阀内冷膨胀罐氮气循环利用系统的设计及应用.pdf

宁夏电力 年第 期 基金项目:国网宁夏电力有限公司科学技术项目()阀内冷膨胀罐氮气循环利用系统的设计及应用李昊刘钊李剑芳(.国网宁夏电力有限公司超高压公司宁夏 银川.广州高澜节能技术股份有限公司广东 广州)摘 要:阀冷却系统作为换流站内核心设备其安全稳定运行直接关系到直流系统的运行状况 为解决阀冷却系统膨胀罐稳压氮气消耗过大无法循环利用的问题通过氮气稳压系统理论模型计算得出膨胀罐温度 压力变化曲线设计了一套阀内冷膨胀罐氮气循环利用系统及对应的控制策略经过现场试验论证设计的循环利用系统能够有效解决阀冷却系统氮气消耗问题实现阀冷却系统的持续稳压保障直流系统的安全稳定运行关键词:膨胀罐阀冷却系统氮气循环利用系统中图分类号:.文献标志码:文章编号:()有效访问地址:/././.(.):().:./.宁夏电力 年第 期 引 言阀冷却系统是换流站的直流核心设备之一用于对换流阀元器件进行持续冷却确保换流阀运行温度稳定避免温度过热引起设备损坏造成直流系统停运 阀冷却系统中的膨胀罐置于阀冷系统水处理回路主泵入口处膨胀罐可缓冲水冷系统因温度变化而产生的体积变化保持膨胀罐压力的系统为氮气回路系统氮气回路由氮气瓶、减压阀、电接点压力、电磁阀、氮气管路等组成由可编程控制器()控制实现氮气的自动补气保持系统管路的压力恒定从而缓冲冷却水因温度变化而产生的体积变化正常运行条件下膨胀罐的氮气压力维持在一个合理的范围内 但当外部环境温度过高时膨胀罐里氮气的压力过大此时需将多余的氮气释放出来等外界温度回归正常膨胀罐的氮气压力会不足就会触发氮气瓶进行补气 氮气回路如此就会随着环境温度变化而损失部分氮气若氮气瓶压力不足则会导致膨胀罐压力无法维持后果严重时将会导致直流闭锁为了解决阀冷系统氮气损失导致氮气压力不足的问题本文设计一套膨胀罐氮气回收利用装置将溢出的氮气回收利用从而达到氮气节省循环使用的目的 氮气稳压系统理论模型计算.膨胀罐压力变化理论计算根据宁夏某项目阀内冷系统参数可知:系统总水容量约为 膨胀罐外径为 横截面积为.直段长度为 膨胀罐容积为 阀内冷系统最低运行温度 最大出阀温度 根据水的物理特性可知水在 呈现热胀冷缩的规律即在此温度期间水体积随着水温的升高而不断膨胀为了计算简便统一取值水的膨胀系数为.根据上述参数阀内冷系统在最低运行温度(可视为最低液位)和最大出阀温度 (可视为最高液位)间则阀内冷系统总水量的膨胀容积计算公式为 总()式中:为总水量膨胀容积 为阀内冷系统出阀温度最大温差值 为水的膨胀系数总为阀冷系统总水量根据公式()可得出 温度变化区间阀内冷系统总水量的膨胀容积 ().()设阀内冷却水膨胀的基点为 膨胀罐内液位 膨胀罐内氮气压力为.则根据公式()可得出 温度变化区间阀内冷系统总水量的膨胀容积 ().()即阀内冷系统总水量容积缩小了.膨胀罐液位下降了 膨胀罐液位显示为 假设氮气不补气可 得出 时膨胀 罐 内 的 压 力 下 降 了.膨胀罐内的压力为.同理可计算 温度变化区间阀内冷系统总水量的膨胀容积 ().()即阀内冷系统总水量容积膨胀了.则膨胀罐液位上升了 膨胀罐液位显示为 假设氮气不排气可得出 时膨胀罐内的压力上升了.膨胀罐内的压力为.膨胀罐水温 氮气压力变化曲线计算根据公式()可计算得出 阀内冷系统去离子水体积及膨胀罐内氮气压力随水温变化数值如表 所示通过对数据进行分析在 期间氮气压力与水温呈现线性变化 回归方程如下其中回归精度指标.:.()式中:为反应压力变化值 为反应温度变化值该阶段氮气压力变化较缓慢对阀冷系统的运行压力冲击较小李 昊等:阀内冷膨胀罐氮气循环利用系统的设计及应用表 膨胀罐水温 氮气压力变化曲线水温/体积变化/液体状态膨胀罐内氮气压力/.收缩.收缩.