電去離子技術(shù)在換流閥冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用

梁家豪， 賴桂森， 李劍芳， 李乾坤， 崔鵬飛， 吳安兵

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局， 廣州 510663；2.廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司， 廣州 510663）

目前， 有很多機(jī)構(gòu)正在研究高壓直流換流閥均壓電極結(jié)垢的機(jī)理， 并試圖尋找有效的解決方案，有研究人員認(rèn)為采用深度除鹽水質(zhì)精處理可以有效減緩均壓電極結(jié)垢［1-3］。 電去離子技術(shù)（EDI）是將電滲析和離子交換技術(shù)有機(jī)結(jié)合的深度除鹽新工藝［4］， 可以持續(xù)制備電子級(jí)高純水［5］， 有望成為減緩均壓電極結(jié)垢的解決方案。 近年來， EDI 在熱電廠、 核電廠等行業(yè)的超純水制備工藝中得到越來越廣泛的應(yīng)用［6-8］， 其運(yùn)行結(jié)果表明EDI 工藝的產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定、 純度高， 滿足電廠對(duì)水質(zhì)的要求。

針對(duì)降低或去除工業(yè)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水的結(jié)垢物質(zhì)， 王方［9］研究采用EDI 軟水裝置代替離子交換軟化裝置， 不僅能提高處理效果， 簡(jiǎn)化操作， 還能提高冷卻水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)， 達(dá)到水資源的重復(fù)利用。 王夢(mèng)玲等［10］總結(jié)了全膜法水處理技術(shù)在高壓直流輸電調(diào)相機(jī)內(nèi)冷水處理的運(yùn)行效果， 該裝置產(chǎn)水滿足調(diào)相機(jī)內(nèi)冷水補(bǔ)給的各項(xiàng)水質(zhì)要求。

針對(duì)首次在高壓直流換流閥冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用EDI 工藝， 本文在基于大量電廠應(yīng)用EDI 工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 提出了適用于換流閥冷卻系統(tǒng)的EDI 系統(tǒng)應(yīng)用方案， 介紹EDI 應(yīng)用在換流閥冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行效果， 并對(duì)運(yùn)行影響因素、 技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行分析。

1 工程概況

某換流站閥冷系統(tǒng)采用密閉式循環(huán)純水冷卻系統(tǒng)， 它包括內(nèi)冷系統(tǒng)、 外冷系統(tǒng)、 輸配水系統(tǒng)及控制系統(tǒng)， 其中內(nèi)冷系統(tǒng)包括主循環(huán)冷卻回路、 去離子水處理回路、 穩(wěn)壓系統(tǒng)、 輔助系統(tǒng)等［11］。 該工程通過改造某換流閥內(nèi)冷系統(tǒng)， 將新增的EDI 系統(tǒng)并聯(lián)在原有的離子交換樹脂混床回路上， 建成后閥冷系統(tǒng)可選擇EDI 回路運(yùn)行或離子交換樹脂混床回路運(yùn)行， 某換流閥冷卻系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 某換流閥冷卻系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of a converter valve cooling system

2 EDI 系統(tǒng)應(yīng)用方案

2.1 EDI 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該EDI 系統(tǒng)采用了RO-EDI 全膜法工藝， 如圖1 所示， RO 裝置的產(chǎn)水用于EDI 裝置補(bǔ)水支路和濃水循環(huán)回路的補(bǔ)充水， EDI 裝置作為換流閥冷卻系統(tǒng)的內(nèi)冷水處理設(shè)備。 RO 裝置采用間斷工作模式， EDI 裝置采用連續(xù)工作模式。 EDI 裝置配置了獨(dú)立的排風(fēng)系統(tǒng)， 用于排放EDI 膜堆產(chǎn)生的氫氣。

圖1 EDI 系統(tǒng)工藝流程Fig. 1 Process flow of EDI system

EDI 裝置的淡水入口、 產(chǎn)水出口并聯(lián)在原離子交換樹脂混床兩端， 通過切換裝置， 可選擇切換運(yùn)行EDI 回路或離子交換樹脂混床回路， EDI 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表2， EDI 膜堆進(jìn)水水質(zhì)要求見表3。

表2 EDI 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Main technical parameters of EDI system

