換流站閥水冷系統(tǒng)氮氣壓力安全穩(wěn)定性分析

蔣久松，黃岳奎，高超，劉國云

(國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410004)

1 問題的提出

在鵝城換流站全封閉式閥水冷系統(tǒng)中，由氮氣加壓回路維持系統(tǒng)壓力，其回路如圖1所示。工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)瓶裝氮氣壓力與膨脹罐內(nèi)設(shè)計壓力250 kPa差別大，故在氮氣加壓回路中串連減壓閥T1、壓力調(diào)節(jié)單元T2，得到所需的氣體壓力。

圖1 氮氣加壓回路示意圖

在氮氣瓶出口減壓閥故障等條件下，可能會導(dǎo)致膨脹罐內(nèi)氣體壓力發(fā)生突變，將影響水回路流量、膨脹罐水位等重要參數(shù)。文章對是否存在保護(hù)誤動的隱患和對直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行的影響進(jìn)行分析。

2 氮氣壓力對系統(tǒng)運行的影響

2.1 氮氣加壓和泄壓回路

氮氣瓶出來的氣體經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)單元T2和減壓閥T1，再經(jīng)過逆止閥V37，到達(dá)膨脹罐。

2.2 水位、泄漏量與管道流量的關(guān)系

氮氣加壓回路流入和流出的水量在正常時基本保持動態(tài)平衡，流入的流量即為圖1中BF3流量計的流量。當(dāng)流出水量大于流入水量時，膨脹罐內(nèi)水位就會出現(xiàn)下降，兩者的流量差，就可以直接反映膨脹罐內(nèi)的水位變化。根據(jù)實際讀數(shù)5.6，表計倍數(shù)為20，計算鵝城換流站現(xiàn)場BF3流量計算為5.6×20/60=1.86(L/s)，因此求出除氧系統(tǒng)出口的水流量，可得出水位的變化速率。

2.3 水的體積的彈性變化分析

按照力學(xué)原理，常溫水的體積彈性模量為K=2 190 MPa，壓縮系數(shù)k=1/K=(1/2190)(1/MPa)。1 L的水在膨脹罐內(nèi)0.25 MPa壓力下，體積的壓縮量為:1×0.25×(1/2190)=(1/8760)(L)。

整個水系統(tǒng)中包含20 000 L去離子水，考慮調(diào)壓器2故障時壓力突然增大至1 MPa，即可計算出壓力值從正常的0.25 MPa突然變?yōu)? MPa時，體積變化量為20000×0.75×(1/2190)=6.849(L)。此時，考慮對泄漏量的影響，鵝城換流站突變量泄漏定值約4.28 L/s，且需要持續(xù)25 s(時間定值)動作，從理論上講，在6.849 L的體積變化量下，持續(xù)25 s，保護(hù)會動作;而實際上，在壓力增大時，安全閥、釋放閥會立即動作，壓力會快速降低，不致引起保護(hù)動作。考慮對水位的影響，即使出現(xiàn)內(nèi)部過壓，按照體積變化量折算來看，引起的水位變化較小，而水位保護(hù)定值為低于10%動作，故該影響尚不致導(dǎo)致保護(hù)動作。

3 各閥門特性及故障分析

3.1 各類閥門特性分析

3.1.1 壓力調(diào)節(jié)單元

工作原理及特性:在整個除氧回路中，氮氣瓶中的高壓氮氣要釋放到膨脹罐中，首先經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)單元T2。通過自身的減壓閥將輸入的氣體壓力降低，滿足所需的輸出氣壓。當(dāng)裝置內(nèi)壓力過大時，頂部的安全閥將動作。正常運行時，充滿氣體的氮氣瓶最高壓力為13 MPa，即為最大輸入壓力，輸出壓力穩(wěn)定在1.8 MPa附近。

3.1.2 減壓閥

內(nèi)水冷系統(tǒng)除氧回路中，在壓力調(diào)節(jié)單元T2低壓出口處裝有1個減壓閥T 1，設(shè)計有雙級氣體調(diào)壓器，相當(dāng)于使用了2個串聯(lián)，可根據(jù)現(xiàn)場需要靈活進(jìn)行組合，滿足不同的管道連接方式。

其中，調(diào)壓器1最大進(jìn)氣壓力 (P1max)為25 MPa，最大輸出壓力 (P2max)為1 MPa，正常輸出的氮氣氣流為15 m3/h。;調(diào)壓器2最大進(jìn)氣壓力(P1max)為2 MPa，可調(diào)節(jié)的輸出氣壓 (P2max)為0.01～0.3 MPa，正常輸出的氮氣氣流為2.5 m3/h。在調(diào)壓器1的本體位置還連接有1個安全閥，壓力自行上升并超過1.6 MPa時該安全閥會自動打開排氣。減壓閥T1壓損為0.07 MPa，即當(dāng)現(xiàn)場減壓閥T1出口顯示為0.3 MPa時，膨脹罐內(nèi)氣體壓力實際約為0.23 MPa。

3.1.3 安全閥

在膨脹罐頂部進(jìn)氣管道處安裝1個安全閥V25。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部壓力超過閥門動作定值時，閥門將迅速打開以釋放多余的氣體。鵝城換流站該閥門設(shè)定動作值為0.26 MPa，根據(jù)廠家提供的壓力釋放特性曲線，當(dāng)膨脹罐內(nèi)部出現(xiàn)氣體過壓時，隨著內(nèi)部壓力的增加，氣流釋放的速率也將迅速增大。當(dāng)內(nèi)部壓力為0.45 MPa時，氣體釋放速率將達(dá)到10 L/s，隨著氣體釋放速率的快速增大，壓力變化將逐漸趨于恒定。

