一起外水冷故障引起阀组闭锁的事件分析

张天华 徐 澳 李 恒 彭 清 唐恒蔚 王应坤

（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

高压直流输电 （HⅤDC） 技术因具有传输容量大、传输距离远、 可跨区域输送电能等优势， 成为输送电能的重要手段。换流站作为直流输电工程的一个枢纽点， 其安全稳定运行保证了整条线路的正常运作和电网供电的稳定性与可靠性[1-2］。

阀水冷系统是换流站的重要组成部分。包括内水冷系统和外水冷系统两部分， 主要承担换流阀散热的功能， 内冷水的流量、 液位、 压力、 温度等关键参数异常均会导致阀组闭锁， 外水冷系统主要用于冷却换流阀中内冷却循环水， 阀水冷系统工作可靠性、 冷却效果直接关系换流阀能否稳定运行[3］。

为此， 文中详细叙述了外水冷系统典型配置方案， 分析了一起因外水冷故障而引起的阀组闭锁事件， 对于提高对外水冷系统的重视程度， 确保水冷系统可靠行提升直流可用率具有重大意义。

1 阀外水冷系统典型配置

特高压直流输电工程共四个阀厅， 每个阀厅配置一套独立的阀冷系统设备。一套完整的阀冷设备包括： 一套阀内冷系统 （包括主循环设备和水处理设备） 、 一套阀外冷系统 （包括闭式冷却塔、 喷淋泵组、外冷水处理系统） 、 一套内外冷系统电源和控制系统、 工业水泵组以及整个设备的管道及备品备件。图1为换流站阀外水冷系统典型配置原理图[4-5］。

图1 换流站阀外水冷系统典型配置原理图

1.1 闭式冷却塔

闭式冷却塔采用诱导式设计， 引风式垂直排风、气水逆向流动的结构方式， 系统进风为侧面进风， 风机置于机组侧面， 固定在塔体构架上， 全封闭的风机电机安装在位于通风机箱体内的重载型电动机座上，电动机座有一独特的锁紧机构， 可以用来调整皮带松紧。如图2所示。

图2 闭式冷却塔模型图

闭式冷却塔主要包括密闭式冷却塔体壁板、 换热盘管、 热交换层、 密闭冷却塔风机及电机、 进风导叶板、 水分配系统、 挡水板、 集水箱、 检修门及检修通道等。相同规格冷却塔的备品备件及专用工具具有通用性和互换性， 冷却塔及附件发运到现场后， 一切与冷却水有接触的管道及部件的现场组装采用法兰等形式完成， 以保证设备及管道内部的干净， 确保冷却水不受到污染。

一般情况下， 3 组冷却塔均可投入运行， 如某台冷却塔发生故障退出运行， 则另两组冷却塔将提高其冷却风机的转速以确保冷却效果， 满足在不关闭阀门的情况下与另外两台冷却塔混合的进阀温度低于报警温度。

1.2 喷淋泵及其喷淋总管道

喷淋泵采用卧式离心结构， 尺寸符合相关标准，具有工作范围广、 结构稳固、 高负载、 多种电机选配等特点， 安装于阀冷设备间内。每台冷却塔配置2×100%容量的喷淋水泵， 所有喷淋水泵共用一根进水母管， 每台喷淋水泵进口均设置蝶阀， 出口设置止回阀和蝶阀、 压力传感器， 水泵与管道采用金属软连接。喷淋管道最低点设置泄空阀便于将管道内的水排空，防止冬季停运且室外气温较低时喷淋管道水结冰。水泵的轴封采用优质机械密封， 电机采用防潮密闭型电机。如图3所示。

图3 喷淋泵及其喷淋总管道模型图

1.3 外冷水处理系统

为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， 外冷水处理系统采用自来水预处理系统和反渗透装置相结合的方式设计。自来水预处理系统主要由石英砂过滤器、 活性炭过滤器、 反渗透装置、 管道、 阀门、 仪表及其它附属设备等组成。反渗透装置包括保安过滤器、 阻垢剂添加装置、 杀菌剂添加装置、 高 压泵、 反渗透装置、反渗透化学清洗装置。其主要流程为： 喷淋水补充水→石英砂过滤器→活性炭过滤器→ 反渗透过滤装置→喷淋水池。如图4所示[6-9］。

图4 反渗透模型图

2 外水冷故障引起阀组闭锁事件分析

2.1 事件简述

某日， 某换流站极2 低端阀组内冷水系统进阀温度高保护动作， 闭锁极2 低端阀组， 功率转带成功，故障未导致功率损失。故障前直流系统双极四阀组全压运行， 输送功率5760MW， 故障后极2 低端阀组闭锁， 功率转带至其余3 阀组， 每个阀组功率1920MW 过负荷运行， 运行人员按调度令将直流功率降至4320MW。

2.2 事件记录

正常运行时， 运行人员仅监视运行人员工作站 （OWS） 信 息， 本 次 故 障 中， 工 程 师 工 作 站（EWS） 与运行人员工作站 （OWS） 主要事件记录如表5 所示：

工程师工作站 （EWS） 事件记录清楚地反映了故障的发展过程： 1. 软化水单元故障、 原水系统停运导致平衡水池水位低报警； 2. 喷淋泵反复故障、复归； 3. 进阀温度、 冷却塔出水温度达到报警值，阀冷控制A 系统退出运行， B 系统变为主用； 4. 阀冷控制B 系统进阀温度超高闭锁极2 低端阀组。

相比之下， 运行人员工作站（OWS） 丢失了软化水单元故障、 原水系统停运、 平衡水池水位低、喷淋泵故障、 进阀温度高报警、 进阀温度超高跳闸等几十条重要信息， 导致现场运行人员无法及时掌握极2 低端阀组外水冷系统实际运行状况。

