多功能控制閥在換流閥外水冷原水預(yù)處理系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用

張增明,金海望,趙 棟,李振動,李金卜

(國網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司,北京 102488)

閥冷系統(tǒng)作為換流站的重要組成部分，其性能直接決定著直流系統(tǒng)的安全，必須引起足夠的重視[1]。

水-水冷卻系統(tǒng)中的換熱設(shè)備為密閉蒸發(fā)型冷卻塔，適用于大部分的地區(qū)。該類冷卻系統(tǒng)的特點為冷卻效果好，電能節(jié)省，功能穩(wěn)定，運用成熟，因采用閉式冷卻塔，耗水量亦已大大降低[2]。

冷卻塔是高壓直流閥水冷系統(tǒng)的關(guān)鍵冷卻設(shè)備，水冷系統(tǒng)中內(nèi)冷系統(tǒng)熱量均由冷卻塔噴淋水的蒸發(fā)冷卻實現(xiàn)高效散熱[3]。

冷卻塔噴淋水在蒸發(fā)冷卻過程中，水中的鈣、鎂等致垢離子快速濃縮、析晶結(jié)垢并堆積附著于冷卻塔換熱盤管內(nèi)壁及外壁，會導(dǎo)致冷卻塔換熱效率大幅降低，無法滿足水冷系統(tǒng)的冷卻要求，嚴(yán)重影響直流工程的穩(wěn)定運行[3-5]。

污垢導(dǎo)致的經(jīng)濟損失主要包括兩部分，一部分是由于換熱量不足，需要增加冷卻塔的容量，或增加除垢清洗費用；另一部分是冷卻塔運行時換熱量降低導(dǎo)致進(jìn)入換流閥的溫度升高[6]。

預(yù)處理就是根據(jù)原水中雜質(zhì)的特性，采取合適的工藝對其進(jìn)行處理，使其達(dá)到反滲透膜元件進(jìn)水要求的過程，因其在整個水處理工藝流程中的位置在反滲透之前，所以稱為預(yù)處理[7]。

冷卻塔噴淋系統(tǒng)的噴淋水水質(zhì)優(yōu)劣首先取決于其原水的水質(zhì)情況、工業(yè)水池水質(zhì)情況，其次是原水水處理工藝及補充水水處理工藝[8]。

噴淋水的補水系統(tǒng)一般主要由外冷補水泵、活性炭過濾器、石英砂過濾器和反滲透裝置組成。其具體流程為原水(自來水)首先通過外冷補水泵驅(qū)動進(jìn)入石英砂過濾器和活性炭過濾器去除水中的懸浮物、膠體、顆粒、有機物等雜質(zhì)，再經(jīng)過反滲透裝置降低原水的離子濃度，最終進(jìn)入緩沖水池，確保了噴淋水水質(zhì)符合閉式冷卻塔設(shè)備長期正常運行的要求。

目前，大部分高壓直流輸電工程采用活性炭過濾器和石英砂過濾器對原水進(jìn)行預(yù)處理，并通過PLC控制柜來控制反沖洗水泵和電動閥門，實現(xiàn)對活性炭過濾器和石英砂過濾器的反洗。該方案涉及設(shè)備數(shù)量眾多，造價偏高，占地面積大，今后日常維護(hù)檢修工作量大。本文提出利用多功能控制閥實現(xiàn)活性炭過濾器和石英砂過濾器的過濾、清洗，節(jié)省系統(tǒng)成本，減少占地面積，降低日后維護(hù)檢修工作量。

1 常規(guī)外冷補充水處理工藝原理

采用閉式冷卻塔的外冷水工作原理:內(nèi)冷水在流經(jīng)換流閥后被加熱升溫，由內(nèi)冷水泵驅(qū)動進(jìn)入室外密閉蒸發(fā)式冷卻塔內(nèi)的換熱盤管，噴淋水循環(huán)泵從室外地下噴淋水池抽水均勻噴灑到冷卻塔的換熱盤管表面，噴淋水吸熱后蒸發(fā)成水蒸氣通過風(fēng)機排至大氣，在此過程中，換熱盤管內(nèi)的冷卻水將得到冷卻，降溫后的內(nèi)冷卻水由循環(huán)水泵再送至換流閥，如此周而復(fù)始地循環(huán)，保障換流閥可靠、安全、穩(wěn)定運行[9]。為防止外冷水系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢，需控制噴淋水的硬度[10]。