3.1.4 釋放閥

釋放閥F1安裝于膨脹罐頂部，動作壓力為0.35 MPa。工作正常時，它通過彈簧提供密封力保證設(shè)備正常運行;當(dāng)罐內(nèi)壓力超過0.35 MPa時釋放閥自動開啟，系統(tǒng)壓力下降;當(dāng)氣體壓力降低到某一定值時，釋放閥在彈簧力的作用下回彈并自動關(guān)閉。該閥門主要為防止安全閥V25故障時容器內(nèi)部過壓無法釋放，作為V25的后備保護(hù)，在壓力大于0.35 MPa時輔助泄壓。

3.1.5 自動排氣閥

該自動排氣閥安裝于排氣罐C1頂部，通過內(nèi)部浮球控制閥門的開關(guān)。正常運行時除氣罐內(nèi)充滿水，通過水的浮力托起浮球，將泄壓口關(guān)閉，如管道內(nèi)出現(xiàn)氣體，自動排氣閥將自動打開排氣。

3.2 減壓閥故障及泄壓情況分析

氮氣加壓和泄壓回路如圖2所示。各級調(diào)壓單元均配置有泄壓通道，確保不會因過壓導(dǎo)致閥門故障或過壓爆炸。針對減壓回路的3個最重要的組成部分調(diào)壓器分別進(jìn)行如下分析:

圖2 氣體加壓及泄壓回路示意圖

1)壓力調(diào)節(jié)單元T2故障分析

在減壓回路中，壓力調(diào)節(jié)單元T2自身減壓閥和減壓閥T1的調(diào)壓器1工作壓力接近，二者僅有1個正常工作都可以保證輸出1～1.5 MPa的壓力。因此，T2調(diào)壓單元故障時T1的調(diào)壓器1不會承受高壓，滿足運行要求。

2)T1的調(diào)壓器1故障分析

由上述類似分析，調(diào)壓器1故障時，調(diào)壓器2最大承受的電壓實際約為1.8 MPa(經(jīng)調(diào)壓器 T2輸入減壓閥T1的壓力，參照正常運行時的現(xiàn)場讀數(shù))，而其最大進(jìn)氣壓力容許為2 MPa，仍滿足運行要求。

3)T1的調(diào)壓器2故障分析

若調(diào)壓器2故障，經(jīng)過調(diào)壓器1，壓力調(diào)節(jié)單元T2減壓后，可能輸出1 MPa左右的氣壓至膨脹罐，此時安全閥V25和釋放閥F1都將打開。結(jié)合安全閥V25的動作曲線，基本確定膨脹罐內(nèi)氣體壓力0.4 MPa以內(nèi)，與正常值0.25 MPa相比升高不大，不會對系統(tǒng)造成大的危害。

4 運行維護(hù)措施

4.1 運行監(jiān)視

1)若膨脹罐內(nèi)部壓力高于0.32 MPa或低于0.15 MPa，監(jiān)視后臺將報警，需迅速現(xiàn)場檢查。

2)抄錄膨脹罐內(nèi)壓力的讀數(shù)，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)視。

3)監(jiān)視整個回路運行情況，抄錄各級減壓閥相關(guān)壓力表計讀數(shù)。如發(fā)現(xiàn)壓力下降較快，則需分析處理。

4)一旦減壓閥故障情況較為嚴(yán)重，內(nèi)部過壓必然通過安全閥釋放，此時釋放高壓氣體的故障現(xiàn)象較為明顯，較容易發(fā)現(xiàn)。

4.2 故障減壓閥的更換措施探討

1)減壓閥T1或壓力調(diào)節(jié)單元T2的更換

由于氮氣加壓回路中設(shè)計有逆止閥V37(如圖1)，對減壓閥T1或壓力調(diào)節(jié)單元T2進(jìn)行更換并不會導(dǎo)致膨脹罐內(nèi)部失壓。但考慮到逆止閥的密封效果，以及回路的安全可靠性，為了將膨脹罐氣體與外界、與氮氣加壓回路完全隔離，建議在回路中V37前增加1個手動閥門，可以更為可靠地實現(xiàn)對T1或T2的在線更換。

2)安全閥V25或釋放閥F1的更換

安全閥V25或釋放閥F1安裝在同一連通管道回路上，其中之一故障時，另一個閥門尚能起到安全釋放作用。目前系統(tǒng)中，上述2個閥門前端均無手動閥門 (參見圖1)，當(dāng)其中之一故障時，無法在線更換，否則氮氣罐頂部氣壓無法保持。為了保證系統(tǒng)可靠運行，建議在安全閥V25、釋放閥F1前端分別增加1個手動閥門。

5 結(jié)束語

經(jīng)過上述理論分析，鵝城換流站閥水冷系統(tǒng)中，減壓閥T1和壓力調(diào)節(jié)單元T2故障，導(dǎo)致壓力變化時，各相關(guān)泄壓閥門、安全閥的動作配合可靠，不會導(dǎo)致閥水冷系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)誤動，不會因過壓損壞相關(guān)設(shè)備。

〔1〕趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)〔M〕.北京:中國電力出版社，2004.

〔2〕李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)的運行和控制〔M〕.北京，科學(xué)出版社，1998.