基于电极反应预测阀冷系统均压电极垢层厚度的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于电极反应预测换流阀均压电极垢层厚度的方法。为解决目前换流阀水冷系统中均压电极结垢导致的电化学腐蚀和过热问题，本发明专利技术采用的技术方案为：针对某换流站所采用的并联水路冷却的换流阀阀段内冷系统结构，确定阀段水路电极反应的物理模型结构，并根据运行工况，进而建立阀段水路电极反应的计算模型；利用水路几何参数、去离子水水质参数以及换流阀运行时工作电压值设置电极电位和去离子水电位的初始值及边界条件；构建电极反应模型；求解电极结垢厚度。本发明专利技术有利于进一步获取换流阀运行过程中均压电极的结垢数据、掌握电极结垢规律、及时更换换流阀均压电极，为保障换流站安全稳定运行提供有力的理论和技术支持。

【技术实现步骤摘要】
基于电极反应预测阀冷系统均压电极垢层厚度的方法
本专利技术涉及高压直流输电系统中设备的冷却系统，尤其是一种基于非线性电极反应预测阀冷系统均压电极垢层厚度的方法。
技术介绍
换流阀是高压直流输电系统的关键设备，而阀冷系统是换流阀的薄弱点，超过25％的换流阀故障是由阀冷系统造成。换流阀在工作过程会产生大量热量，阀冷系统通过循环冷却水带走热量，使得换流阀正常工作。由于换流阀中各金属构件电位不同，冷却水与金属构件直接接触，会在金属件之间产生泄露电流，造成金属构件的腐蚀。通过安装均压电极，使电流在均压电极处泄露，从而避免金属构件之间产生泄露电流，但均压电极也因此在运行过程中不断结垢。电极结垢严重后，会导致垢层脱落，进一步引起冷却水管堵塞及换流站停运的问题。目前国内解决均压电极结垢的方法是定期检修清洗，但采用此方法仍然会出现垢层脱落，导致冷却水管堵塞、换流站停运的情况，且此方法需要停运换流站，造成一定的经济损失，还需要投入较大的人力物力。因此，对换流阀内冷系统水路电极反应及垢层厚度的计算问题需要进一步的深入研究，以期掌握电极结垢规律，进而改善电极结垢情况。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于非线性电极反应预测阀冷系统均压电极垢层厚度的方法，其通过对电极反应的数值模拟，实现不同工况下电极垢层厚度的计算，为进一步获取换流阀运行过程中均压电极的结垢数据、及时更换换流阀均压电极、保障换流站安全稳定运行提供有力的理论和技术支持。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于电极反应预测阀冷系统均压电极垢层厚度的方法，其包括以下步骤：步骤一，针对某换流站所采用的并联水路冷却的换流阀阀段内冷系统结构，确定阀段水路电极反应的物理模型结构，并根据运行工况，进而建立阀段水路电极反应的计算模型；步骤二，利用水路几何参数、去离子水水质参数以及换流阀运行时工作电压值设置电极电位和去离子水电位的初始值及边界条件；步骤三，结合去离子水流场与浓度场特性、电极动力学边界条件、电极垢层膜阻影响、双电层电容的非线性特性，构建电极反应模型；步骤四，基于沉积量与反应电流密度关系的法拉第定律，求解电极结垢厚度；步骤五，根据上述步骤，分别数值计算不同电压等级、不同去离子水流速、不同[Al(OH)4]-离子浓度下的水路电极反应，并求解计算电极结垢厚度。作为上述方法的补充，步骤一中，所述的阀段水路电极反应的物理模型结构包括：两支铂电极、带有水接头的水管和去离子水，所述的水管内通去离子水，两支铂电极安装在水管上；所述的阀段水路电极反应为：阳极：4[Al(OH)4]--4e-→2Al2O3↓+8H2O+O2↑，阴极：O2+2H2O+4e-→4OH-。作为上述方法的补充，步骤二中，所述的水路几何参数包括：水管的长度、直径，电极的安装位置、电极的长度及插入水管深度。作为上述方法的补充，步骤二中，所述的去离子水水质参数包括：去离子水电导率、[Al(OH)4]-离子的浓度。