常規(guī)補充水先進(jìn)入預(yù)處理裝置，主要包括砂過濾器、炭過濾器等，然后進(jìn)入反滲透裝置進(jìn)行脫鹽，最后進(jìn)入噴淋水池。除此之外，一般還配套反滲透清洗裝置及反滲透加藥裝置。常規(guī)外冷水處理工藝原理如圖1所示，主要流程為噴淋水補充水→砂過濾器→炭過濾器→反滲透裝置→噴淋水池，完成噴淋補充水過濾去除雜質(zhì)的過程。

圖1 常規(guī)外冷水處理工藝原理

2 砂過濾器、炭過濾器及反洗裝置結(jié)構(gòu)

采用反沖洗水泵和多個電動閥門對炭過濾器和砂過濾器進(jìn)行過濾、正洗和反洗的原水預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

砂過濾器(與炭過濾器結(jié)構(gòu)相同)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖2 常規(guī)原水預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程

圖3 砂過濾器結(jié)構(gòu)

由于砂過濾器技術(shù)成熟、簡單、處理效果好，所以普遍采用此工藝。石英砂過濾器選用不同粒徑的石英砂濾料，自上而下粒徑逐級分配，利用深層過濾原理，當(dāng)補充水通過石英砂濾層，水中的懸浮物、機械顆粒、膠體等雜質(zhì)在流經(jīng)濾料層中彎彎曲曲的孔道時，由于濾料表面的接觸作用，懸浮物和濾料表面互相粘附，從而去除水中的懸浮物、膠體、機械顆粒。

當(dāng)原水通過炭過濾器時，由于炭過濾器中的過濾介質(zhì)的接觸絮凝作用、吸附和截留作用使得原水中的雜質(zhì)被吸附、截留。通過炭過濾器的過濾，可進(jìn)一步降低原水的總有機物、濁度、余氯等[11]。過濾器為立式結(jié)構(gòu)，通過壓差或時間進(jìn)行反沖洗，活性炭過濾器的反洗、正洗過程，可將活性炭濾層的雜質(zhì)沖洗出來，同時使濾層松動，提高流量及吸附效果。

砂炭反沖洗裝置即反洗泵組模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 砂炭反沖洗裝置結(jié)構(gòu)

砂過濾器、炭過濾器長時間運行后，水中的懸浮物、膠體、有機物等會附著在濾料上，影響過濾效果。因此，需要定期對過濾器進(jìn)行反沖洗，使濾料保持潔凈。反沖洗裝置通過管道與反洗水池連通，通過反洗水泵提供動力對過濾器進(jìn)行反沖洗。從圖2—圖4可以看出，常規(guī)原水預(yù)處理系統(tǒng)主要包括反洗泵組、兩個罐體、較多閥門及管路，系統(tǒng)比較復(fù)雜，費用較高。

3 多功能控制閥的應(yīng)用設(shè)計

在水處理的過濾、吸附、阻垢、反滲透的裝置中，水處理多功能控制閥作為核心部件，能改變水的流動方向?qū)崿F(xiàn)特定功能[12]。控制閥主要特點如下。

a.采用高平面度、耐腐蝕的端面密封片啟閉、密封可靠；集運行、反洗和正洗全過程功能于一體。

b.程序可設(shè)定多次重復(fù)沖洗，即運行一次可設(shè)定反洗、正洗多次，有利于更好地清洗濾料。

c.可根據(jù)水質(zhì)及配置使用的實際情況，修改設(shè)定各過程的參數(shù)。

d.可選擇流量型和時間型控制模式。

e.設(shè)置端口接收有源信號，與PLC、電腦等配合使用，可遠(yuǎn)距離操作控制閥。

f.可以實現(xiàn)多控制閥串聯(lián)、并聯(lián)。

應(yīng)用控制閥，利用工業(yè)補水泵和一個電動閥門的給水對炭過濾器和砂過濾器進(jìn)行過濾、正洗和反洗，無需配置反洗泵和多個電動閥門，原水預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程如圖5所示。