表3 EDI 膜堆進(jìn)水水質(zhì)要求Tab. 3 Influent water quality requirements of EDI unit

2.2 控制策略

EDI 系統(tǒng)采用PLC 控制， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率、液位、 流量、 壓力、 溫度等參數(shù)， 當(dāng)檢測(cè)到異常信號(hào)時(shí)， EDI 控制系統(tǒng)快速發(fā)出調(diào)整指令， 通過預(yù)定程序驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 確保EDI 系統(tǒng)能與換流閥冷卻系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)、 穩(wěn)定運(yùn)行， 控制原理如圖2 所示。 EDI 系統(tǒng)具備缺水、 泄漏、 電導(dǎo)率高等保護(hù)功能， 一旦觸發(fā)故障保護(hù)程序， EDI 控制系統(tǒng)將切換成離子交換樹脂混床回路， 關(guān)斷EDI 回路， 同時(shí)向遠(yuǎn)程上位機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)， 及時(shí)通知調(diào)試人員。

圖2 EDI 控制系統(tǒng)原理Fig. 2 Principle of EDI control system

3 運(yùn)行效果

（1） RO 裝置。 RO 裝置進(jìn)水水源為市政自來水， 進(jìn)水電導(dǎo)率為169.6 μS／cm， 進(jìn)水流量Q1為30 L／min。 水處理流程為： 自來水→原水箱→原水泵→砂濾器→碳濾器→保安過濾器→高壓泵→RO組件， 產(chǎn)水存儲(chǔ)在EDI 裝置的中間水箱里。 RO 裝置濃水流量Q3調(diào)節(jié)為15.5 L／min， 此時(shí)RO 裝置的產(chǎn)水流量Q2為14.5 L／min， 產(chǎn)水電導(dǎo)率為3.73 μS／cm， 滿足EDI 裝置的進(jìn)水水質(zhì)要求。

（2） EDI 裝置。 EDI 裝置淡水室進(jìn)水為換流閥冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷水， 經(jīng)過EDI 裝置處理后流回?fù)Q流閥冷卻系統(tǒng)。 EDI 裝置的濃水采用循環(huán)利用方式， 其濃水回路和淡水回路獨(dú)立分開， 因此EDI 裝置運(yùn)行時(shí)沒有因濃水排放而導(dǎo)致?lián)Q流閥冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷水損失的問題。 EDI 膜堆采用恒流控制模式， 每個(gè)EDI膜堆給定工作電流為2 A， 工作電壓在65 ～89 V 范圍內(nèi)， EDI 裝置淡水進(jìn)水流量Q4為170.2 L／min， 產(chǎn)水出口流量Q5為170.1 L／min， 濃水回路流量Q6為52.8 L／min， 濃水電導(dǎo)率為117 μS／cm。 運(yùn)行結(jié)果表明， EDI 裝置產(chǎn)水電導(dǎo)率一直穩(wěn)定在0.06 ～0.08 μS／cm， 滿足換流閥冷卻系統(tǒng)去離子水的技術(shù)要求。

（3） EDI 回路與離子交換樹脂混床回路切換。換流閥冷卻系統(tǒng)運(yùn)行期間， 可以在線進(jìn)行EDI 回路或離子交換樹脂混床回路的切換運(yùn)行， 流量變化如圖3 所示。 從圖3 可知， 回路切換過程中的流量變化范圍為176.2 ～209.3 L／min， 流量從變動(dòng)到穩(wěn)定總用時(shí)約31 s， 總體波動(dòng)幅度小、 時(shí)間短， 滿足換流閥冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求。

圖3 回路切換時(shí)的流量變化Fig. 3 Flow rate changes when the circuit is switched

（4） 換流閥冷卻系統(tǒng)。 主循環(huán)冷卻水流量給定4 980 L／min， 換流閥冷卻系統(tǒng)運(yùn)行期間， 先后切換成離子交換樹脂混床回路運(yùn)行和EDI 回路運(yùn)行， 各回路流量均給定170 L／min， 記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)。 內(nèi)冷水溫度為36.5 ℃時(shí)， 離子交換樹脂混床回路運(yùn)行時(shí)的的混床產(chǎn)水電導(dǎo)率為0.08 ～0.10 μS／cm， 主循環(huán)冷卻水電導(dǎo)率為0.09 ～0.11 μS／cm； EDI 回路運(yùn)行時(shí)的EDI 產(chǎn)水電導(dǎo)率為0.06 ～0.08 μS／cm， 主循環(huán)冷卻水電導(dǎo)率為0.08 ～0.10 μS／cm。 可見， EDI 回路運(yùn)行時(shí)， 產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)于離子交換樹脂混床出水水質(zhì)， 主循環(huán)冷卻水電導(dǎo)率有所改善。

