一种换流阀内冷水加二氧化碳装置及方法与流程

本发明涉及换流阀内冷水防腐蚀结垢技术领域，特别涉及一种换流阀内冷水加二氧化碳装置及方法。

背景技术：

高压直流输电技术是现今世界上最先进最节能的输变电技术之一，也是中国重点发展的技术装备领域。其中，换流阀是直流输电系统中最核心的设备之一，通常采用空气绝缘、水冷却的户内悬吊式结构。晶闸管导通时通过大电流，产生高热量，导致晶闸管温度急剧上升，如果不对晶闸管进行有效冷却，晶闸管将被烧坏，因此，通过内冷水冷却与晶闸管紧密接触的铝合金散热器实现对晶闸管散热。为了避免换流阀内冷水主管路内外壁电压分布不均发生放电，及阀组件内金属设备与水路接触产生泄漏电流，在阀塔主内冷水管上及阀组件内的配水、汇水管上安装了铂电极，以实现主水冷管路内外壁电压均匀及释放泄漏电流，使泄漏电流从金属转移到惰性的铂电极上，避免了金属设备的腐蚀。但在实际运行过程中发现，均压电极易发生结垢现象，一般存在如下危害：一是在阀塔振动及水流扰动情况下容易导致结垢脱落堵塞内冷水管路，换流阀散热不良造成阀塔设备损坏，严重时直接经济损失将以亿元人民币计；二是电极结垢后有效放电面积缩小，导致其密封圈腐蚀漏水，引发直流闭锁，造成直流输电工程长期停运，影响跨区电力交易，经济损失将以千万元人民币计；三是均压电极结垢没有及时处理或者处理工艺控制不当，也可能造成导致结垢脱落堵塞内冷水管路，进而损坏阀塔设备。

均压电极结垢是表面现象，更深层次的原因是铝合金散热器的电解腐蚀。研究发现：首先，在水溶液中，即使二氧化碳浓度很高，对铝合金的腐蚀作用微乎其微。其次，酸性介质的加入，将会溶解均压电极表面初期沉积的铝基化合物。

为解决这一问题，研究开发一种换流阀内冷水加二氧化碳装置及方法，从而解决换流站阀冷系统中均压电极结垢及晶闸管散热器腐蚀问题，保障其稳定、安全运行，是目前急待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种换流阀内冷水加二氧化碳装置及方法，以解决上述技术问题。本发明通过自动化控制，向内冷水系统中注入二氧化碳，调节水质，实现阻垢防腐的功能，具有阻垢防腐效果优良、操作简单、自动化程度高等优点。

为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种换流阀内冷水加二氧化碳装置，包括二氧化碳存储装置、控制装置、第一压力传感器、第二压力传感器、气体质量控制器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第一电导率传感器、第二电导率传感器和止回阀；

二氧化碳存储装置通过主气体管道连接加气旁路，加气旁路连接换流阀内冷水管道；

主气体管道从二氧化碳存储装置出口至加气旁路依次设置有第一压力传感器、气体质量控制器、第一电磁阀和止回阀；加气旁路包括入水口、出水口和加气口，加气旁路的入水口和出水口均连接换流阀内冷水管道，加气旁路的加气口连接主气体管道的出口；

第二电磁阀和第一电导率传感器安装于加气旁路的加气口与出水口之间的管路上，第三电磁阀安装于加气旁路的入水口与出水口之间的换流阀内冷水管路上，第四电磁阀和第二电导率传感器安装于加气旁路的加气口与入水口之间的管路上；

第一压力传感器、第二压力传感器、气体质量控制器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第一电导率传感器、第二电导率传感器均连接控制装置。

进一步的，所述二氧化碳存储装置提供二氧化碳气源，选用储罐或钢瓶，一用一备或一用多备；所述二氧化碳存储装置的出口带有减压阀。

进一步的，所述控制装置为带触摸屏的PLC控制模块。

进一步的，当第一压力传感器、第二压力传感器、第一电导率传感器、第二电导率传感器的监测参数满足控制装置设定的加碳条件时，控制装置发出动作指令，气体质量控制器、第一电磁阀、第二电磁阀、第四电磁阀及止回阀打开，第三电磁阀关闭，开启加碳模式；二氧化碳存储装置通过加气旁路将二氧化碳气体注入换流阀内冷水管道中，提高换流阀内冷水中的二氧化碳浓度；

当第一压力传感器、第二压力传感器、第一电导率传感器、第二电导率传感器的监测参数不满足PLC控制模块设定的加碳条件时，则气体质量控制器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀及止回阀反向动作，关闭加碳模式。

