一種換流閥內冷水加二氧化碳裝置及方法與流程
2023-10-31 22:03:27 2
本發明涉及換流閥內冷水防腐蝕結垢技術領域，特別涉及一種換流閥內冷水加二氧化碳裝置及方法。
背景技術：
高壓直流輸電技術是現今世界上最先進最節能的輸變電技術之一，也是中國重點發展的技術裝備領域。其中，換流閥是直流輸電系統中最核心的設備之一，通常採用空氣絕緣、水冷卻的戶內懸吊式結構。晶閘管導通時通過大電流，產生高熱量，導致晶閘管溫度急劇上升，如果不對晶閘管進行有效冷卻，晶閘管將被燒壞，因此，通過內冷水冷卻與晶閘管緊密接觸的鋁合金散熱器實現對晶閘管散熱。為了避免換流閥內冷水主管路內外壁電壓分布不均發生放電，及閥組件內金屬設備與水路接觸產生洩漏電流，在閥塔主內冷水管上及閥組件內的配水、匯水管上安裝了鉑電極，以實現主水冷管路內外壁電壓均勻及釋放洩漏電流，使洩漏電流從金屬轉移到惰性的鉑電極上，避免了金屬設備的腐蝕。但在實際運行過程中發現，均壓電極易發生結垢現象，一般存在如下危害：一是在閥塔振動及水流擾動情況下容易導致結垢脫落堵塞內冷水管路，換流閥散熱不良造成閥塔設備損壞，嚴重時直接經濟損失將以億元人民幣計；二是電極結垢後有效放電面積縮小，導致其密封圈腐蝕漏水，引發直流閉鎖，造成直流輸電工程長期停運，影響跨區電力交易，經濟損失將以千萬元人民幣計；三是均壓電極結垢沒有及時處理或者處理工藝控制不當，也可能造成導致結垢脫落堵塞內冷水管路，進而損壞閥塔設備。
均壓電極結垢是表面現象，更深層次的原因是鋁合金散熱器的電解腐蝕。研究發現：首先，在水溶液中，即使二氧化碳濃度很高，對鋁合金的腐蝕作用微乎其微。其次，酸性介質的加入，將會溶解均壓電極表面初期沉積的鋁基化合物。
為解決這一問題，研究開發一種換流閥內冷水加二氧化碳裝置及方法，從而解決換流站閥冷系統中均壓電極結垢及晶閘管散熱器腐蝕問題，保障其穩定、安全運行，是目前急待解決的問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種換流閥內冷水加二氧化碳裝置及方法，以解決上述技術問題。本發明通過自動化控制，向內冷水系統中注入二氧化碳，調節水質，實現阻垢防腐的功能，具有阻垢防腐效果優良、操作簡單、自動化程度高等優點。
為達到實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種換流閥內冷水加二氧化碳裝置，包括二氧化碳存儲裝置、控制裝置、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、氣體質量控制器、第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、第四電磁閥、第一電導率傳感器、第二電導率傳感器和止回閥；
二氧化碳存儲裝置通過主氣體管道連接加氣旁路，加氣旁路連接換流閥內冷水管道；
主氣體管道從二氧化碳存儲裝置出口至加氣旁路依次設置有第一壓力傳感器、氣體質量控制器、第一電磁閥和止回閥；加氣旁路包括入水口、出水口和加氣口，加氣旁路的入水口和出水口均連接換流閥內冷水管道，加氣旁路的加氣口連接主氣體管道的出口；
第二電磁閥和第一電導率傳感器安裝於加氣旁路的加氣口與出水口之間的管路上，第三電磁閥安裝於加氣旁路的入水口與出水口之間的換流閥內冷水管路上，第四電磁閥和第二電導率傳感器安裝於加氣旁路的加氣口與入水口之間的管路上；
第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、氣體質量控制器、第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、第四電磁閥、第一電導率傳感器、第二電導率傳感器均連接控制裝置。
進一步的，所述二氧化碳存儲裝置提供二氧化碳氣源，選用儲罐或鋼瓶，一用一備或一用多備；所述二氧化碳存儲裝置的出口帶有減壓閥。
進一步的，所述控制裝置為帶觸控螢幕的PLC控制模塊。
進一步的，當第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第一電導率傳感器、第二電導率傳感器的監測參數滿足控制裝置設定的加碳條件時，控制裝置發出動作指令，氣體質量控制器、第一電磁閥、第二電磁閥、第四電磁閥及止回閥打開，第三電磁閥關閉，開啟加碳模式；二氧化碳存儲裝置通過加氣旁路將二氧化碳氣體注入換流閥內冷水管道中，提高換流閥內冷水中的二氧化碳濃度；
