阀冷喷淋水池液位计失效分析及改进方案

张 鹏，李帅兵，马修伟，赵 阳，刘科含

（国网河南省电力公司直流中心，河南郑州 450000）

0 引言

阀冷系统是（特）高压直流输电换流站极其重要的辅助设备，通过主泵提供循环的去离子水为换流阀晶闸管提供冷却，使换流阀处于最佳的工作环境，其中内部循环冷却水由喷淋系统进行降温。一旦阀冷系统出现故障或异常，电流产生的热量将会烧毁换流阀内的晶闸管，使系统跳闸、整个换流站瘫痪，进而导致大规模停电现象，造成不可估量的损失。

1 问题描述

中州换流站阀冷系统采用闭式冷却塔作为外部热交换设备，通过喷淋水的蒸发带走热量，进而给内部循环冷却水降温。喷淋水储存在400 m3的喷淋水池内，并设置有液位计，给控制系统提供液位信号，在低液位时自动启动补水系统进行水源补充，高液位时则停止补水。喷淋水池液位计一旦出现故障，将会导致补水不及时，影响阀冷系统正常运行。

中州换流站共有4 套阀冷系统，每套阀冷系统设置有一座喷淋水池，池内有2 台超声波液位计（图1）。从2013 年中州站投运以来，出现过多次喷淋水池超声波液位故障影响补水的情况，因此亟需找出原因并给出解决方案。

图1 超声波液位计

2 问题分析

中州站超声波液位计出现的故障都表现为读数不准确，经拆卸观察，发现液位计底部超声波发射面上吸附了大量的小水滴，将这些小水滴清除干净后，故障消失。因此分析认为，由于喷淋水经过热交换，吸收了内冷水的热量，水温升高（一般在40 ℃左右），高于室外温度，很容易形成蒸汽，并在超声波液位计表面形成水滴，这些水滴会导致超声波液位计误判，进而影响系统补水。

3 解决方案

3.1 液位计选择

经上述分析，超声波液位计不适合中州站喷淋水池的实际情况，需更换为其他形式的液位计。常见的液位计种类有：

（1）玻璃板液位计。通过与待测容器相连组成连通器，使容器内的液面高度能够透过玻璃板直接读取，其特点是结构简单，读数直观。

（2）压力液位变送器。采用静压测量原理，当压力液位变送器放置在被测液体的某一深度时，传感器通过测量压力来反映液位深度。其特点是结构简单、用途广泛，能够测量高温、高压和强腐蚀性液体的液位。

（3）浮标液位计。利用浮力原理，当液位改变时，浮子的位移经由钢带传输给位移传动系统，使现场指示器动作，在显示装置上显示液位变化。其特点是性价比高，同时可以用于测量不同液体之间的界面。

浮标液位计又能升级改造成磁翻板液位计和浮球液位计等。其中，磁翻板液位计同样是利用浮力原理，浮子根据被测容器内的液位变化进行上下浮动，浮子内的永久磁钢通过磁耦合作用控制磁翻柱上的红白标识进行翻转，红色区域的高度即为所测液位高度，其特点是显示清晰、测量范围大，并且具有高密封性，能够测量高温、高压和带有腐蚀性的液体[1]。浮球液位计利用磁性浮球随被测液位的改变而升高降低，进而使传感器动作、电阻值呈线性变化，并输出4～20 mA 的标准电流信号，再由控制器或通信设备将信号传输给上位操作站或工程师站进行数据的采集和分析，其特点是能够远程操控和观察、监测功能齐全[2]。

（4）雷达液位计。利用时域反射原理，通过发射雷达波以光速前行，遇到液面再沿原路反射回来并由探测器接收，计算路径时间以反映液面位置的仪器。其特点是不与液位接触，可以测量高温、高压和带有腐蚀性的液体，测量范围广、不受介质影响、可在真空中使用，但其使用的测量元件较为精密，维护比较困难[3]。

（5）超声波液位计。即中州换流站原本采用的液位计，它与雷达液位计的不同在于采用的是超声波而非电磁波，超声波具有穿透力大、方向性强的特点，因而成为更广泛被使用的液位计[4]。但超声波需要借助介质进行传播，因此不能在真空中使用，在蒸汽、粉尘含量过高的环境中或中州站这种探测表面被凝露覆盖的情况，测量效果不理想。

