换流站阀水冷系统氮气压力安全稳定性分析

蒋久松，黄岳奎，高超，刘国云

(国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410004)

1 问题的提出

在鹅城换流站全封闭式阀水冷系统中，由氮气加压回路维持系统压力，其回路如图1所示。工业用标准瓶装氮气压力与膨胀罐内设计压力250 kPa差别大，故在氮气加压回路中串连减压阀T1、压力调节单元T2，得到所需的气体压力。

图1 氮气加压回路示意图

在氮气瓶出口减压阀故障等条件下，可能会导致膨胀罐内气体压力发生突变，将影响水回路流量、膨胀罐水位等重要参数。文章对是否存在保护误动的隐患和对直流输电系统的安全稳定运行的影响进行分析。

2 氮气压力对系统运行的影响

2.1 氮气加压和泄压回路

氮气瓶出来的气体经过压力调节单元T2和减压阀T1，再经过逆止阀V37，到达膨胀罐。

2.2 水位、泄漏量与管道流量的关系

氮气加压回路流入和流出的水量在正常时基本保持动态平衡，流入的流量即为图1中BF3流量计的流量。当流出水量大于流入水量时，膨胀罐内水位就会出现下降，两者的流量差，就可以直接反映膨胀罐内的水位变化。根据实际读数5.6，表计倍数为20，计算鹅城换流站现场BF3流量计算为5.6×20/60=1.86(L/s)，因此求出除氧系统出口的水流量，可得出水位的变化速率。

2.3 水的体积的弹性变化分析

按照力学原理，常温水的体积弹性模量为K=2 190 MPa，压缩系数k=1/K=(1/2190)(1/MPa)。1 L的水在膨胀罐内0.25 MPa压力下，体积的压缩量为:1×0.25×(1/2190)=(1/8760)(L)。

整个水系统中包含20 000 L去离子水，考虑调压器2故障时压力突然增大至1 MPa，即可计算出压力值从正常的0.25 MPa突然变为1 MPa时，体积变化量为20000×0.75×(1/2190)=6.849(L)。此时，考虑对泄漏量的影响，鹅城换流站突变量泄漏定值约4.28 L/s，且需要持续25 s(时间定值)动作，从理论上讲，在6.849 L的体积变化量下，持续25 s，保护会动作;而实际上，在压力增大时，安全阀、释放阀会立即动作，压力会快速降低，不致引起保护动作。考虑对水位的影响，即使出现内部过压，按照体积变化量折算来看，引起的水位变化较小，而水位保护定值为低于10%动作，故该影响尚不致导致保护动作。

3 各阀门特性及故障分析

3.1 各类阀门特性分析

3.1.1 压力调节单元

工作原理及特性:在整个除氧回路中，氮气瓶中的高压氮气要释放到膨胀罐中，首先经过压力调节单元T2。通过自身的减压阀将输入的气体压力降低，满足所需的输出气压。当装置内压力过大时，顶部的安全阀将动作。正常运行时，充满气体的氮气瓶最高压力为13 MPa，即为最大输入压力，输出压力稳定在1.8 MPa附近。

3.1.2 减压阀

内水冷系统除氧回路中，在压力调节单元T2低压出口处装有1个减压阀T 1，设计有双级气体调压器，相当于使用了2个串联，可根据现场需要灵活进行组合，满足不同的管道连接方式。

其中，调压器1最大进气压力 (P1max)为25 MPa，最大输出压力 (P2max)为1 MPa，正常输出的氮气气流为15 m3/h。;调压器2最大进气压力(P1max)为2 MPa，可调节的输出气压 (P2max)为0.01～0.3 MPa，正常输出的氮气气流为2.5 m3/h。在调压器1的本体位置还连接有1个安全阀，压力自行上升并超过1.6 MPa时该安全阀会自动打开排气。减压阀T1压损为0.07 MPa，即当现场减压阀T1出口显示为0.3 MPa时，膨胀罐内气体压力实际约为0.23 MPa。

3.1.3 安全阀

在膨胀罐顶部进气管道处安装1个安全阀V25。当系统内部压力超过阀门动作定值时，阀门将迅速打开以释放多余的气体。鹅城换流站该阀门设定动作值为0.26 MPa，根据厂家提供的压力释放特性曲线，当膨胀罐内部出现气体过压时，随着内部压力的增加，气流释放的速率也将迅速增大。当内部压力为0.45 MPa时，气体释放速率将达到10 L/s，随着气体释放速率的快速增大，压力变化将逐渐趋于恒定。