4 運(yùn)行影響因素分析

影響換流閥冷卻系統(tǒng)EDI 運(yùn)行的因素較多，主要有以下幾個(gè)方面：

（1） 進(jìn)水水質(zhì)。 進(jìn)水水質(zhì)對(duì)EDI 的產(chǎn)水品質(zhì)、運(yùn)行性能、 能耗、 壽命等方面有重要影響， 因此需對(duì)進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。 換流閥冷卻系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)及內(nèi)冷水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見表4。 對(duì)比表3 的EDI 膜堆進(jìn)水水質(zhì)要求可知， 內(nèi)冷水壓力小于0.7 MPa， 電導(dǎo)率小于40 μS／cm， 水溫小于45 ℃，總氯、 鐵、 錳元素未檢出， 總硬度小于1.0 mg／L，因此該換流閥冷卻系統(tǒng)的內(nèi)冷水可以直接進(jìn)入EDI膜堆， 不需要額外預(yù)處理。

表4 某換流閥冷卻系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和內(nèi)冷水水質(zhì)Tab. 4 Actual operating parameters of a converter valve cooling system and internal cooling water quality

（2） 內(nèi)冷水損失。 換流閥冷卻系統(tǒng)屬于密閉循環(huán)系統(tǒng)， 對(duì)運(yùn)行壓力、 流量、 溫度、 電導(dǎo)率、 液位等參數(shù)有著嚴(yán)格的要求。 EDI 膜堆運(yùn)行過程中會(huì)存在少量的極水、 濃水排放， 如濃水室與淡水室采取同一水源， 內(nèi)冷水會(huì)不斷流失， 冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)壓力低、 液位低、 流量不足等故障， 嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流閥閉鎖， 造成重大經(jīng)濟(jì)損失， 因此需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減少內(nèi)冷水流失， 并采取有效的補(bǔ)水措施， 以維持換流閥冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

該工程的EDI 膜堆采用了淡水和濃水獨(dú)立分開的方式， 淡水回路并聯(lián)換流閥內(nèi)冷系統(tǒng)， 取內(nèi)冷水作為淡水回路的進(jìn)水水源， 濃水回路則取RO 產(chǎn)水作為進(jìn)水水源。 換流閥冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷水只進(jìn)入EDI 膜堆的淡水室， 去除離子后又流回?fù)Q流閥冷卻系統(tǒng)， 因此回收率達(dá)到99%以上， 大大降低了內(nèi)冷水流失， 保障了換流閥冷卻系統(tǒng)安全、 穩(wěn)定運(yùn)行。

（3） 操作電流。 EDI 膜堆的操作電流與進(jìn)水水質(zhì)、 產(chǎn)水流量等有關(guān)， 通常操作電流設(shè)定范圍為1 ～6 A， 直流電源器在恒流控制模式下會(huì)根據(jù)EDI 膜堆電阻變化自動(dòng)調(diào)節(jié)操作電壓。 當(dāng)操作電流給定過低時(shí)， 產(chǎn)水品質(zhì)無法滿足換流閥冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷水的水質(zhì)要求。 當(dāng)操作電流給定過高時(shí)， 又會(huì)產(chǎn)生大量富余的H＋和OH-， 引發(fā)離子反擴(kuò)散導(dǎo)致產(chǎn)水品質(zhì)降低， 同時(shí)極室中還產(chǎn)生大量氫氣和氧氣， 會(huì)妨礙EDI 裝置正常運(yùn)行［12］。

