摘要：為進(jìn)一步提升換流閥水冷系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)膨脹罐和外冷噴淋水池液位信息，研究電容式液位計(jì)的測(cè)量工作原理，分析膨脹罐和噴淋水池不同的應(yīng)用環(huán)境，給出對(duì)應(yīng)的電容式液位計(jì)選型方案以及使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)。
引言
隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，大容量遠(yuǎn)距離輸電等技術(shù)被廣泛應(yīng)用，特高壓直流輸電系統(tǒng)作為構(gòu)成堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)骨干網(wǎng)架和進(jìn)行電力大規(guī)模遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹匾绞剑哂芯�路造價(jià)低、運(yùn)行電能損耗小、線路走廊窄、調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，大幅提升電力輸送能力。換流閥是換流站的核心設(shè)備，正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱損耗，導(dǎo)致電抗器、晶閘管等器件溫度急劇上升 [1-3]。為了保護(hù)換流閥核心設(shè)備、提升直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，防止這些器件在運(yùn)行過(guò)程中因持續(xù)高溫而損壞，傳統(tǒng)的自然散熱和強(qiáng)制風(fēng)冷散熱遠(yuǎn)不能滿足其散熱要求，必須采取散熱效率高、可靠性高的換流閥水冷系統(tǒng)。
對(duì)于換流閥水冷系統(tǒng)而言，充足的水量是保證降溫效果的前提，也是保證閥冷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。一旦出現(xiàn)漏水、補(bǔ)水泵故障或其他原因?qū)е碌拈y冷系統(tǒng)水量不足，都將有可能直接導(dǎo)致閥冷系統(tǒng)停運(yùn)，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q流站直流閉鎖，造成更嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閥冷系統(tǒng)水位信息，是保障閥冷系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和提升直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的重要舉措。
1 閥冷卻系統(tǒng)工作原理
閥冷系統(tǒng)由內(nèi)冷系統(tǒng)和外冷系統(tǒng)組成，以水 - 水冷系統(tǒng)為例，其內(nèi)冷系統(tǒng)是一個(gè)密閉的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，內(nèi)冷卻水將運(yùn)行中的換流閥產(chǎn)生的熱量吸收；外冷系統(tǒng)為敞開式循環(huán)系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對(duì)內(nèi)冷卻水進(jìn)行冷卻降溫。內(nèi)冷系統(tǒng)分為主水回路和水處理回路，主要包括主循環(huán)泵、脫氣罐、主過(guò)濾器、補(bǔ)水泵、離子交換罐、氮?dú)馄�、膨脹罐等設(shè)備。內(nèi)冷卻水通過(guò)兩臺(tái)互為備用的主循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)，流經(jīng)換流閥本體并將其產(chǎn)生的熱量帶走；補(bǔ)水泵、氮?dú)馄亢团蛎浌抻脕?lái)維持內(nèi)冷系統(tǒng)的壓力和水位穩(wěn)定。外水冷系統(tǒng)主要包括閉式冷卻塔、噴淋泵組、軟化裝置等設(shè)備。內(nèi)冷卻水經(jīng)過(guò)換流閥閥體之后溫度升高，通過(guò)主循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)進(jìn)入外冷系統(tǒng)，噴淋泵組抽取噴淋水池內(nèi)的外冷卻水，噴淋在閉式冷卻塔的換熱盤管上以降低內(nèi)冷卻水的溫度，內(nèi)冷卻水溫度降低后再流經(jīng)換流閥進(jìn)行循環(huán)冷卻 [4-6]。閥水冷系統(tǒng)的工作流程如圖 1 所示。
