某换流站阀冷却系统保安过滤器滤芯失效原因分析及处理措施

彭 清 刘先文 黄 晨 张超峰 唐恒蔚 李 恒

（1.国网湖南省电力有限公司超高压变电公司 2.变电智能运检国网湖南省电力有限公司实验室）

0 引言

换流阀冷却系统是对换流阀进行冷却的重要系统[1］， 其包含阀外水冷系统和阀内水冷系统， 通过闭式冷却塔作为换热设备[2］。阀外水冷系统供水中含有多种杂质， 如悬浮物、 胶体、 有机物和无机盐等， 导致外冷水在冷却塔盘管、 喷淋嘴等处结垢， 影响阀内-外冷水的换热效率， 进而导致直流系统因阀内冷水温度超高而闭锁。为保证阀冷系统的正常运转， 则必须先去除水中的悬浮物、 胶体、 有机物等。一般采用反渗透工艺将源水中的无机盐、 重金属离子、 有机物等杂质去除， 以保证外冷水的纯度[3］。为了保证反渗透系统能够正常滤除杂质， 在反渗透系统中设计了加药环节， 此外， 为了保证反渗透系统中反渗透膜的平稳运行， 在反渗透膜前设计了保安过滤器作为保护。但在运行过程中， 由于各种外界扰动及运行工况的影响， 导致反渗透系统运行异常[4-5］。

保安过滤器是反渗透膜的保护者， 阻挡可能对膜系统造成伤害的杂质， 其中的滤芯是保安过滤器的核心[6-7］。当水质符合设计标准时， 需要保安过滤器滤芯所拦截的杂质量很小， 杂质多数是絮凝物等颗粒杂质等， 但随着进水中含有其他杂质时， 滤芯所拦截的杂质种类变得复杂， 如大颗粒等难溶性杂质， 将导致保安过滤器的滤芯失效， 滤芯更换周期缩短。在工业水处理的许多领域， 存在大量的废弃滤芯， 对环境造成了很大影响[8］。由于滤芯材质多为一次性的难降解材料， 且滤芯过滤层含有多种药剂的化学反应成分、 细菌、 盐类结垢等有害成分， 直接抛弃容易对自然环境造成严重污染， 后续处理成本非常高。因此， 研究出一种可重复使用的滤芯存在很大的研究价值[9］。

本文结合换流站实际运行案例， 通过对反渗透系统环节组成分析及故障元件剖析， 总结出导致反渗透系统保安过滤器运行异常的主要因素， 进而根据分析结果对提出了加药系统和保安过滤器滤芯治理措施。

1 关键技术

1.1 反渗透系统流程

反渗透系统作为换流站阀外水冷处理系统中的重要一环， 起着严格控制喷淋水水质， 延长闭式冷却塔盘塔使用寿命， 减小运行期间冷却塔的维护量的作用。反渗透系统包括保安过滤器、 阻垢剂添加装置、 杀菌剂添加装置、 高压泵、 反渗透装置[10］。为了使反渗透膜的进水达到要求， 阀外水冷处理系统设置原水预处理系统， 原水预处理系统包括工业补水泵、 絮凝剂、 石英砂过滤器、 活性炭过滤器。反渗透系统流程图如图1 所示。

图1 反渗透系统流程图

其中， 高压泵的作用是为反渗透本体装置提供足够的进水压力， 保证反渗透膜的正常运行。根据反渗透本身的特性， 需有一定的推动力去克服渗透压等阻力， 才能保证达到设计的产水量。当保安过滤器滤芯存在堵塞或者其他特殊情况时， 高压泵前的压力计测量数值将会低于正常值， 系统报“高压水泵进水压力低”报警。

1.2 加药系统

（1） 阻垢剂添加系统

为防止反渗透膜的结垢， 运行时在保安过滤器前投加有高效缓释阻垢剂， 阻垢剂通过延缓或抑制晶体成长来推迟沉淀的过程， 同时阻垢剂具有分散剂的作用， 可以有效防止垢质颗粒聚的凝结沉淀，从而阻止垢质在反渗透膜上的沉积， 使得系统水的回收率和脱盐率不会下降， 同时延长反渗透膜的使用寿命。换流站阀外水冷系统按照每周添加50kg的50~80mg/L 的缓释阻垢剂。

（2） 杀菌剂添加系统

冷却水供水为换流站所在位置的水库水源， 含有各种各样的微生物， 细菌， 为了避免反渗透膜的受到细菌的污染， 造成不可恢复的损坏， 需添加杀菌剂抑制原水中细菌的滋生繁衍。杀菌剂投加量约为0.5~1ppm， 实际运行时根据进水的水质变化情况进行调整。