操作電流調(diào)節(jié)應(yīng)保證產(chǎn)水品質(zhì)在達(dá)到要求的前提下給定電流值越小越好。 該工程調(diào)試時(shí)， 每個(gè)EDI 膜堆的操作電流給定為2 A， 操作電壓為82 ～88 V， 產(chǎn)水電導(dǎo)率為0.07 ～0.08 μS／cm， 滿足換流閥冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷水水質(zhì)要求。

（4） 濃水淡水回路壓差控制。 EDI 裝置的淡水回路與濃水回路采取了不同的進(jìn)水水源， 兩者之間勢(shì)必存在壓力差， 過低的壓力差會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)水水質(zhì)快速惡化［13］； 過高的壓力差會(huì)導(dǎo)致膜堆變形， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生大泄漏甚至報(bào)廢。

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的壓力差控制， 該工程的EDI膜堆淡水入口和濃水入口均安裝了壓力變送器，控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩者之間的壓力差， 濃水循環(huán)泵采用了變頻控制， 根據(jù)壓力差的變化量實(shí)時(shí)調(diào)控循環(huán)泵的運(yùn)行頻率， 使得濃水壓力低于淡水壓力0.03 ～0.07 MPa， 防止?jié)馑粔簼B到淡水室中影響產(chǎn)水品質(zhì)［14］。

該工程調(diào)試時(shí)， 淡水回路流量為170.2 L／min，淡水入口壓力為0.21 MPa， 濃水回路流量給定為52.8 L／min， 濃水入口壓力為0.18 MPa， EDI 裝置運(yùn)行期間， 兩回路的壓差波動(dòng)小， 產(chǎn)水品質(zhì)穩(wěn)定。

（5） 濃水電導(dǎo)率。 EDI 裝置采用濃水循環(huán)方式， 內(nèi)冷水的離子在膜堆吸附和遷移的作用下， 不斷匯集到濃水回路里， 因此濃水回路的電導(dǎo)率會(huì)持續(xù)升高。 王仁雷等［15］研究發(fā)現(xiàn)濃水電導(dǎo)率在100 ～200 μS／cm 時(shí)， EDI 裝置的產(chǎn)水電導(dǎo)率相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)濃水電導(dǎo)率低于100 μS／cm 時(shí)， EDI 膜堆電阻變大導(dǎo)致電流減小， 產(chǎn)水品質(zhì)變差； 當(dāng)濃水電導(dǎo)率高于200 μS／cm， 電流增大又會(huì)產(chǎn)生大量富余的H＋和OH-， 因濃差擴(kuò)散導(dǎo)致產(chǎn)水品質(zhì)變差。 因此， 在運(yùn)行中， 控制系統(tǒng)需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濃水回路的電導(dǎo)率，可以通過循環(huán)系統(tǒng)的排水、 補(bǔ)水措施來控制濃水電導(dǎo)率維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。

（6） 泄漏監(jiān)測(cè)及補(bǔ)水。 為了避免發(fā)生內(nèi)冷水意外泄漏而造成換流閥閉鎖， EDI 系統(tǒng)應(yīng)具有監(jiān)測(cè)泄漏、 液位保護(hù)的功能。 EDI 裝置進(jìn)出口安裝了精密流量計(jì)， 通過檢測(cè)總流入和總流出的差額可判斷EDI 裝置是否存在泄漏； 此外， 控制系統(tǒng)還實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)換流閥冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷水緩沖罐的液位， 通過檢測(cè)液位的變化量來判斷冷卻系統(tǒng)是否存在泄漏。

為了提高運(yùn)行的可靠性， EDI 裝置還配置了補(bǔ)水支路， 當(dāng)換流閥冷卻系統(tǒng)的緩沖罐液位低于40%時(shí)， EDI 裝置會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)補(bǔ)水程序， 緩沖罐液位到達(dá)45%后自動(dòng)停止補(bǔ)水； 如補(bǔ)水失控， 緩沖罐液位低于35%時(shí)， EDI 裝置會(huì)發(fā)出缺水報(bào)警信號(hào)。