2 電容式液位計(jì)的測(cè)量原理及分類
電容式液位計(jì)是利用物位高低變化影響容器的電容值變化的原理來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，可用于測(cè)量高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等介質(zhì)的液位，不受介質(zhì)的粘度、密度和工作壓力影響，具有極高的抗干擾性和可靠性。由于被測(cè)液體的介電常數(shù)和液面之上的介電常數(shù)不同，由電容值的決定式 C=εS/4πkd 可知，電容值 C 與介電常數(shù) ε 和極板正對(duì)面積 S 成正比，與極板間的距離 d 成反比。若被測(cè)液體的介電常數(shù)更大，則當(dāng)液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大，因而電容量增大；反之，當(dāng)液位下降時(shí)，電容量減小。常見介質(zhì)的典型介電常數(shù)如下表所示。
如圖 2 所示，傳感器和容器壁（導(dǎo)電材質(zhì)制成）構(gòu)成一個(gè)電容器，當(dāng)傳感器處于空氣中時(shí)，測(cè)量到的是一個(gè)小數(shù)值的初始電容值 CA ；當(dāng)容器中有物料注入時(shí)，電容值將隨傳感器被物料所覆蓋區(qū)域面積的增大而相應(yīng)地增大，測(cè)量得到一個(gè)電容值 CB，電容值的變化量 dC=CB － CA ；變送器模塊將電容值變化量轉(zhuǎn)換成與液位成比例關(guān)系的信號(hào)。
容器電容值的電子計(jì)算是基于相位選擇測(cè)量原理工作的，在此過(guò)程中，測(cè)量交變電流的大小以及電壓與電流間的相位差，根據(jù)這兩個(gè)特征參數(shù)，基于介質(zhì)電容值計(jì)算無(wú)功電流，基于介謘hou榪辜撲閌導(dǎo)實(shí)緦鰲Ｐ枰⒁獾氖牽釁魃系牡嫉縲哉掣轎鏌約襖淠嗟庇詬郊詠櫓shou榪�，会蒂Z虜飭課蟛�，需要进袑懌羔咓粘钢v鉤ァ?/div>
根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，可以選擇桿式傳感器或者纜式傳感器；根據(jù)不同的安裝形式，可以選擇帶屏蔽段或者不帶屏蔽段；根據(jù)不同的容器材質(zhì)，可以選擇帶接地管和不帶接地管。
3、電容式液位計(jì)選型及使用注意事項(xiàng)
3.1 電容式液位計(jì)的選型
對(duì)于閥冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)行液位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的是內(nèi)冷系統(tǒng)的膨脹罐液位和外冷系統(tǒng)的噴淋水池液位，膨脹罐的液位用以保證內(nèi)冷系統(tǒng)正常運(yùn)行，噴淋水池的液位用以保證有足夠的外冷卻水給內(nèi)冷卻水降溫。在分別進(jìn)行液位計(jì)選型時(shí)，需要特別注意，雖然被測(cè)介質(zhì)都
是冷卻水，但兩者的差別卻非常大，具體如下：
1）冷卻水電導(dǎo)率差別：膨脹罐內(nèi)的內(nèi)冷卻水電導(dǎo)率一般低于 1μs/cm，噴淋水池內(nèi)的外冷卻水電導(dǎo)率通常大于 100μs/cm。
2）容器材質(zhì)差別：膨脹罐的材質(zhì)為不銹鋼，屬于導(dǎo)電材質(zhì)，而噴淋水池的池壁是不導(dǎo)電的。
3）液位高度差別：膨脹罐的高度一般不超過(guò)2m，噴淋水池的深度一般會(huì)達(dá)到 3~4m。
4）內(nèi)部壓力差別：膨脹罐的一個(gè)重要作用是保證內(nèi)冷系統(tǒng)管路壓力穩(wěn)定，正常工作時(shí)罐內(nèi)壓力一般在0.2MPa 左右，而噴淋水池內(nèi)沒(méi)有額外的壓力。
5）外部環(huán)境差別：膨脹罐位于設(shè)備間的輔機(jī)模塊，是室內(nèi)環(huán)境，而噴淋水池一般位于室外。
在測(cè)量膨脹管液位時(shí)，由于膨脹罐本體導(dǎo)電，冷卻水電導(dǎo)率極低視作不導(dǎo)電，傳感器和罐體可以分別作為兩個(gè)電極測(cè)量電容值變化；加上膨脹罐屬于密閉容器且位于室內(nèi)，不存在罐頂冷凝現(xiàn)象，因此進(jìn)行膨脹罐電容式液位計(jì)選型時(shí)，根據(jù)罐體高度選擇常規(guī)型號(hào)即可，wuxu考慮屏蔽段和接地管。