收缩.收缩.收缩.不变.膨胀.膨胀.膨胀.膨胀.膨胀.依据表 的数据绘制出氮气压力随水温变化曲线如图 所示图 膨胀罐温度 压力变化曲线在 期间氮气压力与水温呈现指数变化其中回归精度指标.方程如式().()该阶段氮气压力变化较大对阀冷系统的运行压力造成较严重的冲击因此需要在高温段及时释放氮气待温度回归正常后同样也需要及时向阀冷系统补充氮气以此缓冲稳定阀冷系统的运行压力 膨胀罐氮气循环利用系统的设计膨胀罐氮气回收利用装置采用变压吸附()制氮技术将膨胀罐释放的氮气作为气源的一部分再通过 变压吸附制氮处理制取成.高纯度氮气本装置具有氮气回收利用及高纯度氮气制备的双重功能.膨胀罐氮气循环利用系统工艺流程设计膨胀罐氮气回收利用装置由空压机、空气过滤系统、制氮机、氮气储罐、减压阀、电磁阀、手动关闭阀、压力变送器、氮气纯度监测仪、点型氧气探测器、氮气质量流量计、控制器、管道等组成在膨胀罐氮气排气电磁阀上引管道至空压机进气口处将膨胀罐释放的氮气作为空压机进气的一部分 原氮气瓶管路上的压力表增设一条氮气补气支路将制取的高纯度氮气减压后再补入膨胀罐从而达到了氮气节省循环使用的目的 具体的系统流程如图 所示图 膨胀罐氮气循环利用系统流程.膨胀罐氮气循环利用系统控制策略设计.启停逻辑设计启动制氮机系统制氮机生产的高纯氮气储存到氮气储罐里罐体内氮气压力()升高到设定值时制氮机停止工作当检测到氮气压力()降低到设定值时制氮机自动启动工作当阀冷系统需要补充氮气时启动电磁阀()高纯氮气经过减压阀()减压至设定值沿管路从球阀()补入阀冷系统 当检测到管路氮气压力(/冗余配置)升高到设定值时系统自动关闭电磁阀()阀冷系统停止补入氮气.手动/自动控制逻辑设计控制系统操作分为手动模式、自动模式 种模式通过触摸屏实现 按触摸屏上手动位键时制氮机系统处于手动操作模式 运维人员可通过操作屏启动/停止空压机、电磁阀 在自动模式宁夏电力 年第 期下系统接受就地启动指令或远程启动指令后制氮机系统自动启动并根据整定参数监控制氮机系统的运行状况和检测系统故障 自动调节系统工况对系统参数的超标及时就地显示预警信号灯亮 当参数严重超标有可能影响阀冷设备运行安全时就地显示同时紧急关闭制氮机.告警逻辑设计氧气浓度监测仪实时在线监测阀冷设备间的氧气浓度值若检测到氧气浓度超出设定值时系统将强制关闭制氮机并发出声光警告 现场试验验证及装置应用情况.现场实验验证.试验条件)环境条件:室内环境温度 相对湿度不大于 海拔高度 )电源条件:三相交流电源 /电压波动值 频率波动值)气源条件:干净空气.试验主要内容及要求阀内冷膨胀罐氮气循环利用系统接入换流阀冷却系统验证系统相关参数的采样及告警逻辑并验证制氮机的氮气纯度和制氮量效果)试验制氮机的氮气纯度不小于.)试验制氮机系统的控制逻辑应具有可靠的操作保护和设备安全保护)验证管路系统连接可靠无氮气泄漏通过现场试验验证膨胀罐氮气循环利用系统在手动控制方式和自动控制方式下均可以正常运行通过模拟该装置的自动、手动各个运行工况验证制氮机在远程及就地模式下启停正常同时通过模拟氮气流量变送器、补气压力变送器以及氧气浓度变送器故障检查该装置面板报文信息可正确远传至监控后台提醒运维人员装置故障需进一步检修维护.装置应用情况通过现场试验所有功能均可以正常实现目前该装置已成功被应用于 宁夏某换流站 目前未发现氮气泄漏以及其他不利于阀冷系统运行的事故 年年度检修期间随着直流功率下降冷却水温度及膨胀罐压力、液位随之下降当压力值降低至补气电磁阀启动定值时阀冷系统补气回路开始工作此时氮气储罐中的氮气源源不断供给至膨胀罐维持阀冷系统压力正常 随着氮气储罐压力持续下降最终达到制氮机启动压力运维人员观察制氮机启动正常逻辑动作均正确无误达到了预期效果 运维人员利用该装置能够提升换流站冷却系统膨胀罐氮气使用效率只需每年维保 次氮气稳压系统按照更换氮气瓶花费 元/次计算 年度共计更换氮气瓶 次/年每年可节约运维成本.