高壓直流換流閥內水冷系統(tǒng)致垢離子帶電特性

2021-09-24 10:41:30盧世才李道豫王行飛邱志遠劉學忠

南方電網(wǎng)技術 2021年8期

盧世才，李道豫，王行飛，邱志遠，劉學忠

(中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司貴陽局，貴陽550081)

0 引言

晶閘管作為高壓直流換流閥的核心元件，在工作時會產生大量熱量，其散熱由閥冷卻系統(tǒng)完成，以維持在正常工作溫度。閥冷卻系統(tǒng)分為內冷卻系統(tǒng)和外冷卻系統(tǒng)，其中內冷卻系統(tǒng)通常為密閉型冷卻系統(tǒng)，冷卻介質為電導率控制在0.5 μS/cm以下的去離子水[1-6]。盡管如此，由于換流閥工作時不同晶閘管之間存在高電位差，冷卻水回路中依舊存在導致散熱器腐蝕的泄漏電流。因此，在閥組件及閥塔主水路中通常安裝有均壓電極[7-12]。伴隨散熱器腐蝕出現(xiàn)的另一個問題是均壓電極表面出現(xiàn)的結垢現(xiàn)象，結垢會引發(fā)冷卻水路阻塞、漏水和散熱失靈等故障，甚至導致直流閉鎖事故[13-16]。對于換流閥內冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，其絕大多數(shù)直接或間接由內冷卻水路均壓電極吸附結垢的問題導致，占比在70%以上。

國內外針對均壓電極結垢問題進行研究的手段以現(xiàn)場調查和模擬試驗為主。王遠游等人對天廣直流閥冷系統(tǒng)元件材質與水質進行檢測，并依據(jù)沉積物成分分析基本確定了鋁散熱器腐蝕是電極結垢物質的來源[17-19]。丁德等人通過對某±500 kV換流站調查發(fā)現(xiàn)整流站陰極側結垢嚴重，陽極側結垢輕微，逆變站則相反[20]。在此基礎上張格紅等人對電極結垢規(guī)律進一步檢測統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)不同位置電極結垢的疏密程度不一致[15]。國建寶等人對均壓電極結垢影響因素進行了研究，認為化學腐蝕與流體腐蝕協(xié)同作用致使鋁元素轉化為離子進入冷卻水中并在電極表面形成結垢，且鋁離子含量與結垢程度呈正相關[21]。上述文獻雖然對電極結垢規(guī)律或現(xiàn)象進行了調查統(tǒng)計，但目前均壓電極表面結垢形成機理仍未明確，尤其是鋁元素從散熱器腐蝕進入冷卻介質中最后沉積至電極表面這一過程中其存在形態(tài)發(fā)生的變化。

本文基于腐蝕反應類型與內冷卻水環(huán)境對致垢離子帶電特性影響的分析，利用模擬腐蝕與結垢裝置進行了試驗驗證，并依據(jù)金屬離子溶液體系相關熱力學理論對內冷水中致垢離子的存在形態(tài)進行了分析計算，揭示了致垢離子在冷卻水中產生、擴散和遷移過程中發(fā)生的形態(tài)變化。

1 致垢離子帶電特性的影響因素

1.1 源頭腐蝕反應對致垢離子的影響

換流閥內冷卻系統(tǒng)中，鋁制散熱器內表面在水中泄漏電流作用下的腐蝕反應是產生致垢離子的根本原因。同一換流閥組件內，不同電位散熱器中發(fā)生的腐蝕反應存在差異。在換流閥段高電位處，散熱器在方向為由金屬流向內冷水的陽極電流作用下，發(fā)生雜散電流腐蝕，即：

Al-3e-→Al3+

(1)

而在換流閥段低電位處，散熱器內表面將在方向為由內冷水流向金屬的陰極電流作用下產生局部強堿性環(huán)境，進而導致金屬發(fā)生堿性腐蝕，即：

2H2O+2e-→2OH-+H2↑

(2)