进一步的，控制装置通过气体质量控制器向换流阀内冷水精确添加二氧化碳，二氧化碳溶于高纯水中，与水分子结合成碳酸，碳酸经二级电离成H⁺、HCO₃^-，H⁺中和内冷水的[Al(OH)₄]-离子及{[Al(OH)₃]_x(OH)_y}^-胶体离子生成非极性的Al(OH)₃胶体颗粒，非极性的Al(OH)₃胶体颗粒难以在电极表面沉积结垢，同时电离出的HCO₃^-在电场作用力下吸附于电极表面，电离出二氧化碳，二氧化碳溶于水重复上述过程，实现电极结垢抑制。

一种换流阀内冷水加二氧化碳方法，包括以下步骤：

首先，在控制装置中设定二氧化碳浓度目标值C0；程序启动后，开启第二电磁阀和第四电磁阀，关闭第三电磁阀，通过第一电导率传感器读取内冷水电导率值D81，计算此时内冷水中二氧化碳浓度值C81；如果C81大于设定的目标值C0，提示更换内冷水净化设备中的失效树脂；如果C81小于设定的目标值C0，开启第一电磁阀，开始输出控制信号调整气体质量控制器，进行加碳；控制装置的触摸屏显示内冷水加碳前后的电导率值D81及D82，并实时计算内冷水中二氧化碳浓度C81、C82及pH值，如果C81、C82值逐渐接近，并且C81大于或等于目标值C0，关闭第一电磁阀和气体质量控制器，停止加碳。

进一步的，当第一压力传感器参数＜第二压力传感器参数时，系统报警，提示更换二氧化碳存储装置。

进一步的，内冷水中二氧化碳浓度的计算公式为：

C＝293.27·κ-16.06 公式(1)

C为CO₂浓度，μg/L；κ为电导率，μs/cm。

进一步的，pH值计算：采用公式(2)计算，计算公式为：

κ＝(349.82*10^(-pH)+1.98*10^(-12)/10^(-pH)+(1.97936*10^(-5)*10^(-pH)+1.502676*10^(-15))*2.96697*10^(-6)/(10^(-2*pH)+4.45*10^(-7)*10^(-pH)+2.08705*10^(-17))*1000 公式(2)

进一步的，PLC控制模块及触摸屏主要通过设定的计算程序及目标值对各仪器仪表采集的数据的进行处理、储存，并反馈动作信号至各电控仪器；触摸屏提供数据输入与读取功能。

进一步的，所述PLC控制模块设置PID调节模块：内冷水加碳后电导率值反馈至PID控制气体质量控制器。

进一步的，减压阀负责二氧化碳存储装置出气口的“开/关”动作及压力控制。

进一步的，压力传感器采集二氧化碳出口压力和内冷水管道内压力参数，并将采集的压力信息反馈至PLC控制模块和触摸屏进行计算和读取。

进一步的，气体质量控制器负责二氧化碳存储装置气体流量的控制。

进一步的，电磁阀负责二氧化碳气体进入内冷水管路的“启/停”动作。

进一步的，止回阀防止内冷水流至存储装置，与电磁阀联合使用，起到双重保护作用。

进一步的，电导率传感器采集换流阀内冷水加二氧化碳前后水中的电导率参数，并将采集的电导率反馈至PLC控制模块和触摸屏进行计算和读取。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过气体质量控制器向换流阀内冷水精确添加微量二氧化碳，二氧化碳溶于高纯水中，与水分子结合成碳酸，碳酸经二级电离成H⁺、HCO₃^-，H⁺中和内冷水的[Al(OH)₄]-离子及{[Al(OH)₃]_x(OH)_y}^-胶体离子生成非极性的Al(OH)₃胶体颗粒，非极性的Al(OH)₃胶体颗粒难以在电极表面沉积结垢，同时电离出的HCO₃^-在电场作用力下吸附于电极表面，电离出二氧化碳，二氧化碳溶于水重复上述过程，最终实现电极结垢抑制。

通过自动化控制，可以在换流阀启动、正常运行、停运、检修等运行条件下监测、控制内冷水中二氧化碳的含量，调节水质，解决换流站阀冷系统中换流站阀冷系统中均压电极结垢及晶闸管散热器腐蚀问题，保障其稳定、安全运行，具有阻垢防腐效果优良，自动化程度高，精密性更高，运行安全可靠等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是PLC控制模块原理图。

其中：1、二氧化碳存储装置；2、PLC控制模块及触摸屏；3、减压阀；41、第一压力传感器；42、第二压力传感器；5、气体质量控制器；61、第一电磁阀；62、第二电磁阀；63、第三电磁阀、64、第四电磁阀；7、止回阀；81、第一电导率传感器；82、第二电导率传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

