,從而對換熱盤管中內冷水進行降溫散熱。目前閉式冷卻塔散熱方法應用更為普遍,其主要由冷卻塔、噴淋泵、噴淋水池、軟化水處理系統、反滲透系統等組成。
    3 高壓直流防爆型磁翻板液位計系統故障分析與優化措施
    在我國直流換流站運行發展史中,曾有過多種類型故障出現,造成運行事故,嚴重則直接造成系統閉鎖跳閘等。此類運行事故直接影響換流站運行安全性、穩定性,需要對其進行優化。
    3.1 外冷水系統缺陷及優化
    3.1.1 故障分析
    外冷水系統故障會使內冷水溫度升高,直接影響防爆型磁翻板液位計穩定運行,進而導致出現跳閘事故。如暴雨、排水泵故障導致噴淋泵坑水淹事故出現;站用電電源丟失、電源切換失敗導致閥冷系統整體失電;外冷水水質過硬,使冷卻塔內盤管結垢、冷卻塔生藻等,導致冷卻效率降低。除此之外,還有可能出現傳感器故障誤觸發事故。
    3.1.2 優化措施
    針對噴淋泵坑水淹事故,需要做好預防工作,密切關注換流站附近的天氣狀況,并結合情況加強巡視周期,及時對排水泵進行檢查、試運行,并結合情況增加排水泵冗余度,確保排水泵運行正常,同時在泵坑單獨加裝液位計,并將液位告警信號、排水泵運行信號上送至監控系統,加強遠程監視,以有效避免泵坑被淹現象。針對站用電源故障情況,需有效增加站內電源供電冗余度,并加強備自投與閥冷系統配合試驗,確保在站用電源切換、備自投動作期間,閥冷系統仍可穩定運行。針對外冷水水質過硬問題,需結合水質問題,通過軟化水系統進行處理,對外冷水進行長期加藥來防止結垢、藻類生長現象,或通過加裝反滲透裝置對外冷水進行凈化處理,改善噴淋水質量。針對傳感器誤觸發故障,可通過增加傳感器冗余度的方式,針對液位、電導率等關鍵回路傳感器可采用雙傳感器冗余,“二取二”控制方式,對控制系統進行優化。通過一系列優化措施,可以讓外冷水系統穩定性得到提升、閥冷卻水系統整體運行穩定性、長期性得到保證。
    3.2 內冷水系統隱患及優化
    3.2.1 閥冷控制保護系統故障
    閥冷控制保護系統故障主要包含軟件邏輯故障、輸入輸出回路故障??刂票Wo系統故障產生的原因主要為早期換流站中,閥冷系統廠家缺乏運行經驗,閥冷定值選取不當、閥冷系統輸入輸出硬件回路抗干擾性與穩定性差。如在早期某換流站就曾因廠家所設置的泄露定值過于靈敏,導致相應極閉鎖情況。為解決此類,首先需要全面考量控制保護軟件系統,梳理邏輯中存在的隱患,對邏輯控制予以優化,受限確保所有跳閘回路滿足雙重化冗余,再對控制保護邏輯中輸入、輸出有關聯部分進行邏輯關聯,例如可以將泄漏保護動作結果改為先進行補水,連續多次補水后若液位仍存在降低情況,再使用液位保護進行動作等;其次,所有控制系統中涉及到的定值,均需結合換流站中防爆型磁翻板液位計實際運行工況需求進行設定,確保定值設定合理。
    傳感器故障產生的主要原因是儀表本身故障、傳感器回路故障等導致測量結果錯誤或存在波動等誤差情況,進而影響控制保護系統判斷,導致相應直流閉鎖。在很多換流站均出現過溫度傳感器、液位傳感器等測量誤差導致的閉鎖情況,為讓此類問題得到有效解決,具體優化措施可以歸納為以下三個方面。
    (1)需要對傳感器件冗余化改造,將涉及跳閘回路的傳感器進行三重化冗余,如膨脹水箱液位、內冷水溫度、內冷水電導率等,邏輯設定為“三取二”出口,增強穩定性。
    (2)利用不同傳感器的測量數據進行關聯,優化控制保護系統邏輯;在控制系統中對內冷水流量、主泵出水壓力、進閥壓力三類測量數據進行優化,利用三類數據之間的關聯度,兩兩管理,例如將內冷水流量與進閥壓力進行有效關聯,當內冷水同時出現壓力低、流量低時,啟動跳閘,增強系統穩定性。
    (3)加強傳感器回路抗干擾性能,尤其是閥廳內傳感器,如膨脹水箱液位、閥塔壓力等,加強傳感器本體接地,確保接地線可靠接地,并在傳感器回路中增加抗干擾磁環,減小測量數據誤差,確保測量數據正確性。
    3.2.2 電源回路故障