2Al+2OH-+6H2O→3H2↑+2Al(OH)4-

(3)

從式(1)—(3)可以看出，作為內冷水中致垢離子產生的源頭，換流閥段內不同電位處散熱器發(fā)生的腐蝕反應將產生電性相反的兩類離子。理論上，致垢離子對應腐蝕反應的不同將可能導致其在內冷水中遷移方向(向陽極/陰極鉑針均壓電極)存在差異，并最終導致結垢電極的極性相反：腐蝕反應式(1)導致閥段高電位散熱器產生正電性致垢離子，該離子在電場作用下將向陰極鉑針電極表面遷移并形成陰極結垢；腐蝕反應式(2)—(3)導致閥段低電位散熱器產生負電性致垢離子，該離子在電場作用下將向陽極鉑針電極表面遷移并形成陽極結垢。顯然，散熱器的腐蝕反應是可能影響致垢離子帶電特性及其后續(xù)遷移方向的重要因素。

1.2 內冷卻水環(huán)境對致垢離子的影響

雖然致垢離子產生自鋁制散熱器的腐蝕反應，但在其后續(xù)的擴散和遷移過程中，內冷水環(huán)境參數(shù)仍有可能使致垢離子的帶電特性發(fā)生改變。根據(jù)金屬離子溶液體系構成的相關熱力學相關理論，金屬離子在水中通常會與H2O和OH-形成配合物，即金屬羥合配離子。一般認為，金屬羥合配離子在水中除了能以單核羥基配合物形式存在外，還能以多核羥基配合物存在。由于金屬離子與OH-攜帶相反電性的電荷，因此最終形成的配離子的帶電特性將由與金屬離子結合的OH-離子個數(shù)決定，而決定該結合數(shù)的主要環(huán)境因素是水溶液體系的pH值。理論上，在酸性環(huán)境中，金屬配離子中OH-的結合數(shù)較小，配離子呈正電性；在堿性環(huán)境中，OH-結合數(shù)較大，配離子呈負電性。

對于換流閥內水冷系統(tǒng)，通常由于其內冷水路穩(wěn)壓系統(tǒng)的不同導致系統(tǒng)在封閉性上存在一定差異，進而導致水質pH存在差異。對于采用氮氣穩(wěn)壓的內水冷系統(tǒng)來說，由于內冷水環(huán)境封閉性好，在泄漏電流的長期作用下水質將呈弱堿性：根據(jù)對國內某±500 kV換流站換流閥封閉型內冷卻系統(tǒng)冷卻水進行取樣并檢測，結果顯示其極I(+500 kV)3座四重閥塔中冷卻水的pH值分別在180 d內由接近中性的6.86升高至7.86、7.62和7.38。采用高位水箱穩(wěn)壓的內水冷系統(tǒng)在封閉性上則不如前者，長期運行中由于少量CO2溶解在內冷水將導致環(huán)境pH值有一定下降。由前文分析可知，兩種系統(tǒng)中致垢離子的帶電特性及其遷移方向可能相反。也就是說，致垢離子在擴散和遷移過程中，內冷水環(huán)境pH值也是可能影響其帶電特性及遷移方向的重要因素。

1.3 不同帶電特性致垢離子的沉積反應類型

Al(H2O)63++3OH-→Al(OH)3(am)+6H2O

(4)

Al(H2O)5OH2++2OH-→Al(OH)3(am)+5H2O

(5)

Al(H2O)4(OH)2++OH-→Al(OH)3(am)+4H2O

(6)

其中OH-來源于陰極電極表面的電解水反應。

2H2O+2e-→2OH-+H2↑

(7)

反應將導致陰極電極表面很快形成薄而均勻的初始Al(OH)3結垢層，并且結垢層厚度在電壓持續(xù)作用下不斷增長。

Al(OH)4-+H+→Al(OH)3(am)+H2O

(8)

