溶解氧對主蒸汽溶解氫表測量影響試驗研究

李海洋，王仁雷，尤良洲，衡世權

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

對于實際工況下長期運行的受熱面金屬材料而言，實時準確監測受熱面的高溫氧化情況，將蒸汽測的氧化速度控制在安全狀態是防止過熱器和再熱器發生爆管的關鍵技術。但過熱器和再熱器蒸汽測高溫氧化很難被在線監測，只能通過間接測量來表征其氧化過程。已有研究結果表明，蒸汽中氫質量濃度的變化可以用來衡量高溫水蒸氣與過熱器、再熱器內壁之間的反應速度。當過熱器和再熱器內壁出現局部過熱或氧化層因過熱開始結垢時，蒸汽中的氫質量濃度將顯著上升。有文章認為，蒸汽氫量能夠反映過熱器和再熱器蒸汽測高溫氧化的實際情況，而且比壁溫指標和蒸汽溫度指標靈敏。但在實際使用過程中發現溶解氫表的測量準確性較差，在鍋爐給水采用加氧處理時尤為突出，因此認為溶解氧可能是影響溶解氫表測量的重要因素。為了確認溶解氧對溶解氫表測量是否存在影響以及影響程度如何，本文通過在實驗室內模擬溶解氫表在電廠水汽系統中的實際工作狀況來進行上述研究[1-2]。

1 溶解氫表測量原理

溶解氫傳感器由鉑電極(陽極)和銀-氯化銀電極(陰極)及電解液組成，電極端部的半透膜將電極與水樣隔離。半透膜只允許水樣中的氣體通過，同時阻止水樣中的溶解固體透過，以免影響測量。

陰陽極之間填充了具有緩沖性的電解液，主要成分是NaCl或KCl。儀器正常測量時，在陰陽極之間施加0.4～0.8 V的恒定電壓，此時電解液在陰陽極上發生如下反應

或

水樣中氫被氧化成水，氯化銀被還原成金屬銀，在這個過程中陰陽極會產生電化學電流，電流的大小取決于水樣中氫氣到達陰極表面的速率，更進一步說，取決于氫氣通過半透膜和電解液的速率，但該速率與流經半透膜表面的水樣中的溶解氫呈線性關系，因此電化學電流的大小與水樣中的溶解氫質量濃度呈線性關系。

2 試驗目的及內容

為了研究主蒸汽中的溶解氧對溶解氫表測量是否存在影響以及影響程度如何，本文根據電廠實際情況設計了一套動態試驗平臺，以模擬溶解氫表在水汽系統中的實際運行情況，該試驗平臺如圖1所示。試驗期間，平臺內循環水量恒定，除氧樹脂柱正常運行，可以將流動水樣中的溶解氧和溶解氫全部去除。高壓純氫和高壓純氧直接鼓入除鹽水箱中，通過精密壓力表調節除鹽水箱內的壓力，待氣液兩相平衡后即可得到固定濃度的溶解氫和溶解氧水樣，溶解氣體質量濃度由亨利定律確定。

圖1 溶解氧對主蒸汽溶解氫表測量影響試驗平臺

Fig.1 Test platform for the influence of dissolved oxygen onthe main steam dissolved hydrogen analyzer measurement

試驗開始時，先不啟動2臺注射泵，系統進行循環除氧。待溶解氧基本去除后，通過調節注射泵的推進速度來控制溶解氫水樣和溶解氧水樣的加入量，進而調控平臺內循環水樣中的溶解氫和溶解氧質量濃度。為了研究溶解氧對溶解氫測量的影響，通過調節溶解氫水樣注射泵的推進速度使循環水樣中的溶解氫質量濃度分別穩定在1.2，3.3，5.6 mg/m3左右。當循環水樣中溶解氫質量濃度穩定在某一固定值時，開啟溶解氧水樣注射泵向循環水樣中分別添加0，50，100，150，200 mg/m3的溶解氧。試驗過程中，分別記錄溶解氫表和溶解氧表的測量值，再根據溶解氫表測量值隨著溶解氧質量濃度變化的規律來判斷溶解氧對溶解氫表測量的影響。

