王翔宇1、张朝辉2、徐晟3、梁秉岗 、王晨涛
中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 广东广州 510000
引言
冷却塔属于直流输电换流阀外冷却系统的核心设备，起到了为内冷水降温的作用。外冷水通过冷却塔的喷淋口喷淋在冷却塔的盘管上，从而为流经盘管的内冷水降温。由于外冷水的水质问题，冷却塔在长期运行的过程中，被外冷水喷淋的冷却塔盘管便会结垢。盘管结垢会产生降低冷却塔的散热能力等危害，而且目前对冷却塔盘管的除垢方式仍存在较多的问题，因此设计了一种自带盘管酸洗装置的闭式冷却塔。
1、背景概述
1.1 冷却塔介绍
目前国内换流阀外冷却系统有两种冷却方式：水冷和风冷。换流阀外冷却系统根据所处运行环境温度的不同分为水冷和风冷两种方式。风冷方式适用于寒冷地区，使用空气冷却器通过风机驱动室外大气冲刷换热盘管外表面，使换热盘管内的阀内冷水得以冷却，降温后的阀内冷水再送至换流阀。水冷方式使用的是闭式冷却塔，阀内冷却液在闭式冷却塔的盘管内循环经过，喷淋水池中的外冷却水通过喷淋泵喷淋在换热盘管表面，冷却液的热量经过盘管散入经过盘管的外冷却水中。同时机组外的空气从侧面鼓风进入，与水的流动方向相反，向上流经盘管。一部分的水蒸发吸走热量，热湿空气从冷却塔顶部排出到大气中。其余的水落入底部水盘，汇集到地下循环水池，由喷淋水泵送至喷淋水分配管道系统进行喷淋[1]。
1.2 冷却塔盘管结垢原因
由于外冷却水的循环环境会与外界接触，外冷却水的水质较差，富含较多的Ca2+，Mg2+，Fe2+等，所以在对冷却塔盘管长期的喷淋过程中，极易使冷却塔的盘管发生结垢的问题[2]。闭式冷却塔若盘管处存在结垢问题，会导致内冷水与外冷水的热传递效率降低，结垢严重的话，外冷水将无法有效地对内冷水进行降温，内冷水温度过高将无法对换流阀设备散热，从而直接导致直流闭锁。
2、冷却塔缺陷分析
以穗东换流站和从西换流站为例，这两个站点均为采用闭式冷却塔的典型换流站，且冷却塔缺陷较多，具有分析价值。近两年来，穗东换流站共计21条冷却塔缺陷，其中7条为皮带松动磨损缺陷，7条为冷却塔电机缺陷，5条为加热器及二次回路故障，1条为冷却塔风扇故障，1条为冷却塔底部漏水。从西换流站站共24条冷却塔缺陷，其中4条冷却塔本体漏水，7条皮带缺陷，6条冷却塔风机缺陷，1条为误报缺陷。
在两个站点的缺陷中，冷却塔本体缺陷多为皮带松动以及本体漏水缺陷。这两种缺陷偏多的原因与冷却塔的日常运维方式有关，尤其是冷却塔盘管除垢这一最为重要的运维工作。
3、现有的运维除垢方法
3.1 物理式除垢法
物理式除垢是目前普遍采用的除垢方法，在每年的直流停电检修的窗口期，采用硬物撞击的办法进行物理除垢，使用到的工器具主要有1.5米长的铜棒和高压水枪，对冷却塔盘管进行除垢的整体流程为：
1）首先将冷却塔停运，并将其空气开关断开；
2）关闭冷却塔底部的阀门，防止垢掉落进入喷淋水池；
3）用铜棒对盘管上的垢进行敲击，同时配合高压水枪冲洗敲击处，使垢脱落；
4）对盘管清洗完成后，清理冷却塔内部。
目前该物理除垢方法主要存在以下问题：
1）以硬物撞击的方法进行物理除垢，并不能做到完全除垢，盘管的死角部分无法除垢；
2）利用铜棒敲击盘管，容易对盘管造成物理损害；
3）利用铜棒敲击盘管，容易在盘管上留下划痕和铜原子，那么在以后的运转中，盘管极易发生腐蚀；
4）人工敲击除垢，除垢后还需要对敲击下来的垢质进行清理，防止其掉落进入喷淋水池，工艺繁琐且消耗大量人力。
3.2 酸洗除垢法
第二种除垢的方法是对盘管进行酸洗，整体流程为：
1）对冷却塔内的盘管进行拆卸，并运送至专业的具备酸洗设备的机构或者公司；
2）向酸洗装置内加入酸洗的溶液，酸洗装置的容积约为10m×8m×1.5m；
3）利用吊机将冷却塔的盘管放入酸洗装置，浸入溶液中，酸洗装置一次可以洗一组的冷却塔盘管（三台）；
4）启动酸洗装置，盘管上的垢质逐渐分解掉落；
5）关闭酸洗装置，利用吊机将盘管在酸洗装置中取出；
6）利用纯水对盘管进行清洗后，即可运送回换流站并装回冷却塔。
