氣泡對(duì)換流閥內(nèi)冷水電導(dǎo)率在線測(cè)量的影響

馬嘯飛

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

換流閥是直流站的核心設(shè)備之一。換流閥運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部可控硅元件會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要冷卻介質(zhì)及時(shí)將熱量帶走，以防可控硅元件因溫度過(guò)高而損毀。換流閥內(nèi)冷系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為高純水，其電導(dǎo)率的在線測(cè)量容易受到諸多因素的影響，水中氣泡是常見(jiàn)的影響因素之一。為了避免水中雜質(zhì)的侵蝕，換流閥對(duì)內(nèi)冷卻水的電導(dǎo)率有著嚴(yán)格的要求（國(guó)標(biāo)要求≤0.5 μS/cm），電導(dǎo)率測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)換流閥的安全運(yùn)行有著不容忽視的影響。本文分析了換流閥內(nèi)冷水系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)氣泡的機(jī)理，闡明了氣泡對(duì)換流閥內(nèi)冷水電導(dǎo)率測(cè)量過(guò)程的影響，并提出了一些有效控制措施。

1 換流閥內(nèi)冷水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

換流閥內(nèi)冷卻水系統(tǒng)由主循環(huán)回路、水處理回路和內(nèi)冷水補(bǔ)水系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)主要包括主循環(huán)水泵、空氣冷卻器、閉式冷卻塔、去離子裝置、脫氣罐、電加熱器、膨脹水箱、過(guò)濾器、補(bǔ)充水泵、配電及控制等設(shè)備，如圖1所示。冷卻水在室內(nèi)換流閥熱交換器內(nèi)加熱升溫后，由循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)入室外空氣冷卻器，降溫后的冷卻水由循環(huán)水泵再送至室內(nèi)。水處理回路主要由一用一備的離子交換器和交換器出水段的精密過(guò)濾器組成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，部分內(nèi)冷卻水將從主循環(huán)回路旁通進(jìn)入水處理裝置進(jìn)行去離子處理，去離子后的內(nèi)冷卻水其電導(dǎo)率將會(huì)降低，處理后的內(nèi)冷卻水再返回主循環(huán)回路。

圖1 換流閥內(nèi)冷系統(tǒng)流程圖

2 氣泡的來(lái)源

2.1 吸氣現(xiàn)象

由于換流閥循環(huán)內(nèi)冷水各段管徑不同，內(nèi)冷水的流速和壓力差距較大，在某些部位可能發(fā)生射流泵吸氣現(xiàn)象。比如水冷電阻處，當(dāng)冷卻室的密封元件腐蝕損壞或密封不嚴(yán)時(shí)，其進(jìn)出水管和冷卻室就會(huì)組成射流泵。進(jìn)水以較高的速度從管口流出，進(jìn)入冷卻室，在冷卻室因周圍的空氣被高速水流帶走而形成真空，導(dǎo)致外部空氣被吸入管內(nèi)，使內(nèi)冷水中出現(xiàn)大量微小氣泡，其工作原理如圖2所示。氣泡會(huì)導(dǎo)致內(nèi)冷水的流動(dòng)特性發(fā)生改變，在高溫、高壓的局部，氣泡集中破裂，產(chǎn)生非常高的溫度和壓力，會(huì)導(dǎo)致元器件因氣蝕而損壞，同時(shí)使液壓泵產(chǎn)生較大的噪聲和振動(dòng)。

圖2 吸氣現(xiàn)象原理圖

2.2 溶解氣體析出

內(nèi)水冷系統(tǒng)中的空氣以兩種形式存在：一種是游離性氣體，氣體以游離氣泡隨內(nèi)冷水循環(huán)流動(dòng)，容易在系統(tǒng)某些部位聚集（比如管路較高處）；另一種是溶解性氣體，氣體溶解于水中，當(dāng)系統(tǒng)壓力由高變低時(shí)，這部分氣體會(huì)以氣泡的形式析出。內(nèi)冷水循環(huán)系統(tǒng)并不是絕對(duì)的全封閉循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)冷水不可避免的會(huì)有微量空氣溶解于其中。根據(jù)亨利定律，在一定溫度下，若內(nèi)冷水循環(huán)回路中某處的壓力低于空氣的平衡分壓，則溶解于內(nèi)冷水中的過(guò)飽和空氣會(huì)迅速析出，產(chǎn)生大量的氣泡。此外，在高溫高壓下，內(nèi)冷水本身也會(huì)發(fā)生汽化，產(chǎn)生大量的水蒸氣。

3 氣泡電導(dǎo)率測(cè)量的影響

3.1 氣泡對(duì)測(cè)量電阻的影響

電導(dǎo)率是用來(lái)表示物質(zhì)傳導(dǎo)電流能力強(qiáng)弱的物理量，電導(dǎo)率越大則導(dǎo)電能力越強(qiáng)，反之越小。對(duì)于水溶液，其電導(dǎo)率越大說(shuō)明水中離子濃度越高，反之越低。電導(dǎo)率的基本計(jì)算公式為

式中σ為電導(dǎo)率，K為電極常數(shù)，G為溶液的電導(dǎo)，R為溶液的電阻。

在線電導(dǎo)率傳感器由2個(gè)平行板構(gòu)成，一般采用同軸設(shè)計(jì)，位于中間位置的內(nèi)電極被環(huán)繞在其周圍的外電極包圍，內(nèi)外電極和周圍的待測(cè)溶液共同組成了測(cè)量池，如圖3。

