調(diào)相機(jī)除鹽水系統(tǒng)設(shè)計問題分析與改進(jìn)建議

程一杰，厚 谞，沈 陽，年長春

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江杭州 310012；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，浙江杭州 311232）

雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)是目前廣泛應(yīng)用的大型調(diào)相機(jī)，即定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組均采用水冷卻。為保證調(diào)相機(jī)的安全運行，冷卻水必須具有足夠的絕緣性能，一般采用除鹽水作為冷卻介質(zhì)。隨著水處理技術(shù)的發(fā)展與成熟，國內(nèi)調(diào)相機(jī)除鹽水系統(tǒng)均采用全膜法水處理工藝，具有無需酸堿再生、操作簡單、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點〔1?2〕。

國內(nèi)首批建設(shè)的大型調(diào)相機(jī)除鹽水系統(tǒng)在設(shè)計中存在一些問題：（1）除鹽水系統(tǒng)來水不穩(wěn)定；（2）超濾裝置與反滲透裝置的流量不匹配；（3）除鹽水泵沒有互為備用；（4）反滲透加堿效果不滿足要求；（5）轉(zhuǎn)子冷卻水補(bǔ)水加堿無必要。針對上述問題，筆者對國內(nèi)某調(diào)相機(jī)工程的除鹽水系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，對除鹽水系統(tǒng)的設(shè)計提出改進(jìn)建議，以期為同類型調(diào)相機(jī)除鹽水系統(tǒng)的設(shè)計和改造提供一定參考。

1 系統(tǒng)簡介

調(diào)相機(jī)工程的除鹽水系統(tǒng)水源一般為市政自來水，系統(tǒng)采用全膜法水處理工藝，其工藝流程為超濾+一級反滲透+二級反滲透+EDI，還包括完整的反洗、加藥、化學(xué)清洗等輔助系統(tǒng)〔3?4〕。系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 除鹽水系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process of desalinated water system

該系統(tǒng)中的超濾裝置、一級反滲透裝置、二級反滲透裝置、EDI 裝置均采用一對一運行方式，無備用。所有水泵、加藥泵及參與控制的儀表均為1 用1 備。系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)水流量為6.0 m3/h，產(chǎn)水電導(dǎo)率<0.10 μS/cm（25 ℃）。除鹽水系統(tǒng)各裝置的性能如表1 所示〔5?6〕。

表1 除鹽水系統(tǒng)各裝置的性能指標(biāo)Table 1 Performance of each device in demineralized water system

2 問題分析與改進(jìn)建議

2.1 來水穩(wěn)定性不足

除鹽水系統(tǒng)由市政自來水供水，與外冷水系統(tǒng)補(bǔ)水共用來水管道。為防止市政自來水供水壓力低，另設(shè)計有工業(yè)水池作為備用水源，可補(bǔ)水至外冷水系統(tǒng)。調(diào)相機(jī)供水流程如圖2 所示。

圖2 調(diào)相機(jī)供水流程Fig.2 Water supply process of synchronous condenser

因除鹽水系統(tǒng)側(cè)壓力高于外冷水系統(tǒng)緩沖水池側(cè)的壓力，當(dāng)外冷水系統(tǒng)補(bǔ)水或市政自來水供水壓力較低時，無法對除鹽水系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水，嚴(yán)重影響調(diào)相機(jī)組運行的穩(wěn)定性〔7〕。此外，市政自來水供水穩(wěn)定時，工業(yè)水池和工業(yè)水泵長期處于停運狀態(tài)，會影響工業(yè)水池的水質(zhì)和工業(yè)水泵的使用壽命。

為提高除鹽水系統(tǒng)的來水穩(wěn)定性，并保證工業(yè)水池和工業(yè)水泵的有效使用，提出以下設(shè)計改進(jìn)建議：（1）取消市政自來水至外冷水系統(tǒng)供水管道，由工業(yè)水池直接對外冷水系統(tǒng)進(jìn)行供水。除鹽水系統(tǒng)側(cè)壓力低于工業(yè)水池側(cè)壓力，即使工業(yè)水池和除鹽水系統(tǒng)同時補(bǔ)水，市政自來水也會優(yōu)先供水至除鹽水系統(tǒng)，杜絕出現(xiàn)因外冷水補(bǔ)水而導(dǎo)致的除鹽水系統(tǒng)無法補(bǔ)水問題。此外，保證工業(yè)水池和工業(yè)水泵的正常使用，提升設(shè)備使用壽命。（2）增加由工業(yè)水池至除鹽水系統(tǒng)的供水管道，將工業(yè)水池水源作為除鹽水系統(tǒng)的備用水源，當(dāng)市政自來水壓力低時，可由工業(yè)水池對除鹽水系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。改進(jìn)后的調(diào)相機(jī)供水流程如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)后的調(diào)相機(jī)供水流程Fig.3 Modified water supply process of synchronous condenser