万元 结 论针对换流站阀冷系统运行过程中膨胀罐内稳压氮气无法循环利用问题进行分析提出膨胀罐氮气循环利用系统的设计思路利用氮气循环方案替代了原有氮气瓶补充方式成功解决了该问题 该成果已在宁夏某换流站成功实施在同行中起到了积极的示范作用在后续建设的直流工程中具有良好的示范作用 其创新性和科学性主要包括以下几个方面:)该装置具有自动制氮及回收膨胀罐排出氮气的功能可直接接入阀冷系统膨胀罐参与氮气稳压功能节省了由于氮气损耗产生的运维成本)运维人员利用该系统能够提升换流站冷却系统膨胀罐氮气使用效率无需开展消耗氮气瓶的更换充装工作只需每年检查一次氮气稳压系统节省了运维人力成本)该装置的成功应用可推广应用在换流站阀冷系统中提升阀冷系统膨胀罐氮气稳压系统运行可靠性减少因氮气压力低导致的系统异常告警参考文献 赵婉君.高压直流输电工程技术.北京:中国电力出版社:.谭宝强郭伟钧.氮气流量系统变更定压的计算.工业计量():.雷庆山肖志超邓博文.换流站阀冷系统氮气稳压李 昊等:阀内冷膨胀罐氮气循环利用系统的设计及应用装置缺陷分析及改进措施研究.电工技术():.张大林秋穗正苟军利等.新型氮气稳压器系统稳态和瞬态特性研究.热能动力工程():.张伟夏国清.新型船用氮气稳压器控制方法研究.应用科技():.韩民晓文俊徐永海等.高压直流输电原理与运行.北京:机械工业出版社:.戴熙杰.直流输电基础.北京:水利水电出版社:.国家电网公司运维检修部.阀冷却系统.北京:中国电力出版社:.杨光亮邰能灵郑晓冬.换流站阀水冷系统导致直流停运隐患分析.电力系统保护与控制():.收稿日期:修回日期:作者简介:李昊()男工程师主要从事站内换流阀冷却系统运行维护工作(:.)(上接第 页)结 论通过对输电线路现场重物吊装需求进行分析将高比功率电机、高比能量电池、高效传动结构进行优化设计研制一体化的轻量型吊装装置结论如下:)现场验证结果表明研制的吊装装置主机质量为 可实现单人携带 吊装质量达 吊装速度可调最高吊装速度可达 /能够满足输电线路现场作业中绝缘子、避雷器、小型试验装置等工器具和试验设备的吊装需求并增设自动称重、远程线控和失电锁止等安全设计提高吊装作业安全性和可操作性)第三方测试结果表明研制的吊装装置电池容量满足标称容量 的设计要求具备电量显示、剩余电量预测功能能够满足输电线路现场作业需求可大幅降低作业人员劳动强度提高现场作业工作质效参考文献 余昊黄康裕叶建平.电力输电检修起吊差速器的研发与应用.广西电力():.吕少革韩峰彭占龙等.户外高压断路器吊装装置的研制.河南电力(增刊):.:./.王云荆涛于清杰等.柴油机缸套专用吊装装置设计与制作/.内燃机与配件():.:./.黄肖.单晶纳米片结构镍钴锰三元正极材料的制备、表征与改性研究.武汉:武汉科技大学.徐艳晖张志和.采用主动齿轮空心轴传动的驱动单元/.轨道交通装备与技术():.:././.罗伟林张立强吕超等.锂离子电池寿命预测国外研究现状综述.电源学报():.唐小亮甄鸿俊.基于输电线路野外遥控设备大功率直流电机的驱动保护设计方法/.中国新技术新产品():.:./.樊彬任山罗运俊.实际使用工况的锂离子电池 关系.电源技术():.张朝龙卢阳杨璇等.基于集成 模型与 神经网络的锂电池容量预测/.安庆师范大学学报(自然科学版)():.:././.孙道明.动力锂离子电池 和容量估计方法研究/.杭州:浙江大学.:./.孙道明俞小莉.随机放电工况下锂离子电池容量预测方法/.汽车工程():.:./.收稿日期:修回日期:作者简介:房子祎()女硕士工程师从事输电线路外绝缘技术工作(:.)