作为上述方法的补充，步骤二中，所述的电极电位和去离子水电位的初始值及边界条件的具体情况为：1)初始值基于有限元分析方法，为求解收敛，阳极电势设置为阳极表面边界条件的电位值；阴极电极接地，去离子水电位为阴极电极反应平衡电位的负值，即：表示电极电位；表示去离子水电位；表示阴极电极反应平衡电位；2)边界条件考虑均压电极与散热器连接，而散热器紧邻晶闸管，因此电极上的电压波形与换流阀运行时的电压波形一致，所以采用半波正弦电压；阳极表面：阴极表面：作为上述方法的补充，步骤三中，所述的电极动力学边界条件为：采用表征过电位与反应电流关系的巴特勒-沃尔默方程：式中，iloc指局部反应电流密度，A/m2；io指交换电流密度，A/m2；αa为阳极交换系数，αc为阴极交换系数，F为法拉第常数，C/mol；η为过电势，V；R为气体常数，J/(K·mol)；T为热力学温度，K；阳极Tafel方程为：式中，Ac为Tafel斜率；η为过电势，V；io指交换电流密度，A/m2，其中阳极电极反应用巴特勒-沃尔默方程表征，阴极电极反应由于过电势η小，因此采用阳极Tafel方程表征；考虑电极反应过程的电化学极化，过电势式中，Eeq表示电极反应的平衡电位，V；表示电极电位；表示去离子水电位。作为上述方法的补充，步骤三中，所述的电极垢层膜阻影响，其具体描述为：1)设置电极垢层电导率σfilm；2)设置垢层初始厚度S0；3)计算电极反应的动态变化垢层厚度ΔS；建立电极与电解质界面的动态表面电阻作为上述方法的补充，步骤三中，所述的双电层电容的非线性特性，其具体描述为：由于电极与电解质表面形成的双电层的厚度远小于电极曲率，因此将双电层视为平板电容，但其单位面积等效电容Cd与其两端电压u满足下式的非线性关系：式中，Cd为分散层电容，F/m2，z表示离子电荷数；e表示电子电荷量，C；εr表示相对介电常数；ε0表示真空介电常数，F/m；K表示玻尔兹曼常数，J/K；T表示热力学温度，K；n0＝C*NA，表示离子在本体溶液中的数浓度，L-1；C*表示电解质水溶液浓度，mol/L；NA表示阿伏伽德罗常数。作为上述方法的补充，步骤四中，所述的基于沉积量与反应电流密度关系求垢层厚度的具体描述如下：首先由巴特勒-沃尔默方程求得阳极表面的反应电流iloc，根据法拉第定律：发生电解反应的物质量与通过的电量成正比，由下式计算Al2O3的沉积量，式中，n表示生成物物质的量，mol；Q表示通过电极表面的电量，C；I表示电极电流，A；t表示时间，s；z表示电荷数，C；F表示法拉第常数，C/mol。作为上述方法的补充，步骤五中，所述的不同电压等级是：25-100Kv；不同去离子水流速是:1-6m/s；离子浓度范围是：1*10-5-1*10-6mol/m3。本专利技术首先基于换流阀水冷系统均压电极垢层元素和沉积机理，并计及电极反应的双电层电容效应，以及采用巴特勒-沃尔默方程描述过电位与电极反应电流密度关系，进而构建考虑均压电极非正弦周期电压作用下的电极反应非线性模型；其次，考虑电极绝缘特性及其动态生长过程与附近电解质电位影响，构建在强场、湍流作用下的均压电极非线性模型，在模型中通过在电极与电解质交界面建立耦合电极垢层厚度的动态表面电阻，以反映电极动态结垢后导致电极附近电场畸变的情况，根据反应电流密度与沉积量的关系，求解电极结垢厚度分布，实现非线性电极反应的垢层厚度预测。本专利技术有利于进一步获取换流阀运行过程中均压电极的结垢数据、掌握电极结垢规律、及时更换换流阀均压电极，为保障换流站安全稳定运行提供有力的理论和技术支持。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本专利技术的范畴图1为本专利技术基于电极反应预测阀冷系统均压电极垢层厚度的方法的流程图；图2为本专利技术实施例中阀段水路电极反应的物理模型的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、特征、步骤、优点更加清晰易懂，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。