（7） 氫氣排放。 EDI 膜堆通電運(yùn)行時(shí)電極會(huì)發(fā)生電解反應(yīng)， EDI 的陰極反應(yīng)如下：

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（25 ℃， 1 個(gè)大氣壓）每安培電流大約產(chǎn)生7.46 mL／min 的氫氣， EDI 膜堆操作電流給定為2 A， 膜堆運(yùn)行數(shù)量為3 臺(tái)， EDI 裝置的氫氣產(chǎn)生量為44.76 mL／min， 由于氫氣爆炸濃度下限為4.0%［16］， 因此需要有效的氫氣排放措施。 在高壓直流換流站， 由于安全保障要求嚴(yán)格， 閥冷卻設(shè)備室四周無窗戶， 且室內(nèi)溫度要求控制在10 ～35 ℃［17］，因此全面通風(fēng)法不適用于EDI 裝置氫氣排放。 該工程采用了獨(dú)立的排風(fēng)系統(tǒng)， 通過送風(fēng)和排風(fēng)管道， 從室外往中間水箱鼓入新鮮空氣， 稀釋氫氣后強(qiáng)迫排出到室外大氣中。

該工程調(diào)試時(shí)， 排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量給定為29 m3／h，經(jīng)檢測(cè)， 閥冷卻設(shè)備室的氫氣濃度未檢出， 排風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部的氫氣濃度為0.012%， 遠(yuǎn)小于氫氣爆炸濃度下限， 表明該氫氣排放工藝安全、 有效。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

5.1 EDI 應(yīng)用在換流閥冷卻系統(tǒng)的技術(shù)分析

與傳統(tǒng)的離子交換樹脂混床技術(shù)比較， EDI 具有一定的優(yōu)勢(shì)， 主要有以下幾個(gè)方面：

（1） EDI 可將進(jìn)入淡水室的換流閥冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷水離子定向遷移到陰陽交換膜表面， 借助交換膜的選擇透過性， 使得陰、 陽離子透過交換膜而脫離排出［18］， 有利于減緩均壓電極結(jié)垢。

（2） EDI 可制備電阻率為10 ～18.2 MΩ·cm 或電導(dǎo)率為0.055 ～0.1 μS／cm 的高純水［14］， 可持續(xù)有效地純化換流閥冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷水。

（3） EDI 可連續(xù)電再生， 正常運(yùn)行時(shí)不需要進(jìn)行酸、 堿化學(xué)再生， 無化學(xué)藥劑排放。

（4） 水的利用率高， 通過優(yōu)化設(shè)計(jì)， 水利用率可達(dá)99%以上。

（5） EDI 除鹽能力優(yōu)于傳統(tǒng)離子交換樹脂混床， EDI 能去除電解質(zhì)雜質(zhì)， 也能去除非電解質(zhì)雜質(zhì)（如SiO2）。

（6） EDI 膜堆普遍采用模塊化設(shè)計(jì)， 便于安裝、 維修、 更換、 擴(kuò)容。

5.2 EDI 系統(tǒng)與離子交換樹脂混床的運(yùn)行成本分析

EDI 系統(tǒng)和離子交換樹脂混床均按照流量為10.2 m3／h， 年運(yùn)行8 760 h 計(jì)算， 運(yùn)行成本分析見表5。 EDI 系統(tǒng)噸水成本為0.982 元， 比離子交換樹脂混床多0.538 元； EDI 系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)為87 697.423元， 比離子交換樹脂混床多48 091.855 元。

表5 EDI 系統(tǒng)與離子交換樹脂混床的運(yùn)行成本分析Tab. 5 Comparative analysis of the operating cost of EDI system and ionic exchange resin mixed bed

6結(jié)語

本EDI 應(yīng)用方案系統(tǒng)解決了內(nèi)冷水損失、 淡水濃水回路壓差控制、 泄漏監(jiān)測(cè)、 氫氣排放等影響運(yùn)行的諸方面問題， 實(shí)現(xiàn)了EDI 工藝在高壓直流換流閥冷卻系統(tǒng)中的成功應(yīng)用。 EDI 技術(shù)作為深度除鹽精處理工藝， 與離子交換樹脂混床相比具有極大的優(yōu)勢(shì)， 可持續(xù)吸附、 遷移去除內(nèi)冷水中的離子， 減緩均壓電極結(jié)垢。 該EDI 系統(tǒng)在換流閥冷卻系統(tǒng)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)， 能夠?yàn)楹罄m(xù)的同類工程提供借鑒。