3 試驗結果及分析

3.1 溶解氧對溶解氫表測量的影響

試驗過程中，先后調節循環水樣中的溶解氫質量濃度分別為1.2，3.3，5.6 mg/m3。當溶解氫質量濃度基本穩定時，分別調節溶解氧水樣注射泵推進速度使循環水樣中的溶解氧質量濃度分別為0，50，100，150，200 mg/m3，每種工況條件下連續測量20 min，每隔1min記錄1次測量數據。根據測量數據作不同質量濃度溶解氫水樣加入不同質量濃度溶解氧后其測量值變化曲線，具體如圖2—4所示。

圖2 初始溶解氫質量濃度為1.2 mg/m3時加入 不同質量濃度溶解氧后的測量值

Fig.2 Measured value of dissolved hydrogen afteradding different volume of dissolved oxygenwith initial concentration of 1.2 mg/m3

從圖2—4中的測量值變化曲線中可以看出，當循環水樣中加入不同質量濃度溶解氧后，溶解氫的測量值隨著溶解氧質量濃度增加而明顯減小，因此溶解氧對溶解氫表的測量存在影響。

3.2 溶解氧對溶解氫表測量影響規律分析

據前所述，溶解氧對溶解氫表測量存在影響，為了研究其影響規律，計算不同質量濃度溶解氫循環水樣加入溶解氧后溶解氫測量相對誤差，計算結果見表1—3。

從表1—3中的計算結果可以看出，溶解氧質量濃度越大，水樣中溶解氫測量值越小，測量相對誤差越大；另一方面，溶解氫質量濃度越高，溶解氧對溶解氫表的測量影響越小。為了尋找溶解氧造成的測量相對誤差和溶解氧質量濃度的數學關系，現從溶解氫表測量相對誤差與溶解氧質量濃度關系曲線可以看出，但水樣中溶解氫質量濃度一定時，水樣中的溶解氧質量濃度與溶解氫表測量值之間存在比較好的線性關系，因此可以根據溶解氧質量濃度和溶解氫表測量值推算水樣中的溶解氫實際質量濃度，這對分析主蒸汽溶解氫質量濃度和過熱器再熱器高溫氧化關系具有十分重要的意義。

表1 初始溶解氫質量濃度為1.2 mg/m3時加入不同質量濃度溶解氧后的測量相對誤差Tab.1 Relative error of dissolved hydrogen after adding different volume of dissolved oxygen with initial mass concentration of 1.2 mg/m3

表2 初始溶解氫質量濃度為3.3 mg/m3時加入不同質量濃度溶解氧后的測量相對誤差Tab.2 Relative error of dissolved hydrogen after adding different volume of dissolved oxygen with initial mass concentration of 3.3 mg/m3

表3 初始溶解氫質量濃度為5.6 mg/m3時加入不同質量濃度溶解氧后的測量相對誤差Tab.3 Relative error of dissolved hydrogen after adding different volume of dissolved oxygen with initial mass concentration of 5.6 mg/m3

圖3 初始溶解氫質量濃度為3.3 mg/m3時加入 不同質量濃度溶解氧后的測量值

Fig.3 Measured value of dissolved hydrogen after addingdifferent volume of dissolved oxygen with initialconcentration of 3.3 mg/m3

圖4 初始溶解氫質量濃度為5.6 mg/m3時加入 不同質量濃度溶解氧后的測量值

Fig.4 Measured value of dissolved hydrogen after addingdifferent volume of dissolved oxygen with initialconcentration of 5.6 mg/m3

作溶解氫表測量相對誤差Y與溶解氧質量濃度X的關系曲線并進行線性回歸，具體如圖5所示(圖中，R為線性相關度)。

圖5 溶解氫表測量相對誤差與溶解氧質量濃度 關系曲線

Fig.5 Relationship between the relative measurement error ofdissolved hydrogen analyzer and dissolved oxygen content

4 結束語

溶解氧質量濃度對溶解氫表的測量存在影響，其影響規律是溶解氫質量濃度越小，溶解氧質量濃度越大，溶解氫表測量相對誤差越大；反之，溶解氫質量濃度越大，溶解氧質量濃度越小，溶解氫表測量相對誤差越小。在水樣中溶解氫質量濃度一定時，溶解氫表的測量值與溶解氧質量濃度存在比較好的線性關系。對于高參數大容量機組，主蒸汽中的溶解氫質量濃度較小(一般小于5 mg/m3)，其測量值受溶解氧影響較大。如果機組給水采用加氧處理而且加氧量較高，那么溶解氫表測量值將明顯偏小。如果機組采用不加氧工況或者低氧工況，那么基本可以忽略溶解氧對溶解氫表測量的影響。