换流阀内冷水系统腐蚀结垢的影响因素

换流阀内冷水系统腐蚀结垢的影响因素

杨晓芳

国网山西省电力公司超高压变电分公司  山西太原  030000

摘要:本工作通过搭建换流阀内冷水系统模拟试验平台,分析了水路电流､电导率､溶解氧对系统腐蚀结垢的影响,找到内冷水系统腐蚀结垢的关键影响因素,以期为换流阀内冷水系统的防腐蚀结垢提供参考｡

关键词:换流阀;内冷水系统;铝散热器;均压电极;电导率

1阀冷外冷水系统

闭式冷却塔作为换流阀冷却系统的室外换热设备,将换流阀的发热量传递给室外大气｡一定压力和流速的冷却介质,经过主循环泵的提升,源源不断地进入室外闭式冷却塔的换热盘管｡喷淋泵从室外地下循环水池抽水后均匀喷洒到冷却塔的换热盘管表面,外冷水吸热后部分蒸发成水蒸气通过风机排至大气｡在此过程中换热盘管内的冷却水将得到冷却,降温后的内冷却水由主循环泵再送至换流阀,如此周而复始地循环,达到冷却换流阀的目的｡地下循环水池中的外冷水经过喷淋泵升压后,通过喷淋管道进入冷却塔喷淋支管和喷淋嘴,从上至下喷淋在冷却塔内部的冷却盘管外表面,与冷却塔风机的空气流形成逆向流动,部分液态水汽化带走热量并散发到大气中,未能汽化的外冷水通过冷却塔集水箱回流到循环水池,再进入喷淋泵,如此往复循环｡

2搭建模拟试验平台

为研究铝散热器腐蚀和均压电极结垢的影响因素,搭建了换流阀内冷水系统模拟试验平台｡试验平台总体包括两部分:对冷却水进行净化处理的内冷水处理装置和模拟换流阀阀段实际运行状态的阀段模块｡

内冷水处理装置主要包含补水系统､离子交换器､稳压系统､主循环泵和外冷风机,装置提供内冷水的补水和动力,并控制系统压力､温度､电导率和溶解氧含量｡阀段模块根据并联冷却方式设计,主要包含聚偏氟乙烯(PVDF)主水管､支路软管､取样装置､均压电极､铝散热器､高压直流电源和在线化学仪表装置,其中均压电极材质为铂,铝散热器材质为6063铝合金,阀段｡高压直流电源的输出为0~20kV;在均压电极处设置取样点,检测分析试验过程中电极周围铝离子含量的变化趋势;在线化学仪表装置用于实时检测阀段处的电导率和溶解氧含量｡

3试验方法

根据实际换流阀内冷水系统的运行状况,调整模拟试验平台各参数,使试验平台的内冷水温度､流场､电场和水质参数与实际运行工况的一致｡

试验平台内冷水补水采用二级除盐水,补水经过离子交换器进入换流阀内冷水系统,补水完成后运行系统,系统运行后的pH约为7,调整试验平台参数至试验状态,通过调节电压控制系统水路电流,调节离子交换器流量控制系统电导率,调节氮气稳压系统控制系统溶解氧含量,根据不同控制条件研究水路电流､电导率､溶解氧和树脂粉末对系统腐蚀结垢的影响｡开始试验后,实时监控系统温度､电压､电流､电导率､溶解氧等参数,这些参数的控制精度分别为0.1℃､0.01kV､0.001mA､0.001μS/cm､0.1μg/L｡采用PerkinElmerPinAAcle900Z原子吸光光谱仪测定系统中铝离子含量;电子分析天平测定试验前后均压电极质量,计算均压电极结垢量｡每组试验周期为1周(7×24h),每24h取样一次｡

4结果与讨论

4.1水路电流的影响

为保证造成系统腐蚀结垢变化的因素仅为水路电流,控制试验中内冷水电导率为0.059~0.061μS/cm,溶解氧含量≤200μg/L,电压分别为0,5,10,15kV进行试验,试验中PVDF主水路电流分别对应0,0.64,1.28,1.92mA｡

电极间电位差是造成均压电极结垢的根本原因,且阳极均压电极结垢严重,阴极均压电极结垢极为轻微,这符合实际运行中换流阀均压电极的结垢规律｡随着水路电流增加,水路等换流阀内冷水系统腐蚀结垢的影响因素间电场强度增大,加重阳极均压电极结垢｡虽然铝离子含量在测量过程中受环境影响波动较大,但根据铝离子含量总体分布可见,随水路电流增大,阀段处的铝离子含量也呈增大趋势,主要原因是水路电流增大使得流经铝散热器的支路泄漏电流增大,加重了铝散热器的腐蚀｡