目前该酸洗除垢方法主要存在以下问题：
1）盘管拆卸、运输过程中易出现损伤，特别是反复拆装盘管接口处可能会出现漏水现象；
2）成本极高，极大的增加运维费用；
3）需要利用吊机来吊动盘管，而且每一次酸洗后还需要人工清洗酸洗装置内的垢质，工序非常复杂。
4、新型冷却塔
4.1 设计思路
自带盘管酸洗除垢装置的闭式冷却塔对传统的闭式冷却塔进行了改进，在传统的闭式冷却塔的喷淋水入口的上方增加了一根进水管，外接一个单向阀，流动方向为外界流入冷却塔腔体；将冷却塔底部改为了漏斗型设计；将冷却塔底部的单阀改为三通阀。冷却塔盘管、进出水联箱及相应阀门采用304L 不锈钢制造；集水箱及部分管道系统采用304L 不锈钢制造；壁板采用优质亚光不锈钢板制作，壁板与框架结构的连接采用不锈钢螺栓连接；闭式冷却塔酸液的入口，垂直于冷却塔壁，设计在喷淋水的进水口的正上方，酸液会通过填料的分流后喷洒在盘管上，从而实现除垢的目的，而且酸液的喷淋入口和喷淋水的入口相近，控制好泵体的功率，两者流过的路径也会相近，能够高效地除垢；闭式冷却塔底部选用三通阀，实现对喷淋回路和酸洗回路的切换，从而实现酸洗时酸洗溶剂的回收，使得酸洗可以在冷却塔内完成；闭式冷却塔底部漏斗型设计。冷却塔的底部设计为漏斗型，三通阀安装在漏斗的尖尖上，在酸洗的过程中，盘管上脱落的垢质就会随着酸洗溶液在三通阀流走，从而不会造成垢质在冷却塔内的堆积。冷却塔的酸洗回路由冷却塔和外置的水泵、药箱、过滤器和抽水泵组成，水泵在药箱的底部，将酸洗溶液通过管道送至闭式冷却塔的加药口，酸洗溶液经过填料的分流，喷淋在盘管上之后便回流至冷却塔底部，外置的一台抽水泵将酸洗溶液抽出，同时经过过滤器，最后从药箱的顶部流回药箱内。
4.2 使用流程
自带盘管酸洗除垢装置的闭式冷却塔的整体使用流程为：
1)自带盘管酸洗除垢装置的闭式冷却塔有两个功能，功能一：对内冷水进行冷却；功能二：酸洗除垢；
2)该新型闭式冷却塔在实现功能一时，与传统的闭式冷却塔完全相同，只需要打开其直流电源回路中的空开即可；
3)该新型闭式冷却塔在实现功能二时，需要1人将水泵出水管的接头金具接在冷却塔酸液入口的单向阀上，将抽水泵的入水管的接头金具接在冷却塔底部三通阀的酸洗接口；
4)关闭冷却塔底部三通阀的喷淋水回路接口，打开三通阀的酸洗接口；打开酸洗入口的单向阀；
5)利用380V工频电压为水泵和抽水泵供电；先启动水泵，后再启动抽水泵；
6)对冷却塔盘管进行自动酸洗，带盘管上的垢质逐渐脱落后，即可关闭水泵和抽水泵；
7)将三通阀酸洗接口关闭，打开三通阀喷淋水回路接口；
8)完成盘管的酸洗除垢。
5、总结
相比传统闭式冷却塔，自带盘管酸洗除垢装置的闭式冷却塔存在以下优点：
1)自带盘管酸洗除垢装置的闭式冷却塔其酸洗溶液入口靠近喷淋水入口，酸洗和喷淋两种状态下液体路径相似，能够提高除垢效率；
2)自带盘管酸洗除垢装置的闭式冷却塔的酸洗溶液过滤循环设计，提高了酸洗溶液的利用率，减少了对酸洗溶液的消耗，同时酸液的充分消耗，也对其后续的处理减轻了难度；
3)自带盘管酸洗除垢装置的闭式冷却塔可以在冷却塔本体内实现除垢，相对比传统的硬物撞击的物理除垢方式，消除了由于硬物撞击导致盘管受损的安全隐患，对直流系统的安稳运行提供了保障；
4)自带盘管酸洗除垢装置的闭式冷却塔相对比现有的酸洗方式，节省了盘管运输的费用，人工拆卸、安装的费用，酸洗溶液利用率的提升也降低了溶液的费用，从而极大降低了除垢的成本；
5)减少人力，极大缩减工作时间。此前采用硬物撞击的物理除垢方式，每台冷却塔盘管需要2-3人同时开展工作，对全站的冷却塔除垢少则需要十天的时间。利用自带盘管酸洗除垢装置的闭式冷却塔，只需要将药箱同冷却塔相连，即可实现自动酸洗除垢，极大节省人力。
6）自带盘管酸洗除垢装置的闭式冷却塔是对传统的盘管除垢方法的极大提升，也大大提高了换流站的日常运维水平和运维质量。
参考文献
[1]换流阀冷却系统设计手册.广州高澜节能技术股份有限公司.2010.05
[2]换流阀外冷却系统冷却塔换热盘管结垢试验的研究.《电力科学与工程》.2019.11，刘重强、文玉良、吴安兵、李志道.