（3） 絮凝剂

在原水中加入絮凝剂的目的是使水中处于一定程度稳定状态的溶胶微粒通过电中和脱稳而达到聚集即凝聚或未达到电中和脱稳的聚集即絮凝， 通过凝聚和絮凝， 水中的溶胶状态杂质形成较大的絮凝体， 可增强后序石英砂过滤器装置的除浊效果。站内根据供给水源水质， 要求按固定周期加入3%配比的絮凝剂。

1.3 保安过滤器原理

保安过滤器作用是截留大于5μm 的颗粒， 以防止其进入反渗透系统； 过滤器设压差表提示滤芯污垢程度， 清洗或更换， 当过滤器进出口压差大于0.07-0.1MPa 时， 提醒操作人员应当清洗或更换滤芯。

滤芯过滤原理是以滤芯上滤材为过滤介质， 利用加压使分散相与连续相分离， 筒式滤芯两端固定连接在过滤器上。滤芯在工作时所承受的压降完全由骨架承担， 滤芯整体的抗压或抗破裂强度取决于滤芯骨架的强度。某换流站的保安过滤器滤芯结构图及流向图如下图2 所示。

图2 滤芯结构示意图

图3 滤芯变形

如图所示， 工作时流体介质的流向是由滤芯外部流向内部， 滤芯内骨架承受由外向内的压降， 用于支撑滤芯、 防止滤芯被压溃， 确保滤芯能够正常平稳的运行。滤芯参数如下表1 所示。如表中数据， 保安过滤器承受0.25Mpa的压强下， 精度为100μm 拦截效率99%的滤材。

表1 保安过滤器滤芯参数

表2 水源水质分析结果

表3 新滤芯对比数据结论

当滤芯渗漏、 泄漏时， 会造成大量的含有杂质的冷却水通过滤芯， 导致反渗透膜系统污堵进而失效；在滤芯污堵时， 将导致滤芯承受大流量的水流压力，进而造成滤芯变形， 进而造成滤芯拆装困难。

2 存在问题

某换流站阀外水冷系统保安过滤器自2022年5月份进行年度检修完毕后， 双极四阀组频繁出现高压泵进水压力低报警。运维人员及厂家通过现场排查确认， 发现保安过滤器滤芯均有不同程度吸扁变形， 滤材进行检测分析， 对滤材的过滤纳污进行检测分析。

1） 滤芯变形

在进行滤芯的更换过程中， 发现运行后的部分滤芯骨架存在不同程度的吸扁变形的情况， 端盖处变形的滤芯无法拆卸， 卡在过滤器外壳中， 现场检修人员只能将整体过滤器进行更换， 严重增大了检修工作量与耗材使用量。

2） 滤芯污堵

将导致“高压泵进水压力低”报警的不良滤芯通过剖切用光学原理分析查看发现滤芯滤材存在大量颗粒污染物污堵和絮凝黏着物污堵两种情况， 如下图4 所示。对从保安过滤器滤芯上采集到的颗粒污染物进行检测， 确认其中35%的颗粒物为炭粒。

图4 光学原理分析滤材污堵情况

图5 高压泵储水压力变化曲线

图6 不锈钢骨架滤芯设计图

图7 不锈钢骨架滤芯实物图

3 问题分析

3.1 运行工况分析

通过查看运行工况记录可知， 年度检修前更换滤芯后高压泵的压差为0.02MPa， 年检后使用新一批到货的滤芯， 安装后滤芯前后端压差为0.05MPa。针对新更换滤芯导致出现的前后端压差不一致的原因， 分析得到以下几点： 产品加工工艺存在问题， 滤芯内部存在毛刺、 滤芯过滤精度不满足设计要求等质量问题， 加工工艺问题导致该批量滤芯产品质量不合格。因此， 换流站监督厂家人员对此批保安过滤器滤芯进行返厂监测， 返厂确认现场滤芯型号、 供货厂商未作变更， 此型号滤芯为供货商产品常用物料， 且未收到其他项目现场类似异常反馈。因此， 排除该原因导致的问题。

3.2 水质问题

换流站阀外水冷系统水源的包括两个部分： 工业水池水与第二路备用水源， 其中工业水池为河流水的处理水。将两路水源的水样送至检测机构进行检测，结果如下表所示。根据各项数据指标进行分析， 均未发现异常， 排除由于水质异常原因导致的滤芯污堵。

3.3 加药问题

由上述对反渗透系统的流程分析知， 为增强石英砂过滤器装置的除浊效果， 在过滤器前加入了絮凝剂， 在保安过滤器作用流程前， 定期加入缓释阻垢剂和杀菌灭藻剂。在本次排查过程中通过停止添加/添加絮凝剂均未得到改善， 同时水质检测无异常， 说明絮凝剂影响非主要因素。