圖5 采用多功能控制閥的原水預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程

由圖5可見，利用控制閥對炭過濾器和砂過濾器進(jìn)行過濾、正洗和反洗，相較于常規(guī)原水預(yù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，無反洗泵組模塊，減少了設(shè)備占地面積。

控制閥與過濾罐體安裝相對位置如圖6所示。中心管一端連接下布水器放入罐體底部，上布水器旋入控制閥，中心管經(jīng)上布水器插入控制閥，并旋緊在罐體頂部。罐體頂部進(jìn)水的上布水器為魚刺母支管式，保證布水均勻。底部下布水器為多孔板和ABS排水帽組成，多孔板由不銹鋼板制作而成，與筒體焊接后，連接ABS水帽孔，并與筒體一起雙層襯膠，安裝完后在其上部安裝ABS排水帽。

圖6 多功能控制閥與罐體的安裝位置

控制閥與罐體的管路安裝示意圖如圖7所示，補充水流動方向用黑色箭頭表示。在控制閥出水口安裝配有傳感器的流量計，實現(xiàn)對出口水流量的實時監(jiān)測。進(jìn)出水管路需用固定架支撐固定，排水管連接至污水池。在進(jìn)水口、出水口及其管路中間接入了閥A、閥B、閥C、閥D作為取樣閥。

圖7 管路安裝示意圖

炭過濾器的反洗條件控制可在累計流量控制和運行時間控制中任選一種，一般采用時間控制型，控制閥與工業(yè)補水泵聯(lián)動控制實現(xiàn)反洗、正洗的同步，其控制邏輯如圖8所示。

圖8 控制邏輯

炭過濾器的反洗、正洗控制邏輯與砂過濾器一致，其清洗開始時間需錯開，防止清洗時供水不足。

圖9為過濾器工作流程，共分為運行狀態(tài)、反洗狀態(tài)和正洗狀態(tài)3種工作狀態(tài)。運行狀態(tài)是工業(yè)補充水進(jìn)入控制閥進(jìn)水管側(cè)，然后依次流經(jīng)上布水器-濾料-下布水器-中心管，流出控制閥出水管，進(jìn)入保安過濾器，完成過濾過程；反洗狀態(tài)是工業(yè)補充水進(jìn)入控制閥進(jìn)水管側(cè)，依次流經(jīng)中心管-下布水器-濾料-上布水器，從控制閥排污管排出，廢水排出至污水池，完成反洗過程；正洗狀態(tài)是工業(yè)補充水進(jìn)入控制閥進(jìn)水管側(cè)，依次流經(jīng)上布水器-濾料-下布水器-中心管，從控制閥排污管排出，廢水排出至污水池，完成正洗過程。

針對常用的罐體及濾料體積控制閥的配置參考見表1。

圖9 過濾器工作流程

表1 多功能控制閥的配置參考

上述炭過濾器過濾流量是以運行流速12 m/h時的流量；反洗流量是以反洗強度為10 L/(m2·s)時的流量；砂過濾器的過濾流量以運行流速25 m/h的流量；反洗流量是以反洗強度15 L/(m2·s)時的流量。

4 多功能控制閥常見故障及解決方法

多功能控制閥常見故障主要包括控制閥部分和控制器部分故障，表2和表3列舉了常見故障的原因及解決辦法，具體內(nèi)容如下。

表2 控制閥部分故障分析結(jié)果

表3 控制器部分故障分析結(jié)果

5 結(jié)語

本文首先闡述了常規(guī)原水預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程，主要設(shè)備包括石英砂過濾器、活性炭過濾器、反洗泵組模塊、電動閥門等，指出此系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量眾多，造價高，占地面積大，日常維護(hù)檢修工作量大等缺點。然后介紹了采用多功能控制閥原水預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程，利用工業(yè)補水泵和一個電動閥門的給水對炭過濾器和砂過濾器進(jìn)行過濾、正洗和反洗，無需配置反洗泵和多個電動閥門，實現(xiàn)了智能化控制，節(jié)省原水預(yù)處理系統(tǒng)成本，減少占地面積，并降低日后維護(hù)檢修工作量。最后列舉了控制閥常見故障及解決方法，可指導(dǎo)日后對控制閥的運維檢修工作。