其中H+來源于陽極電極表面的電解水反應。

2H2O-4e-→4H++O2↑

(9)

同樣地，反應將導致陽極電極表面很快形成薄而均勻的初始Al(OH)3結垢層，并且隨后發(fā)生結垢層厚度增長現(xiàn)象。

由此可見，在含不同帶電特性致垢離子種類的內冷卻系統(tǒng)中，雖然都會發(fā)生均壓電極結垢現(xiàn)象，但陰極與陽極電極的結垢程度取決于不同電性致垢離子的比例，進而可以推測不同換流站陰極側與陽極側結垢程度不同的原因是由內冷水中致垢離子帶電特性不同導致的。

2 致垢離子帶電特性決定因素的試驗驗證

2.1 試驗條件

由前文分析可知，閥內冷系統(tǒng)中散熱器的腐蝕反應和內冷水環(huán)境pH值均有可能影響致垢離子的帶電特性，并進而決定致垢離子的遷移方向。為了確定致垢離子的帶電特性和遷移方向主要取決于其源頭上散熱器的腐蝕反應或是冷卻水環(huán)境參數(shù)，進行了模擬腐蝕和結垢試驗。

試驗在2套透明有機玻璃制裝置內進行，如圖1所示。圖1中，每套試驗裝置內各使用3片AA6063型鋁合金片狀試樣(規(guī)格為70 mm×10 mm×2 mm)用以模擬散熱器鋁基體。試驗前，對各鋁合金試樣表面依次用200、400、600和800型號砂紙進行打磨，之后將各試樣通過塑料緊固件固定于試驗裝置內壁，并使各鋁片試樣浸水部分的長度保持為40 mm。此外，每套試驗裝置內固定安裝有2支鉑針電極，各電極浸水部分長度為23 mm。

圖1 模擬腐蝕與結垢試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch diagram of device for simulated corrosion and deposition experiment

試驗中，通過直流電源對鋁片試樣與鉑針電極之間或不同鉑針電極之間施加電壓，并對各電極電流的變化進行監(jiān)測。根據(jù)試驗裝置中致垢離子的不同來源(即鋁片試樣不同類型的腐蝕反應)將模擬試驗分為兩組。1)陽極腐蝕與結垢試驗：在鋁片試樣與鉑針電極間施加電壓時，將鋁片試樣作為陽極，鉑針電極E1C作為陰極。該試驗條件下水中致垢離子的來源主要為陽極鋁片試樣的雜散電流腐蝕。2)陰極腐蝕與結垢試驗：在鋁片試樣與鉑針電極間施加電壓時，將鋁片試樣作為陰極，鉑針電極E2A作為陽極。該試驗條件下水中致垢離子的來源主要為陰極鋁片試樣的堿性腐蝕。

陽極和陰極腐蝕與結垢試驗在相互隔離的兩套試驗裝置中同時進行，每組試驗均分兩個階段進行，每個階段均持續(xù)240 h。1)腐蝕階段：試樣及電極電壓施加方式如圖2所示。圖2中，通過直流電源在鋁片試樣和遠端鉑針電極之間施加電壓，靠近鋁片試樣的鉑針電極電位懸空，鋁片試樣表面電流密度維持在2.0 μA/mm左右。其中，陽極腐蝕和結垢試驗中，直流電壓被施加在陽極鋁片試樣和陰極鉑針電極E1C之間；陰極腐蝕和結垢試驗中，直流電壓被施加在陰極鋁片試樣和陽極鉑針電極E2A之間。本階段中電解電流主要用于鋁片試樣的腐蝕。2)結垢階段：試樣及電極電壓施加方式如圖3所示。圖3中，通過直流電源分別在電極E1A與E1C、E2A與E2C之間施加電壓，且電極E1A與E2A作為陽極，E1C與E2C作為陰極。以實際閥內冷系統(tǒng)運行時均壓電極表面電流大小為參照，試驗中各裝置內鉑針電極間的電流維持在4 mA左右。本階段中電解電流主要用于鉑針電極表面結垢的形成。