在測(cè)量噴淋水池液位時(shí)，由于池壁本體不導(dǎo)電，外冷卻水雖然導(dǎo)電但粘稠度較低，如果沿用膨脹罐電容式液位計(jì)選型，缺少一個(gè)導(dǎo)電體作為電極與傳感器配合，當(dāng)液位變化時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量電容值變化。此時(shí)需要在傳感器外部增加一個(gè)金屬管，此金屬管與傳感器保持同軸狀態(tài)且相互絕緣，傳感器和這個(gè)金屬管分別作為兩個(gè)電極測(cè)量電容值變化。同時(shí)，由于噴淋水池頂部可能存在冷凝現(xiàn)象，因此進(jìn)行噴淋水池電容式液位計(jì)選型時(shí)，除了要考慮噴淋水池高度，還應(yīng)選擇帶屏蔽段和接地管的液位計(jì)。
以瑞士 E+H 品牌為例，其公司生產(chǎn)的 FMI51 系列電容式液位計(jì)具有一體化變送器，測(cè)量值反應(yīng)時(shí)間短，可以在壓力值高達(dá) 100bar 的環(huán)境中使用。而且更換電子插件wuxu重新標(biāo)定，對(duì)于電導(dǎo)率大于 100μs/cm 的液體介質(zhì)，測(cè)量不同液體時(shí)也不需要重新標(biāo)定探頭。參照其選型樣本資料，可選擇不同型號(hào)滿足膨脹罐液位和外冷噴淋水池液位的測(cè)量需求。
3.2 電容式液位計(jì)的使用注意事項(xiàng)
要使用電容式液位計(jì)準(zhǔn)確地測(cè)量膨脹罐液位或噴淋水池液位，除了正確的選型外，還應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：
1）電容式液位計(jì)在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中，應(yīng)特別注意保護(hù)傳感器絕緣層，一旦絕緣層受損，將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。
2）液位計(jì)的空罐和滿罐標(biāo)定很重要�？展迺r(shí)將電流信號(hào)設(shè)置 4mA 電流下限值；滿罐時(shí)將電流信號(hào)設(shè)置為 20mA 電流上限值。16mA 的測(cè)量范圍在 0~100% 之間變化，即液位每上升 1% 對(duì)應(yīng)增加 0.16mA 電流值。
3）液位計(jì)變送模塊外殼應(yīng)保證密封良好，防止水氣侵入接線盒內(nèi)部。對(duì)于噴淋水池電容式液位計(jì)，還應(yīng)使用防護(hù)罩避免儀表被太陽(yáng)直射。
4）對(duì)于外部電磁干擾較嚴(yán)重的區(qū)域，應(yīng)將接線盒外殼可靠接地。
5）針對(duì)膨脹罐：電容式液位計(jì)與膨脹罐罐體之間應(yīng)有良好的導(dǎo)電連接，應(yīng)采用導(dǎo)電密封帶；傳感器安裝時(shí)應(yīng)與膨脹罐罐壁平行，并盡可能不要太靠近罐壁，不可觸及罐壁，不可將傳感器安裝在進(jìn)水口。
6）針對(duì)噴淋水池：應(yīng)選擇雙電極或帶接地管的液位計(jì)，或在電極周圍增加一支同心圓金屬管，并注意金屬管上部須有排氣孔，以免液面無(wú)法順利升降；噴淋水池電容式液位計(jì)因長(zhǎng)度較高，安裝時(shí)，傳感器探桿應(yīng)牢固固定在池底；噴淋水池電容式液位計(jì)建議定期清洗，以免產(chǎn)生介質(zhì)粘附影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
4、結(jié)束語(yǔ)
隨著特高壓直流輸電換流閥額定電流越來(lái)越高，閥冷系統(tǒng)的冷卻任務(wù)越來(lái)越艱巨，液位作為閥冷系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的重要信息之一，必須保證其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。電容式液位計(jì)因其好特的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，十分適用于閥冷系統(tǒng)冷卻水的液位測(cè)量，但由于膨脹罐和外冷噴淋水池實(shí)際工作環(huán)境的較大差異，導(dǎo)致其液位計(jì)從選型設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試到后續(xù)的使用維護(hù)均有較大的不同。
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