由图1、图2所示，换流阀内冷水加二氧化碳装置，包括二氧化碳存储装置1、PLC控制模块及触摸屏2、气体质量控制器5和止回阀7。

二氧化碳存储装置1，规格自选，此处标示为一用一备，也可一用多备，通过三通与主气体管道连接；主气体管道从二氧化碳存储装置出口至加气旁路依次设置有第一压力传感器41、气体质量控制器5、第一电磁阀61和止回阀7；加气旁路包括入水口、出水口和加气口，加气旁路的入水口和出水口均连接换流阀内冷水管道，加气旁路的加气口连接主气体管道的出口。

在二氧化碳存储装置出口端安装的减压阀3，进行人工开启或关闭或切换的操作；第一压力传感器41安装于减压阀之后管路上，采集二氧化碳出口压力并反馈至PLC控制模块和触摸屏2；第二压力传感器42安装于加气旁路水路中，负责采集内冷水管道内压力参数并反馈至PLC控制模块和触摸屏2；气体质量控制器5安装于第一压力传感器41之后管路上，主要通过PLC控制模块指令进行二氧化碳气体流量的控制及其参数反馈；第二电磁阀62和第一电导率传感器81安装于加气旁路的加气口与出水口之间的管路上，第三电磁阀63安装于加气旁路的入水口与出水口之间的换流阀内冷水管路上，第四电磁阀64和第二电导率传感器82安装于加气旁路的加气口与入水口之间的管路上；四个电磁阀，根据PLC控制模块指令进行“启/停”动作；止回阀7安装于第一电磁阀61后端管路上，防止内冷水倒流至存储装置；第一电导率传感器81、第二电导率传感器82安装于二氧化碳气体接入端的内冷水管路上游和下游段，采集换流阀内冷水加二氧化碳前后水中的电导率参数，并将采集的电导率反馈至PLC控制模块和触摸屏进行计算和读取；PLC控制模块主要通过设定的计算程序及目标值对各仪器仪表采集的数据的进行处理、储存，并反馈动作信号至各电控仪器，从而控制开启或关闭加碳模式。触摸屏提供数据输入与读取功能。

基于换流阀内冷水加二氧化碳装置的加碳方法，包括以下步骤：

首先，设定二氧化碳浓度目标值C0。程序启动后，开启第二电磁阀62和第四电磁阀64，关闭第三电磁阀63，通过第一电导率传感器81读取内冷水电导率值D81，经程序计算此时内冷水中二氧化碳浓度值C81。如果C81大于设定的目标值C0，提示更换内冷水净化设备中的失效树脂；如果C81小于设定的目标值C0，开启第一电磁阀61，开始输出控制信号调整气体质量控制器，进行加碳。触摸屏显示内冷水加碳后电导率值D81及D82，并实时计算内冷水中二氧化碳浓度C81、C82及pH值，如果C81、C82值逐渐接近，并且C81大于或等于目标值，关闭第一电磁阀61和气体质量控制器5，停止加碳。整个系统的逻辑图见图2。

基于换流阀内冷水加二氧化碳装置的加碳方法，具体还包括至少一种以下步骤，见图2：

气瓶选择：根据气瓶压力值选取气源，并提示更换压力低气瓶。具体当第一压力传感器41参数＜第二压力传感器42参数时，系统报警，提示更换低压气瓶即二氧化碳存储装置；

旁路控制：根据检测装置反馈参数和设定的加碳许可条件，决定开启或关闭加碳旁路。具体为当检测装置如压力传感器、电导率传感器的监测参数满足PLC控制模块设定的加碳条件时，PLC控制模块发出动作指令，气体质量控制器5、第一电磁阀61、第二电磁阀62、第四电磁阀64及止回阀7打开、第三电磁阀63关闭，开启加碳模式；当监测参数不满足PLC控制模块设定的加碳条件时，则相关电控仪器反向动作，关闭加碳模式；

加碳超限紧急闭锁：根据内冷水碳值超限、流量降低、压力降低等紧急关闭加碳系统；

碳值计算：根据公式(1)计算。

碳值计算：C＝293.27·κ-16.06 公式(1)

C为CO₂浓度(μg/L)；κ为电导率(μs/cm)，不作温度补偿。

碳含量调节：内冷水加碳后电导率值反馈至PLC反向计算二氧化碳含量，并与设定值比较，输出控制信号调制气体质量控制器。

pH值计算：计算方法按公式2进行。

pH值计算：采用公式(2)计算，计算公式为：

κ＝(349.82*10^(-pH)+1.98*10^(-12)/10^(-pH)+(1.97936*10^(-5)*10^(-pH)+1.502676*10^(-15))*2.96697*10^(-6)/(10^(-2*pH)+4.45*10^(-7)*10^(-pH)+2.08705*10^(-17)) *1000 公式(2)

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。