圖2 模擬腐蝕與結垢試驗腐蝕階段加電示意圖Fig.2 Sketch diagram of voltage application during corrosion stage in simulated corrosion and deposition experiment

圖3 模擬腐蝕與結垢試驗結垢階段加電示意圖Fig.3 Sketch diagram of voltage application during deposition stage in simulated corrosion and deposition experiment

2.2 結果與分析

由于非嚴格密閉條件下大氣中CO2不可避免地溶入到試驗裝置內水中，試驗后冷卻水pH下降而呈弱酸性(pH約6.0)，在此弱酸性環(huán)境中，第一和第二試驗階段中電極表面形貌的變化如圖4所示。

由圖4可見，腐蝕階段結束時，陽極腐蝕與結垢試驗中陰極電極E1C表面吸附有白色物質，且該電極附近聚集了大量肉眼可見的絮狀沉淀物；而陰極試驗中陽極電極E2A表面及其附近則幾乎沒有出現(xiàn)吸附和沉淀現(xiàn)象。結垢階段結束時，陽極腐蝕與結垢試驗裝置中，陰極電極E1C表面仍能觀察到明顯的吸附結垢的現(xiàn)象，陽極電極E1A表面則未出現(xiàn)吸附結垢現(xiàn)象；陰極試驗裝置中，陰極電極E2C表面相比第一階段結束時已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的結垢現(xiàn)象，而陽極電極E2A表面則未出現(xiàn)吸附結垢現(xiàn)象?？梢钥闯?，無論陽極還是陰極腐蝕與結垢試驗后，各試驗裝置內均只在陰極電極(E1C、E2C)表面出現(xiàn)了明顯的吸附結垢的現(xiàn)象，而陽極電極(E1A、E2A)表面則幾乎沒有出現(xiàn)任何變化。

圖4 模擬腐蝕與結垢試驗中電極表面形貌變化Fig.4 Morphology variation of electrodes during simulated corrosion and deposition experiment

試驗后，將各裝置內電極取出并置于陰涼通風處進行干燥，24 h后各電極表面形貌如圖5所示。

圖5 模擬腐蝕與結垢試驗后干燥電極表面形貌Fig.5 Morphology of dried electrodes after simulated corrosion and deposition experiment

由圖5可見，陽極和陰極電解腐蝕和結垢試驗裝置中，陽極電極E1A、E2A表面均未出現(xiàn)結垢，陰極電極E1C、E2C表面則均可觀察到明顯的白色棒狀結垢物。通過EDS檢測分析，陰極電極結垢物的主要成分為氫氧化鋁，與實際閥內冷系統(tǒng)中電極結垢的主要成分一致。試驗前后各電極重量的變化如表1所示。由表1可見，陽極和陰極電解腐蝕-結垢試驗前后，陽極電極E1A、E2A質量并未出現(xiàn)變化，而陰極電極E1C、E2C則由于氫氧化鋁結垢的吸附而在質量上出現(xiàn)了較為明顯的增加。

表1 模擬腐蝕與結垢試驗前后電極質量變化Tab.1 Mass Change of electrodes after simulated corrosion and deposition experiment

根據(jù)上述試驗結果，可以得出以下結論。

2)在內冷水中遷移時，致垢離子的電性完全取決于冷卻水環(huán)境的pH值。結垢階段結束時，陽極和陰極試驗裝置中均只有陰極鉑針電極表面出現(xiàn)了結垢現(xiàn)象，這表明本階段中致垢離子全部以負電性配離子形態(tài)存在?？梢钥闯?，雖然鋁在陽極和陰極電流作用下分別產生了電性相反的腐蝕產物離子，但在環(huán)境pH一致的前提下，腐蝕產物離子將隨之轉化為電性一致的致垢離子擴散至冷卻水中，進而在電場作用下向單一極性電極表面遷移。