首先需要说明的是，本专利技术并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于电极反应预测阀冷系统均压电极垢层厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，针对某换流站所采用的并联水路冷却的换流阀阀段内冷系统结构，确定阀段水路电极反应的物理模型结构，并根据运行工况，进而建立阀段水路电极反应的计算模型；步骤二，利用水路几何参数、去离子水水质参数以及换流阀运行时工作电压值设置电极电位和去离子水电位的初始值及边界条件；步骤三，结合去离子水流场与浓度场特性、电极动力学边界条件、电极垢层膜阻影响、双电层电容的非线性特性，构建电极反应模型；步骤四，基于沉积量与反应电流密度关系的法拉第定律，求解电极结垢厚度；步骤五，根据上述步骤，分别数值计算不同电压等级、不同去离子水流速、不同[Al(OH)4]‑离子浓度下的水路电极反应，并求解计算电极结垢厚度。

【技术特征摘要】
1.基于电极反应预测阀冷系统均压电极垢层厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，针对某换流站所采用的并联水路冷却的换流阀阀段内冷系统结构，确定阀段水路电极反应的物理模型结构，并根据运行工况，进而建立阀段水路电极反应的计算模型；步骤二，利用水路几何参数、去离子水水质参数以及换流阀运行时工作电压值设置电极电位和去离子水电位的初始值及边界条件；步骤三，结合去离子水流场与浓度场特性、电极动力学边界条件、电极垢层膜阻影响、双电层电容的非线性特性，构建电极反应模型；步骤四，基于沉积量与反应电流密度关系的法拉第定律，求解电极结垢厚度；步骤五，根据上述步骤，分别数值计算不同电压等级、不同去离子水流速、不同[Al(OH)4]-离子浓度下的水路电极反应，并求解计算电极结垢厚度。2.根据权利要求1所述的基于电极反应预测阀冷系统均压电极垢层厚度的方法，其特征在于，步骤一中，所述的阀段水路电极反应的物理模型结构包括：两支铂电极、带有水接头的水管和去离子水，所述的水管内通去离子水，两支铂电极安装在水管上；所述的阀段水路电极反应为：阳极：4[Al(OH)4]--4e-→2Al2O3↓+8H2O+O2↑，阴极：O2+2H2O+4e-→4OH-。3.根据权利要求1所述的基于电极反应预测阀冷系统均压电极垢层厚度的方法，其特征在于，步骤二中，所述的水路几何参数包括：水管的长度、直径，电极的安装位置、电极的长度及插入水管深度。4.根据权利要求1所述的基于电极反应预测阀冷系统均压电极垢层厚度的方法，其特征在于，步骤二中，所述的去离子水水质参数包括：去离子水电导率、[Al(OH)4]-离子的浓度。5.根据权利要求1所述的基于电极反应预测阀冷系统均压电极垢层厚度的方法，其特征在于，步骤二中，所述的电极电位和去离子水电位的初始值及边界条件的具体情况为：1)初始值基于有限元分析方法，为求解收敛，阳极电势设置为阳极表面边界条件的电位值；阴极电极接地，去离子水电位为阴极电极反应平衡电位的负值，即：表示电极电位；表示去离子水电位；表示阴极电极反应平衡电位；2)边界条件考虑均压电极与散热器连接，而散热器紧邻晶闸管，因此电极上的电压波形与换流阀运行时的电压波形一致，所以采用半波正弦电压；阳极表面：阴极表面：6.根据权利要求1所述的基于电极反应预测阀...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋小宁，程一杰，钱洲亥，余璐静，冯礼奎，李海燕，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，国家电网有限公司，重庆大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33