在內(nèi)冷水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，水中的氣泡會(huì)附著在電導(dǎo)率測(cè)量電極上（如圖4）。當(dāng)電極表面的氣泡足夠多，足夠大時(shí)，由于氣泡的電阻較大，會(huì)使電極附近的溶液電阻R變大，根據(jù)式（1）電導(dǎo)率讀數(shù)將變小，因此氣泡的存在會(huì)導(dǎo)致在線電導(dǎo)率儀表讀數(shù)偏小。

圖3 電導(dǎo)率測(cè)量池截面

圖4 氣泡覆蓋后的測(cè)量池

在實(shí)際測(cè)量中，當(dāng)電導(dǎo)率表讀數(shù)不穩(wěn)定時(shí)，可以通過(guò)一邊敲擊傳感器一邊觀察電導(dǎo)率讀數(shù)，來(lái)檢驗(yàn)電極表面是否存在氣泡（當(dāng)氣泡被除去和沖洗到下游時(shí)，讀數(shù)會(huì)上升）。在日常運(yùn)行中，如果發(fā)現(xiàn)在線電導(dǎo)率表的讀數(shù)長(zhǎng)期低于理論值（0.055 μS/cm）時(shí)，除了校準(zhǔn)儀表以外，還要考慮電極的安裝位置是否有利于氣泡及時(shí)排走。

3.2 溶解空氣對(duì)電導(dǎo)率的影響

在測(cè)量低電導(dǎo)率（＜10 μS/cm） 時(shí)，空氣中的二氧化碳會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響。溶解二氧化碳在水中形成碳酸（H2CO3），碳酸在第一步解離成碳酸氫根離子（HCO3），在第二步解離成碳酸根離子（CO32－）。具體反應(yīng)如下。

從上述反應(yīng)可以看出，二氧化碳在水中電解會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電能力較強(qiáng)H+。由于內(nèi)冷水的電導(dǎo)率極低，H+對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)量影響很大，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，二氧化碳電解產(chǎn)生的離子可使電導(dǎo)率讀數(shù)提高大約1 μS/cm。因此，溶解空氣會(huì)使在線電導(dǎo)率儀表讀數(shù)偏大。

4 控制措施

4.1 合適的測(cè)量流速

理想條件下，水的電導(dǎo)率取決于水的純度或組成，和流速無(wú)關(guān)，但當(dāng)水中存在氣泡時(shí)，流速對(duì)電導(dǎo)率尤其是高純水的電導(dǎo)率測(cè)量則有較大的影響。表1數(shù)據(jù)為某換流站電導(dǎo)率表比對(duì)結(jié)果，該站極1高端和極2低端離子交換器出水在線電導(dǎo)率表讀數(shù)長(zhǎng)時(shí)間低于理論值，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表旁路測(cè)量發(fā)現(xiàn)引出管內(nèi)有大量氣泡。通過(guò)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)表的流速，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)隨流速的增大而上升，當(dāng)流速達(dá)到3 m/s以上后，讀數(shù)基本穩(wěn)定不再變化。由此分析，流速逐漸升高時(shí)，電極表面附著的氣泡逐漸被水流帶走，水中溶解的二氧化碳被不斷稀釋，使電導(dǎo)率讀數(shù)不斷接近真實(shí)值，最終穩(wěn)定下來(lái)。因此，測(cè)量高純水的電導(dǎo)率要選擇合適的流速，同時(shí)也應(yīng)該注意，過(guò)高的流速會(huì)造成“氣穴效應(yīng)”，對(duì)電極產(chǎn)生一定沖擊力，不僅會(huì)造成讀數(shù)不穩(wěn)且可能損害電極。

表1 某換流站在線電導(dǎo)率儀表比對(duì)結(jié)果

4.2 選擇合適安裝位置

對(duì)于內(nèi)冷水系統(tǒng)，電導(dǎo)率傳感器應(yīng)安裝在水平或流向朝上的垂直管道中，最好使流向正對(duì)著電極的頭部，應(yīng)盡量避免將電極安裝在水平管路的垂直方向。采用外接儀表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)當(dāng)使水樣從底部流入流通池，并從上面排出。總之，傳感器的安裝應(yīng)該避免流動(dòng)死角，選擇盡量有利于氣泡排出的位置（見(jiàn)圖5—圖7）。

圖5 電極正對(duì)水流

圖6 流向朝上的垂直管道

圖7 電極與水流垂直

4.3 增加排氣閥

在管道的高位裝設(shè)足夠的排氣閥，在主循環(huán)管道較高處、過(guò)濾器頂部以及樹(shù)脂罐頂部等氣體易聚集處設(shè)置手動(dòng)排氣閥。當(dāng)發(fā)現(xiàn)管路氣泡較多或者系統(tǒng)運(yùn)行噪聲變大時(shí)，可使用手動(dòng)排氣閥加快氣體排出的速度，減少管內(nèi)殘留氣體。

5 結(jié)語(yǔ)

換流閥內(nèi)冷卻水的監(jiān)督檢測(cè)是換流閥安全運(yùn)行的重要保證，電導(dǎo)率的測(cè)量是否準(zhǔn)確對(duì)整個(gè)換流閥的安全運(yùn)行有著不容忽視的影響。本文分析了氣泡對(duì)換流閥內(nèi)冷水電導(dǎo)率在線測(cè)量的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出了一些有效措施，對(duì)換流閥內(nèi)冷水的分析檢測(cè)起到了一定的參考作用。