3.1.4 释放阀

释放阀F1安装于膨胀罐顶部，动作压力为0.35 MPa。工作正常时，它通过弹簧提供密封力保证设备正常运行;当罐内压力超过0.35 MPa时释放阀自动开启，系统压力下降;当气体压力降低到某一定值时，释放阀在弹簧力的作用下回弹并自动关闭。该阀门主要为防止安全阀V25故障时容器内部过压无法释放，作为V25的后备保护，在压力大于0.35 MPa时辅助泄压。

3.1.5 自动排气阀

该自动排气阀安装于排气罐C1顶部，通过内部浮球控制阀门的开关。正常运行时除气罐内充满水，通过水的浮力托起浮球，将泄压口关闭，如管道内出现气体，自动排气阀将自动打开排气。

3.2 减压阀故障及泄压情况分析

氮气加压和泄压回路如图2所示。各级调压单元均配置有泄压通道，确保不会因过压导致阀门故障或过压爆炸。针对减压回路的3个最重要的组成部分调压器分别进行如下分析:

图2 气体加压及泄压回路示意图

1)压力调节单元T2故障分析

在减压回路中，压力调节单元T2自身减压阀和减压阀T1的调压器1工作压力接近，二者仅有1个正常工作都可以保证输出1～1.5 MPa的压力。因此，T2调压单元故障时T1的调压器1不会承受高压，满足运行要求。

2)T1的调压器1故障分析

由上述类似分析，调压器1故障时，调压器2最大承受的电压实际约为1.8 MPa(经调压器 T2输入减压阀T1的压力，参照正常运行时的现场读数)，而其最大进气压力容许为2 MPa，仍满足运行要求。

3)T1的调压器2故障分析

若调压器2故障，经过调压器1，压力调节单元T2减压后，可能输出1 MPa左右的气压至膨胀罐，此时安全阀V25和释放阀F1都将打开。结合安全阀V25的动作曲线，基本确定膨胀罐内气体压力0.4 MPa以内，与正常值0.25 MPa相比升高不大，不会对系统造成大的危害。

4 运行维护措施

4.1 运行监视

1)若膨胀罐内部压力高于0.32 MPa或低于0.15 MPa，监视后台将报警，需迅速现场检查。

2)抄录膨胀罐内压力的读数，对相关设备进行在线监视。

3)监视整个回路运行情况，抄录各级减压阀相关压力表计读数。如发现压力下降较快，则需分析处理。

4)一旦减压阀故障情况较为严重，内部过压必然通过安全阀释放，此时释放高压气体的故障现象较为明显，较容易发现。

4.2 故障减压阀的更换措施探讨

1)减压阀T1或压力调节单元T2的更换

由于氮气加压回路中设计有逆止阀V37(如图1)，对减压阀T1或压力调节单元T2进行更换并不会导致膨胀罐内部失压。但考虑到逆止阀的密封效果，以及回路的安全可靠性，为了将膨胀罐气体与外界、与氮气加压回路完全隔离，建议在回路中V37前增加1个手动阀门，可以更为可靠地实现对T1或T2的在线更换。

2)安全阀V25或释放阀F1的更换

安全阀V25或释放阀F1安装在同一连通管道回路上，其中之一故障时，另一个阀门尚能起到安全释放作用。目前系统中，上述2个阀门前端均无手动阀门 (参见图1)，当其中之一故障时，无法在线更换，否则氮气罐顶部气压无法保持。为了保证系统可靠运行，建议在安全阀V25、释放阀F1前端分别增加1个手动阀门。

5 结束语

经过上述理论分析，鹅城换流站阀水冷系统中，减压阀T1和压力调节单元T2故障，导致压力变化时，各相关泄压阀门、安全阀的动作配合可靠，不会导致阀水冷系统相关保护误动，不会因过压损坏相关设备。

〔1〕赵畹君.高压直流输电工程技术〔M〕.北京:中国电力出版社，2004.

〔2〕李兴源.高压直流输电系统的运行和控制〔M〕.北京，科学出版社，1998.