3.4 反渗透系统结垢及污堵问题

2022年度检修涵盖更换砂滤罐、 炭滤罐内的石英砂和活性炭的工作内容， 严格要求反复冲洗， 直至出水无肉眼可见杂质， 判断由于年度检修更换沙滤炭滤罐过滤材质后， 由于冲洗不足够充分， 导致滤芯截取了大颗粒材质造成了污堵。

因此， 为验证滤芯颗粒污堵物为沙滤炭滤材质的分析猜测， 采取针对换流站某两个阀组的沙滤炭滤进行多次连续的反冲洗过程的措施。在经过一周的测试时间后， 监测到试验的两个阀组的高压泵压力均得到有效改善。因此， 确认污堵原因为上述分析因素。

4 处理措施

针对由于上级滤材未清理干净导致的保安过滤器堵塞， 造成耗费大量滤芯备品及保安过滤器实体备品的问题， 换流站针对滤芯骨架进行了改进并将改进实品投入现场使用。

4.1 改进措施

根据上述分析结果可知导致滤芯变形的原因为滤芯骨架设计不符合强度要求， 因此， 联合滤芯供给厂家对滤芯骨架进行设计。目前换流站阀外水冷系统广泛采用的是PP 胶一体成型滤芯组件，这种滤芯组件具有很高的过滤精度， 但当水中杂质较多时比较容易堵塞。另外PP 胶既作为过滤材质又作为支撑部件， 其机械强度不足， 在管路压力较大的工作环境下容易变形， 使用寿命较短。因此在换流站阀外水冷系统运维管理中需要频繁的对滤芯组件进行更换， 存在现场维护工作量大， 耗材成本高的问题， 同时也降低了阀水冷设备的可靠性[11］。因此， 换流站针对此问题研制了一个高强度的可拆卸滤芯。

根据现场运行工况要求， 滤芯正常运行额定压力为0.25Mpa， 而实现滤芯耐压强度的结构为滤芯的骨架， 其设计需要平衡结构强度和成本之间的问题。因此， 采用聚丙烯和不锈钢两种材质的不同厚度的材料进行对比试验， 最终采用4mm 厚度的不锈钢支撑骨架， 如下图所示， 不锈钢支撑骨架径向设置不锈钢底座和合理布置的支架， 对PP 胶过滤模块起到固定作用， 轴向通过合理布置的不锈钢条在不影响滤水流量的同时为整个滤芯组件提供牢固的支撑， 不锈钢支撑骨架设置不锈钢接头通过插接方式与保安过滤器连接固定。PP 胶过滤模块为可拆卸结构， 布置在不锈钢管支撑骨架上， 起主要过滤效果。

4.2 改进效果

将改进后新滤芯投入现场应用， 与现场另外一个新投入使用的原材质滤芯进行数据对比， 对比数据结果如下表所示：

其中， 新滤芯与原滤芯相比， 在单支滤芯使用时间和高压泵压力上表现差距较小， 因此， 可以看出新滤芯在功能上可以替代原滤芯。表中新滤芯的成本“8000/1200”中的8000 表示首次耗费的滤芯材料成本， 由于是采用的不锈钢材质， 因此， 价格会高于原滤芯造价成本， 而在之后的运行中， 新滤芯只需要更换PP 棉滤材， 滤芯成本与固废总量比原滤芯造价低得多。

此外， 现场在投入使用的三个月内， 每周进行一次加药及反冲洗工作， 现场抄录高压泵进水压力数据得到上图8 曲线， 从图中可以看出， 每次滤芯经过清洗后流量压差对比都在上升， 证明滤芯清洗恢复率在逐渐降低； 原滤芯清洗与新滤芯高压泵进水曲线差距较小， 证明新滤芯后期使用效果与原滤芯几乎无异。

图8 高压泵进水压力曲线 （滤芯投入后）

5 结束语

本文针对换流站阀外水冷系统高压泵进水压力低报警进行问题分析， 拆解滤芯发现污堵失效同时出现了吸瘪现象， 此外， 通过光学原理发现滤芯含有大量的大颗粒杂质。通过对检修前后滤芯的工况对比、 水质问题及加药情况， 结合现场实际工况和故障现象，得出了是大修期间的炭滤沙滤清洗不充分的污堵原因。

采取了多次连续的反冲洗过程措施， 监测到试验阀组的高压泵进水压力均得到了有效改善。同时研制了不锈钢骨架的滤芯， 通过投入现场应用， 验证了新滤芯的良好的运行效果及较低的运行成本。该工程案例可为相关行业的过滤器滤芯失效的处理提供经验指导。