當第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第一電導率傳感器、第二電導率傳感器的監測參數不滿足PLC控制模塊設定的加碳條件時，則氣體質量控制器、第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、第四電磁閥及止回閥反向動作，關閉加碳模式。
進一步的，控制裝置通過氣體質量控制器向換流閥內冷水精確添加二氧化碳，二氧化碳溶於高純水中，與水分子結合成碳酸，碳酸經二級電離成H+、HCO3-，H+中和內冷水的[Al(OH)4]-離子及{[Al(OH)3]x(OH)y}-膠體離子生成非極性的Al(OH)3膠體顆粒，非極性的Al(OH)3膠體顆粒難以在電極表面沉積結垢，同時電離出的HCO3-在電場作用力下吸附於電極表面，電離出二氧化碳，二氧化碳溶於水重複上述過程，實現電極結垢抑制。
一種換流閥內冷水加二氧化碳方法，包括以下步驟：
首先，在控制裝置中設定二氧化碳濃度目標值C0；程序啟動後，開啟第二電磁閥和第四電磁閥，關閉第三電磁閥，通過第一電導率傳感器讀取內冷水電導率值D81，計算此時內冷水中二氧化碳濃度值C81；如果C81大於設定的目標值C0，提示更換內冷水淨化設備中的失效樹脂；如果C81小於設定的目標值C0，開啟第一電磁閥，開始輸出控制信號調整氣體質量控制器，進行加碳；控制裝置的觸控螢幕顯示內冷水加碳前後的電導率值D81及D82，並實時計算內冷水中二氧化碳濃度C81、C82及pH值，如果C81、C82值逐漸接近，並且C81大於或等於目標值C0，關閉第一電磁閥和氣體質量控制器，停止加碳。
進一步的，當第一壓力傳感器參數＜第二壓力傳感器參數時，系統報警，提示更換二氧化碳存儲裝置。
進一步的，內冷水中二氧化碳濃度的計算公式為：
C＝293.27·κ-16.06 公式(1)
C為CO2濃度，μg/L；κ為電導率，μs/cm。
進一步的，pH值計算：採用公式(2)計算，計算公式為：
κ＝(349.82*10^(-pH)+1.98*10^(-12)/10^(-pH)+(1.97936*10^(-5)*10^(-pH)+1.502676*10^(-15))*2.96697*10^(-6)/(10^(-2*pH)+4.45*10^(-7)*10^(-pH)+2.08705*10^(-17))*1000 公式(2)
進一步的，PLC控制模塊及觸控螢幕主要通過設定的計算程序及目標值對各儀器儀表採集的數據的進行處理、儲存，並反饋動作信號至各電控儀器；觸控螢幕提供數據輸入與讀取功能。
進一步的，所述PLC控制模塊設置PID調節模塊：內冷水加碳後電導率值反饋至PID控制氣體質量控制器。
進一步的，減壓閥負責二氧化碳存儲裝置出氣口的「開/關」動作及壓力控制。
進一步的，壓力傳感器採集二氧化碳出口壓力和內冷水管道內壓力參數，並將採集的壓力信息反饋至PLC控制模塊和觸控螢幕進行計算和讀取。
進一步的，氣體質量控制器負責二氧化碳存儲裝置氣體流量的控制。
進一步的，電磁閥負責二氧化碳氣體進入內冷水管路的「啟/停」動作。
進一步的，止回閥防止內冷水流至存儲裝置，與電磁閥聯合使用，起到雙重保護作用。
進一步的，電導率傳感器採集換流閥內冷水加二氧化碳前後水中的電導率參數，並將採集的電導率反饋至PLC控制模塊和觸控螢幕進行計算和讀取。
本發明具有以下有益效果：
本發明通過氣體質量控制器向換流閥內冷水精確添加微量二氧化碳，二氧化碳溶於高純水中，與水分子結合成碳酸，碳酸經二級電離成H+、HCO3-，H+中和內冷水的[Al(OH)4]-離子及{[Al(OH)3]x(OH)y}-膠體離子生成非極性的Al(OH)3膠體顆粒，非極性的Al(OH)3膠體顆粒難以在電極表面沉積結垢，同時電離出的HCO3-在電場作用力下吸附於電極表面，電離出二氧化碳，二氧化碳溶於水重複上述過程，最終實現電極結垢抑制。
通過自動化控制，可以在換流閥啟動、正常運行、停運、檢修等運行條件下監測、控制內冷水中二氧化碳的含量，調節水質，解決換流站閥冷系統中換流站閥冷系統中均壓電極結垢及晶閘管散熱器腐蝕問題，保障其穩定、安全運行，具有阻垢防腐效果優良，自動化程度高，精密性更高，運行安全可靠等優點。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是PLC控制模塊原理圖。
其中：1、二氧化碳存儲裝置；2、PLC控制模塊及觸控螢幕；3、減壓閥；41、第一壓力傳感器；42、第二壓力傳感器；5、氣體質量控制器；61、第一電磁閥；62、第二電磁閥；63、第三電磁閥、64、第四電磁閥；7、止回閥；81、第一電導率傳感器；82、第二電導率傳感器。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用於解釋本發明，並不作為對本發明的限定。