2.2 超濾裝置與反滲透裝置流量不匹配

設(shè)計除鹽水系統(tǒng)時，考慮轉(zhuǎn)子冷卻水回水至超濾水箱流量（2 臺機(jī)組，共5.0 m3/h），設(shè)計超濾裝置來水流量為3.5 m3/h，一級反滲透進(jìn)水流量為9.8 m3/h。此時超濾水箱的進(jìn)出流量基本處于平衡狀態(tài)。超濾水箱的水量平衡情況如圖4 所示。

圖4 超濾水箱的水量平衡Fig.4 Water balance of ultrafiltration water tank

調(diào)相機(jī)運行過程中轉(zhuǎn)子冷卻水無回水至超濾水箱，使得超濾產(chǎn)水箱的進(jìn)出流量不匹配，且超濾水箱容積為3.0 m3，導(dǎo)致制水時超濾水箱液位下降過快；反滲透裝置單次運行時間約為9~12 min，裝置在制水周期內(nèi)會啟停2~3 次，對反滲透裝置的制水能力、產(chǎn)水品質(zhì)及使用壽命造成不利影響〔6?7〕。

為使超濾裝置與反滲透裝置的流量相匹配，提出以下修改建議：（1）更換超濾膜組件，提升超濾裝置來水量至9.0~10.0 m3/h，使超濾水箱的進(jìn)出口流量相匹配。（2）更換原水泵和超濾反洗水泵，提升原水泵、超濾反洗水泵的額定流量分別為9.0~10.0、36.0~40.0 m3/h。（3）增加轉(zhuǎn)子冷卻水回水直接排放至排水地溝的管道，滿足轉(zhuǎn)子冷卻水在水質(zhì)惡化的極端情況下的排放要求。

2.3 除鹽水泵沒有互為備用

除鹽水泵將合格除鹽水由除鹽水箱輸送至定子水系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子水系統(tǒng)，以滿足調(diào)相機(jī)內(nèi)冷水補(bǔ)水需求。原設(shè)計中除鹽水泵出口聯(lián)通閥門為常閉閥門，設(shè)定除鹽水泵運行方式：除鹽水泵A 泵為1#、2#機(jī)的定子冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水，除鹽水泵B 為1#、2#機(jī)的轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水，若某臺除鹽水泵出現(xiàn)故障時，開啟除鹽水泵出口聯(lián)通門。內(nèi)冷水系統(tǒng)補(bǔ)水流程如圖5 所示。

圖5 內(nèi)冷水系統(tǒng)補(bǔ)水流程Fig.5 Filling water process of internal cooling water system

除鹽水泵采用上述運行方式時，2 臺除鹽水泵無法互為備用，對設(shè)備的穩(wěn)定性要求高；當(dāng)某臺除鹽水泵出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致定子冷卻水或轉(zhuǎn)子冷卻水無法及時補(bǔ)水，存在因斷水而導(dǎo)致調(diào)相機(jī)跳機(jī)的風(fēng)險〔8〕。

定子冷卻水系統(tǒng)為密閉式系統(tǒng)，補(bǔ)水量極??；轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)正常運行時單日補(bǔ)水量約為1.5 m3，單臺除鹽水泵完全能夠滿足同時為定子冷卻水和轉(zhuǎn)子冷卻水補(bǔ)水的要求。建議將除鹽水泵出口聯(lián)通門設(shè)計更改為常開狀態(tài)，同時優(yōu)化除鹽水泵邏輯。當(dāng)除鹽水泵主泵運行出現(xiàn)故障時，自動切換至備用泵運行，滿足除鹽水泵互為備用的要求，提升調(diào)相機(jī)組供水的可靠性。國網(wǎng)金華、鄱陽湖公司的調(diào)相機(jī)在除鹽水系統(tǒng)調(diào)試期間按該建議進(jìn)行整改，目前除鹽水泵運行正常，滿足互為備用的要求。