    電源回路故障主要包含電源失電故障及電源切換失敗故障。電源回路故障會造成 PLC、主泵等相關用電設備失電,嚴重時會導致閥冷停運,直流閉鎖事故。針對電源失電故障,可以對閥冷系統進線電源進線優化。將主泵、噴淋泵、風機等所使用的400V 電源,通過兩路站用電源送入閥冷屏柜,再分別對主泵、噴淋泵、風機分路進線,確保所有動力設備均有冗余電源進線。將 PLC所使用的110V 電源,同樣從站內低壓直流設備處分路進線接線,使用多路同步供電,將 PLC供電回路、傳感器供電回路等全部進行冗余,確保供電可靠性。針對電源切換失敗故障,因早期閥冷系統設備設計選型時,主回路電源、電源監視繼電器等均采用交流供電,當交流電源出現擾動時,容易造成電源監視繼電器誤動,造成電源切換,如果切換失敗則會造成閉鎖跳閘。針對此問題,可以將電源監視繼電器改造為直流供電、交流監視,直流供電穩定性高,且可以與交流進行隔離,防止誤動。整體優化工作,即為增強供電冗余度、優化設備選型,讓系統整體運行穩定性、安全性得到有效提升。
    3.2.3 內冷水水路故障
    (1)系統腐蝕現象。
    均壓電極腐蝕、散熱器腐蝕是內冷水系統腐蝕問題的主要表現。均壓電極腐蝕主要存在于均壓電極底座上,均壓電極底座為不銹鋼材質,運行過程中長時間受到電化學腐蝕會導致底座銹蝕、均壓電極探針斷裂與底座分離。防爆型磁翻板液位計在運行過程中,需通過均壓電極對相應閥層中水回路及電回路進行均壓,防止其間出現電壓差導致放電。但在實際運行過程中,均壓電極探針容易出現結垢,結垢過厚如果沒有及時處理,將會導致內冷水與均壓電極不銹鋼底座進行導電,長期下來就會導致底座腐蝕。針對此問題,需從均壓電極本身的結構設計上進行改進優化,將均壓電極底座材質更換為 PVDF材質,即保證了與內冷水匯流管材質相同,方便檢修拆卸及運維,又可以防止底座腐蝕。散熱器腐蝕現象出現的主要原因可以歸納為:散熱器有電解腐蝕現象出現,內冷水存在于不同電位的晶閘管散熱器、陽極電抗器,以及水冷電阻之間,這會讓電解電流出現在多電位金屬器件水路中,進而出現電解腐蝕情況;在酸性堿性條件下,散熱器內金屬鋁有腐蝕現象出現;在內冷水系統中,散熱器表面會吸附水處理回路離子交換樹脂粉末,散熱器有堿腐蝕情況出現。
    為讓電解腐蝕問題得到有效解決,首先確?;芈分芯鶋弘姌O的有效性,加強均壓電極運維,其次需要對水處理回路進行優化處 理,比如在內冷水回路中加裝 EDI裝 置,大力減小內冷水回路中離子濃度,以此來讓內冷水水質得到保證,減小電離腐蝕性。同時,為了減少內冷水中樹脂的進入,可以在電導率可控范圍內,降低離子回路水的流速,并相應減小離子回路過濾器孔徑,讓樹脂粉末得到有效過濾。
    (2)系統堵塞現象。
    系統堵塞物主要包含了碎布、垢樣、毛發以及碎石等。對系統堵塞現象產生原因進行推測,如果閥塔檢修時,工作人員誤將均壓電極結垢物掉落至內冷水回路,或正常運行過程中,均壓電極垢樣自行掉落至內冷水中,均會導致水回路中出現垢樣堵塞;如果主泵檢修時,作業人員誤將毛巾等雜物遺留至主泵出水回路,將會導致毛巾堵塞主過濾器。針對此類原因,首先確保人員工作的可靠性、安全性;在檢修過程中,凡是工作在水回路內部的環境中時,工作負責人需做好監護,在系統恢復前,檢查確認設備中無遺留物,方才對回路管道等進行回裝;其次可以對管道設計進行優化,讓 “死區”現象得以減少,在主水管道中合理增加閥門,使檢修過程中盡可能縮小工作范圍,并將主過濾器放置在進閥管道前端,做好內冷水進入閥塔時最后一道關卡。再次,可以對主過濾冗余情況予以全面考量,對主過濾器進行冗余化改造,增加備用過濾器,如果主過濾器有堵塞情況出現,可以及時切換為備用過濾器,有效避免因主過濾器堵塞帶來的內冷水流量、壓力、溫度等故障導致的跳閘。
    (3)均壓電極結垢現象。
    均壓電極結垢問題在內冷水系統結垢現象中較為常見。為讓內冷水系統電解腐蝕現象得到有效減少,當前的防爆型磁翻板液位計設計中,大多均壓電極安裝在內冷水系統閥段并聯水路匯流管與S型水管等位置。均壓電極結垢的主要來源為散熱器腐蝕后產生的鋁離子。為減少均壓電極結垢現象,可對系統進行有效優化。首先改進均壓電極本身結構,加大電極探針直徑、增加探針針頭數量,來減小每一根探針本身結垢量;其次,在內冷水回路中,增加 CO2 裝置或 EDI裝置,有效對鋁離子進行吸收或過濾,降低其在內冷水回路中濃度。最后是加強運維,根據每個換流站中均壓電極結垢情況,合理制定檢修維護周期,確保均壓電極結垢可控,確保系統穩定過。
    4 結語
    通過對外冷水系統、內冷水系統故障及隱患進行全面分析,從設計、安裝、操作、運維等多角度進行優化處理,可以讓外冷水故障、控制系統故障、電源回路故障以及內冷水水路故障得到有效處理,進而讓高壓直流防爆型磁翻板液位計系統運行穩定性得到有效提升。

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