由圖1、圖2所示，換流閥內冷水加二氧化碳裝置，包括二氧化碳存儲裝置1、PLC控制模塊及觸控螢幕2、氣體質量控制器5和止回閥7。
二氧化碳存儲裝置1，規格自選，此處標示為一用一備，也可一用多備，通過三通與主氣體管道連接；主氣體管道從二氧化碳存儲裝置出口至加氣旁路依次設置有第一壓力傳感器41、氣體質量控制器5、第一電磁閥61和止回閥7；加氣旁路包括入水口、出水口和加氣口，加氣旁路的入水口和出水口均連接換流閥內冷水管道，加氣旁路的加氣口連接主氣體管道的出口。
在二氧化碳存儲裝置出口端安裝的減壓閥3，進行人工開啟或關閉或切換的操作；第一壓力傳感器41安裝於減壓閥之後管路上，採集二氧化碳出口壓力並反饋至PLC控制模塊和觸控螢幕2；第二壓力傳感器42安裝於加氣旁路水路中，負責採集內冷水管道內壓力參數並反饋至PLC控制模塊和觸控螢幕2；氣體質量控制器5安裝於第一壓力傳感器41之後管路上，主要通過PLC控制模塊指令進行二氧化碳氣體流量的控制及其參數反饋；第二電磁閥62和第一電導率傳感器81安裝於加氣旁路的加氣口與出水口之間的管路上，第三電磁閥63安裝於加氣旁路的入水口與出水口之間的換流閥內冷水管路上，第四電磁閥64和第二電導率傳感器82安裝於加氣旁路的加氣口與入水口之間的管路上；四個電磁閥，根據PLC控制模塊指令進行「啟/停」動作；止回閥7安裝於第一電磁閥61後端管路上，防止內冷水倒流至存儲裝置；第一電導率傳感器81、第二電導率傳感器82安裝於二氧化碳氣體接入端的內冷水管路上遊和下遊段，採集換流閥內冷水加二氧化碳前後水中的電導率參數，並將採集的電導率反饋至PLC控制模塊和觸控螢幕進行計算和讀取；PLC控制模塊主要通過設定的計算程序及目標值對各儀器儀表採集的數據的進行處理、儲存，並反饋動作信號至各電控儀器，從而控制開啟或關閉加碳模式。觸控螢幕提供數據輸入與讀取功能。
基於換流閥內冷水加二氧化碳裝置的加碳方法，包括以下步驟：
首先，設定二氧化碳濃度目標值C0。程序啟動後，開啟第二電磁閥62和第四電磁閥64，關閉第三電磁閥63，通過第一電導率傳感器81讀取內冷水電導率值D81，經程序計算此時內冷水中二氧化碳濃度值C81。如果C81大於設定的目標值C0，提示更換內冷水淨化設備中的失效樹脂；如果C81小於設定的目標值C0，開啟第一電磁閥61，開始輸出控制信號調整氣體質量控制器，進行加碳。觸控螢幕顯示內冷水加碳後電導率值D81及D82，並實時計算內冷水中二氧化碳濃度C81、C82及pH值，如果C81、C82值逐漸接近，並且C81大於或等於目標值，關閉第一電磁閥61和氣體質量控制器5，停止加碳。整個系統的邏輯圖見圖2。
基於換流閥內冷水加二氧化碳裝置的加碳方法，具體還包括至少一種以下步驟，見圖2：
氣瓶選擇：根據氣瓶壓力值選取氣源，並提示更換壓力低氣瓶。具體當第一壓力傳感器41參數＜第二壓力傳感器42參數時，系統報警，提示更換低壓氣瓶即二氧化碳存儲裝置；
旁路控制：根據檢測裝置反饋參數和設定的加碳許可條件，決定開啟或關閉加碳旁路。具體為當檢測裝置如壓力傳感器、電導率傳感器的監測參數滿足PLC控制模塊設定的加碳條件時，PLC控制模塊發出動作指令，氣體質量控制器5、第一電磁閥61、第二電磁閥62、第四電磁閥64及止回閥7打開、第三電磁閥63關閉，開啟加碳模式；當監測參數不滿足PLC控制模塊設定的加碳條件時，則相關電控儀器反向動作，關閉加碳模式；
加碳超限緊急閉鎖：根據內冷水碳值超限、流量降低、壓力降低等緊急關閉加碳系統；
碳值計算：根據公式(1)計算。
碳值計算：C＝293.27·κ-16.06 公式(1)
C為CO2濃度(μg/L)；κ為電導率(μs/cm)，不作溫度補償。
碳含量調節：內冷水加碳後電導率值反饋至PLC反向計算二氧化碳含量，並與設定值比較，輸出控制信號調製氣體質量控制器。
pH值計算：計算方法按公式2進行。
pH值計算：採用公式(2)計算，計算公式為：
κ＝(349.82*10^(-pH)+1.98*10^(-12)/10^(-pH)+(1.97936*10^(-5)*10^(-pH)+1.502676*10^(-15))*2.96697*10^(-6)/(10^(-2*pH)+4.45*10^(-7)*10^(-pH)+2.08705*10^(-17)) *1000 公式(2)
以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。