4.2电导率的影响

控制直流电压15kV,溶解氧含量≤200μg/L,通过调整离子交换器流量控制电导率分别为0.060,0.065,0.070,0.080,0.110,0.140μS/cm分组进行试验｡从其结果可知:电导率是影响均压电极结垢的关键因素,阳极均压电极结垢量随电导率的增大呈现先减小后平稳的趋势｡电导率从0.060μS/cm增至0.070μS/cm,阳极均压电极结垢量大幅度减小;电导率为0.070~0.110μS/cm时,阳极均压电极结垢量较低;继续增加电导率,阳极均压电极结垢量又增大｡此外,电导率对阀段水路中铝离子含量的影响趋势与对均压电极结垢量的一致,当电导率小于0.070μS/cm时,系统中铝离子含量频繁超过2μg/L,而当电导率为0.070~0.110μS/cm时,试验周期内铝离子含量均小于2μg/L｡根据DL/T1716-2017《高压直流输电换流阀冷却水运行管理导则》要求,内冷却水中铝离子含量应不大于2μg/L,当铝离子含量超过2μg/L时,均压电极结垢严重,安全隐患较大｡目前国内多数换流站内冷水系统的电导率约为0.060μS/cm,腐蚀结垢现象严重,非常不利于系统安全运行,根据平台试验结果,内冷水系统电导率宜控制为0.070~0.110μS/cm｡

低电导率条件下铝腐蚀严重的主要原因如下:

与金属化合物相比,除金､铂外,其他金属都具有较高的自由能,通过反应形成氧化物或其他化合物以达到较高稳定性的趋势｡纯水是一种能溶解很多物质的强溶剂,金属能以离子或者自由微粒的状态直接溶于水中,当水的电导率过低时,会使金属的溶解度大大增加｡所以,内冷水电导率过低会加速铝散热器腐蚀,加重均压电极结垢｡

4.3溶解氧的影响

控制直流电压15kV,电导率分别为0.060μS/cm和0.080μS/cm,调整通气状态控制系统为贫氧状态(≤200μg/L)和富氧状态(4000~7000μg/L)分组进行试验｡可以看出:当电导率为0.06μS/cm时,富氧状态下阳极均压电极的结垢更为严重,铝离子含量也较贫氧状态下的更高｡这表明在极低电导率条件下下,溶解氧会促进铝散热器的腐蚀,从而使均压电极结垢加重｡当电导率达为0.08μS/cm时,贫氧和富氧状态下的均压电极结垢都较轻微,铝离子含量也均低于2μg/L｡分析可知,电导率是控制内冷水系统腐蚀结垢的关键,若电导率控制得当,溶解氧对系统腐蚀结垢无影响;而若电导率控制不当,高溶解氧会加重系统的腐蚀结垢｡目前,换流站根据不同稳压方式存在两种溶解氧控制标准,采用氮气稳压时,溶解氧含量宜在200μg/L以下;采用高位水箱稳压时,溶解氧含量为4000~6000μg/L｡根据平台试验结果,内冷水系统稳压方式宜采用氮气稳压,且控制溶解氧含量在合理范围内｡

另外,重视水冷系统其他腐蚀现象｡均压电极腐蚀､散热器腐蚀是内冷水系统腐蚀问题的主要表现｡均压电极腐蚀主要存在于均压电极底座上,均压电极底座为不锈钢材质,运行过程中长时间受到电化学腐蚀会导致底座锈蚀､均压电极探针断裂与底座分离｡换流阀在运行过程中,需通过均压电极对相应阀层中水回路及电回路进行均压,防止其间出现电压差导致放电｡但在实际运行过程中,均压电极探针容易出现结垢,结垢过厚如果没有及时处理,将会导致内冷水与均压电极不锈钢底座进行导电,长期下来就会导致底座腐蚀｡针对此问题,需从均压电极本身的结构设计上进行改进优化,将均压电极底座材质更换为PVDF材质,即保证了与内冷水汇流管材质相同,方便检修拆卸及运维,又可以防止底座腐蚀｡

5结论

(1)电极间电位差是造成均压电极结垢的根本原因,水路电流增大使得流经铝散热器的泄漏电流增大,从而加速铝散热器的腐蚀,加重均压电极结垢｡(2)电导率是铝散热器腐蚀的关键影响因素,内冷水电导率过低会加速铝散热器腐蚀,加重均压电极结垢,适宜电导率为0.070~0.110μS/cm｡(3)一旦电导率控制不当,高溶解氧会加重内冷水系统的腐蚀结垢,内冷水系统稳压方式宜采用氮气稳压,控制系统处于贫氧状态｡

参考文献:

[1]王光辉,傅乐伟,汪景婷,等.舟山柔直工程阀冷系统的水质控制设计及技术要求[J].浙江电力,2017,36(6):68-71.

[2]付纪华,李庆宇,谷永刚,等.高压直流输电光触发换流阀塔均压电极除垢技术和工艺研究[J].陕西电力,2014,42(10):72-75.

[3]王远游,郝志杰,林睿.天广直流工程换流阀冷却系统腐蚀与沉积[J].高电压技术,2006,32(9):80-83.