2.3 外冷水系统故障检查情况

现场检查极2 低端外水冷系统PLC 控制器装置面板， 发现存在电磁阀K11 故障信号， 见图6。

该站外水冷水处理系统流程简述为： 来自工业水池的原水经电磁阀K11 进入软化单元， 降低钙镁离子含量； 再经过滤器进入反渗透单元， 去除杂质； 最后经三通阀进入平衡水池， 供冷却塔喷淋使用。

电磁阀K11 是外水冷水处理回路的总进水阀门。若K11 关闭则外水冷水处理系统将失去水源，无法正常工作。无论是平衡水池的自动补水、 手动补水、 盐池的自动补水、 手动补水以及去离子罐的反冲洗、 再生过程， 都需要开启电磁阀K11 供水。

当平衡水池水位低于48%（即960mm） 时， 外水冷PLC 控制器发出打开K11 命令， 启动补水。但如果K11 打开过程中动作不到位， 或者阀门触点接触不好， 外水冷PLC 控制系统就会发“E5. 电磁阀K11 故障”报警， 并关闭电磁阀K11、 停止工业水泵， 报出“原水系统报警、 原水系统关闭、 软化单元故障”等报警。在这种情况下， 需运行人员现场手动复位外水冷PLC 控制器相应报警， 外水冷PLC 控制系统才能发出打开电磁阀K11 启动补水的命令。

9 月10 日9 时38 分， 极2 低 端 外 水 冷 补 水 程 序启动， 电磁阀K11 打开， 同时工业水系统补水泵启动补水。在补水过程中电磁阀K11 工作正常。约3小时后， 即12 时28 分， 工程师工作站报出“原水系统报警、 原水系统关闭、 软化单元故障”等报警， 说明该时刻补水完毕（水位达到63.5%时）， 外水冷PLC 控制系统试图关闭电磁阀K11 及工业水泵， 但K11 关闭不到位。由于后台丢失“原水系统报警、 原水系统关闭、 软化单元故障”等重要报警事件， 现场运行人员无法及时发现该故障并处理， 造成平衡水池水位持续下降。

9 月11 日4 时32 分， 运行人员手动复归外水冷界面上K11 报警， 补水系统自动启动， K11 打开正常， 自动补水至8 时14 分。为了验证K11 功能正常， 8 时16 分现场手动停止自动补水程序， 并再次启动， 8 时26 分补水程序自动正常停止。

2.4 故障原因分析

查看该站运行人员工作站极2 低端阀冷系统冷却塔出水温度历史曲线 （图7） 可知， 11 日4 点5 分左右， 该站外水冷系统冷却塔出水温度由39℃开始急速上升， 4 点15 分达到最高值51℃左右， 与极2低端阀组闭锁时间相符。 （运行人员工作站历史曲线的采样周期为5min） 。

图7 极2低端冷却塔出水温度历史曲线

查看极2低端内冷水进阀温度历史曲线 （图8） 可知， 11 日4 点5 分左右， 内冷水进阀温度由39℃急速上升， 4 点15 分达到最高值， 与冷却塔出水温度变化趋势一致。

图8 极2低端内冷水进阀温度历史曲线

查看极2 低端外水冷平衡水池液位历史曲线 （图9） 可知， 11 日4 点5 分左右， 外水冷平衡水池液位下降至12% （约240mm） 。

图9 极2低端平衡水池液位历史曲线

综合事件记录和历史曲线信息， 判断该站极2 低端阀组闭锁原因为外水冷PLC 控制器检测到平衡水池液位过低 （20%， 400mm）， 停运冷却塔全部4 台喷淋泵， 水冷系统失去冷却能力， 导致内冷水进阀温度超高， 闭锁直流。该站内冷水系统进阀温度保护逻辑为， 内水冷进阀温度达到跳闸定值， 延时10 秒闭锁直流， 保护定值单如表1所示。

表5 主要事件记录

故障时刻， 该站室外环境温度为24℃左右， 同时由于冷却塔4 台喷淋泵均停运， 水冷系统无备用冷却容量， 进阀温度超高跳闸的定值选择为50.3℃。内冷水进阀温度达到跳闸定值， 保护动作正确。

2.5 总结及建议

该站极2 低端阀组闭锁原因为： 外水冷系统水处理回路进水阀门K11 在补水完毕后未正常关闭， 水冷PLC 控制器停运原水系统和软化单元， 平衡水池不能正常补水。同时由于运行人员工作站未能正常报出外水冷系统水处理回路相关重要事件， 导致运行人员不能发现外水冷平衡水池液位低而及时处理， 造成内水冷系统进阀温度高保护动作跳闸。针对本次故障中暴露出的问题， 建议在运行人员工作站增加外水冷平衡水池水位低告警事件。当平衡水池液位低于30%， 产生严重告警， 提醒运行人员及时采取相应措施[10］。

3 结束语

水冷系统作为换流站的重要组成部分， 其性能直接决定换流站安全稳定运行， 本文对阀外水冷系统进行了主要介绍， 详细分析了一起由于外水冷系统水处理回路进水阀门故障导致平衡水池不能正常补水， 平衡水池液位过低引发喷淋泵全部停运， 水冷系统失去其冷却能力， 进而导致内冷水进阀温度超高闭锁直流的事件， 分析其故障原因， 并建议运维人员、 检修人员、 设备厂家展开各类隐患排查工作， 充分提高对外水冷系统的重视程度， 提高巡视质量， 确保水冷系统可靠运行。