2.4 反滲透加藥效果不滿足要求

因一級反滲透產(chǎn)水呈酸性，易產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，投加NaOH 調(diào)整二級反滲透進(jìn)水的pH 處于8.0~9.0 范圍內(nèi)，使進(jìn)水中的二氧化碳形成碳酸鹽，以提高二級反滲透膜的脫鹽率〔9〕。反滲透加堿工藝如圖6 所示。

圖6 反滲透加堿工藝Fig.6 Adding alkali process of reverse osmosis

在反滲透裝置啟動和停運時，二級反滲透入口流量先減小后增加再逐漸穩(wěn)定，而二級反滲透進(jìn)水加堿計量泵無變頻調(diào)節(jié)功能，使得二級反滲透入口pH 呈先增大后減小再穩(wěn)定的趨勢。二級反滲透入口pH 變化曲線如圖7 所示，可見該變化不利于二級反滲透膜的使用壽命和產(chǎn)水電導(dǎo)率的穩(wěn)定〔10〕。

圖7 二級反滲透入口pH 的變化曲線Fig. 7 Change curve of inlet pH of secondary reverse osmosis

為控制二級反滲透進(jìn)水pH 穩(wěn)定在8.0~9.0，保證反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)和使用壽命，提出設(shè)計修改建議：（1）將二級反滲透進(jìn)水加堿計量泵優(yōu)化為變頻泵，并設(shè)計自動加藥程序。加堿計量泵的頻率可根據(jù)進(jìn)水流量自動調(diào)節(jié)，保證反滲透啟動和停運時pH 的穩(wěn)定。（2）降低反滲透投加NaOH 溶液的濃度，提升加藥量對pH 調(diào)節(jié)的緩沖能力，降低反滲透啟動和停運階段的波動幅度。

2.5 轉(zhuǎn)子冷卻水補(bǔ)水加堿非必要

除鹽水泵將除鹽水輸送至轉(zhuǎn)冷水箱完成轉(zhuǎn)子冷卻水的補(bǔ)水。在轉(zhuǎn)子冷卻水補(bǔ)水管道中設(shè)有加堿管，投加分析純NaOH，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，控制補(bǔ)水pH 在8~9。為監(jiān)控轉(zhuǎn)子冷卻水補(bǔ)水的pH 及電導(dǎo)率，在除鹽水泵至轉(zhuǎn)子冷卻水系統(tǒng)出水管處配置有pH 計和電導(dǎo)率表。但在轉(zhuǎn)子冷卻水實際補(bǔ)水過程中，因單次補(bǔ)水量僅為0.5 m3左右，補(bǔ)水時間較短且加藥管道較長，補(bǔ)水pH 極難控制。同時，配置的pH計和電導(dǎo)率表常處于干燥狀態(tài)，儀表維護(hù)困難，電極易失效。

鑒于轉(zhuǎn)子冷卻水膜凈化堿化裝置帶有加堿功能，可有效調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)冷水pH 至7~9。而轉(zhuǎn)子冷卻水單次補(bǔ)水量為0.5 m3，補(bǔ)充的除鹽水pH 約為6.0，直接補(bǔ)充未加堿的除鹽水不會對轉(zhuǎn)冷水的pH 造成影響。因此無需配置轉(zhuǎn)冷水補(bǔ)水加堿裝置和在線化學(xué)儀表，且目前調(diào)相機(jī)的轉(zhuǎn)子冷卻水補(bǔ)水加堿裝置也處于未投運狀態(tài)。建議在新建調(diào)相機(jī)站設(shè)計中，取消轉(zhuǎn)子冷卻水補(bǔ)水加堿裝置及配套檢測的在線化學(xué)儀表，有效降低設(shè)備成本及運維成本。

3 結(jié)論

近年來，隨著特高壓直流輸電工程的投運，大型調(diào)相機(jī)被廣泛應(yīng)用。然而大型調(diào)相機(jī)配套的除鹽水系統(tǒng)在設(shè)計上未完全成熟。對除鹽水系統(tǒng)的工藝設(shè)計提出改進(jìn)建議，確保除鹽水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，并提升調(diào)相機(jī)的可靠性，為今后調(diào)相機(jī)工程的除鹽水系統(tǒng)設(shè)計與改造提供了一定借鑒和參考。