（6）电容式液位计（图2）。通过在液体中插入一根金属棒，由金属棒和导电容器壁（或接地管）构成电容两极，当液位变化时，两极相对面积改变，进而影响电容值的大小，反映液位变化情况。其特点是可以非接触式测量，真空或高压情况下皆可应用，分辨率高、动态响应快[5]。

图2 电容式液位计

根据中州换流站的工况特点，拟采用精度高、反应快，且能消除表面粘附物影响的电容式液位计。目前，电容式液位计已经应用在阀冷辅机的膨胀罐上，其可靠性已经过验证。

3.2 测量原理

电容式液位计的两极由探针和导电容器壁或接地管组成，根据极间液位变化带动电容值变化的原理进行液位测量。当容器内没有液体时，此时两极间电容值最小，记为初始电容并标定为0。当容器中有液体注入时，随着液位渐渐升高，电极被液体覆盖面积越大电容值越大，然后通过带有电源、负载电阻的测量电路转换成4～20 mA 的电流信号，再通过后续放大器、滤波器和A/D 转换器等信号处理装置，将最终的测量结果输出在显示装置上。

容器电容值的计算是根据相位选择测量原理来进行工作的。在此过程期中，交变电流的大小和相移总量可以被测量出来。通过这两个特征参数，根据介质容抗可以计算出电容性无功电流的大小，再根据介质阻抗计算出实际电流的大小。

探针缆或探针杆上具有导电性的粘附物相当于附加了介质阻抗，因此可能会导致测量误差的出现。介质阻抗的数值可以通过相位选择的方法来测量计算，所以通常采用该算法来补偿探针上的粘附物影响，使电容式液位计具有粘附补偿能力。

电容式液位计采用坚固耐用的锥形自密封结构，保证了探针可以在真空环境下使用，也可以在高达10 MPa 的高压环境下使用。因其具有高度密封性，并且探针采用绝缘材料制作而成，使得电容式液位计能够在-80～200 ℃的环境温度下工作。电容式液位计受被测介质电导率影响不大，只需大于100 μS/cm 即可，测量值便与介电常数无关，显示测量值也不会因其波动而产生变化，测量不同液体的液位时也不需要重新标定探针[6]。

3.3 线性度和重复性

传感器的静态特征可以由线性度和重复性两个参数来表达。

线性度是在实验室规定状态下，经过多次测量获得平稳输出，并由最小二乘法进行线性拟合后获得拟合曲线，通过将测量值（传感器校准曲线）与拟合值的最大误差与满量程输出相比，该百分比数值被称为线性度。线性度越小，说明与拟合曲线偏离越小。传感器经多次校准后获得的输出值误差越小，可预测性越好。中州站拟采用的电容式液位计的线性度为0.5%。

重复性是指在同一时间段、同一实验条件下，采用同样的测试方法进行多次重复实验，取其概率分布在95%以内的两个独立测试结果的最大差值与满量程输出之比。重复性越小，表示该结果的可复现性越好，测量结果越可靠。中州站拟采用的电容式液位计的重复性为0.1%。

4 工程应用

通过测量中州换流站喷淋水池实际深度，确定了电容式液位计整体长度，并设计加工了一套专用的固定装置，该装置配备有防水防晒盖板，同时在水池内部设有套筒保护构件（图3）。结合安装完成后液位计实际高度情况，标定和设置液位参数，确保与原阀冷设备运行程序匹配。

图3 电容式液位计固定装置

使用电容式液位计，解决了多凝露环境下测量困难的问题，提升了阀冷喷淋水池液位的测量准确度。在安全效益方面，避免了换流阀运行过程中因补水不及时导致的阀组闭锁乃至直流停运的风险。在经济效益方面，节省喷淋水池维护的人力物力成本。电容式液位计本身没有运动部件、结构简单，易于检修维护。在社会效益方面，电容式液位计在投入使用后消除了喷淋水池液位测量不准确的问题，为其他气候寒冷、易凝露的换流站提供了借鉴思路，大大缩短作业人员的检修时间，提高阀冷外水冷系统的检修效率，避免因补水问题导致的阀组闭锁，降低直流停运的风险。

5 结论

中州换流站原有超声波液位计因工作温度高于环境温度，容易在超声波发射面产生凝露，影响喷淋水池液位测量结果的准确性，导致不能正常补水，对阀冷系统产生危害。通过更换电容式液位计，并配套设有固定装置、防水防晒盖板，水池内部增加套筒保护，从而消除表面粘附物的影响，提高测量结果的准确性，并延长液位计的使用寿命，进而保证阀冷系统的长期稳定运行。