智能氫電導率表在凝汽器檢漏裝置上的應用

陳建忠，林楚偉，陳裕忠，朱晨亮，劉佳杰，戴 鑫

（1.華能國際海門電廠，廣東 汕頭515132；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安710054）

0 引言

隨著電力工業的迅速發展，大容量高參數超臨界、超超臨界機組不斷出現，電廠對水汽質量提出了更高的要求。由于冷凝管制造過程中的不良工藝、機組運行中的振動、熱漲冷縮、循環水中固體顆粒的磨擦和化學腐蝕等現象的影響，會造成凝汽器換熱管脹接處松動，管壁腐蝕穿孔或異物砸傷等故障，造成凝汽器泄漏［1-5］。凝汽器泄漏時，如何快速準確地檢測出凝汽器泄漏點的位置，并采取有效隔離措施，排除凝汽器泄漏故障，是電廠汽機和化學專業的一項重要技術課題。經常有電廠在凝汽器泄漏時，由于氫電導率測量準確性問題，沒有及時準確隔離凝汽器泄漏側，延誤了事故處理，造成汽水品質嚴重污染，甚至造成汽輪機大面積積鹽和停機的事故［6］。

為了判斷凝汽器是否存在泄漏故障，很多電廠都安裝了凝汽器檢漏裝置來檢查判斷凝汽器泄漏位置，氫電導率是判斷凝汽器汽機側或發電機側泄漏的重要依據［7］，同時氫電導率指標也是電廠水汽系統的關鍵監測指標之一［8-10］。本文介紹了一種采用電再生離子交換技術和非線性溫度補償技術的智能氫電導率表，探討了其在凝汽器檢漏裝置中的應用。相較于傳統方法，該技術實現了無需人工再生更換樹脂即可保證氫電導率的連續準確測量，避免了因氫電導率檢測不準確導致的凝汽器檢漏裝置錯誤診斷現象。

1 電再生離子交換技術介紹

1.1 氫電導率測量中陽離子交換柱存在的問題

目前電廠通過在常規電導率表前加裝陽離子交換樹脂柱監測水汽的氫電導率，由于交換柱需定期對樹脂進行再生或更換，增加了現場運行維護人員的工作量，另外這種傳統的測量方法還存在一些無法避免的測量干擾［11-14］，如：

1）樹脂無法徹底交換陽離子，會降低測定腐蝕性污染物的靈敏度，導致測量結果產生或正或負的偏差；

2）有些陽離子交換樹脂釋放低分子聚合物雜質，增加了背景電導率，導致氫電導率檢測靈敏度降低；

3）當樹脂沖洗不充分或再生不完全時，釋放出痕量的雜質離子會引起測量正誤差；

4）樹脂失效時沒有及時發現并更換再生，造成測量誤差。

氫電導率表作為凝汽器檢漏裝置中最重要的必備儀表，測量值長期偏小會導致檢漏裝置檢測靈敏度下降，無法及時發現系統漏點；如測量值長期偏大檢漏裝置會誤報給出錯誤的檢漏結果，因此提高氫電導率表測量準確性，保證儀表在免人工維護條件下長期穩定運行對于凝汽器檢漏裝置尤為重要。

國外為提高氫電導率的測量準確性做了很多研發，通過制定ASTM D6504《氫電導率的測量》標準對氫電導率測量的陽離子交換柱內徑和高度、水樣流速、樹脂選用等測量條件進行了詳細規定［15］；為了最大程度實現氫電導率連續測量，采用雙氫交換柱切換法，但該系統較復雜，占用空間大，關鍵是樹脂仍需定期更換或再生，再生后的樹脂需要長時間沖洗才可使用。國內為了提高氫電導率的測量準確性也制定了氫電導率測定的電力標準［16］，為解決氫電導率表在線校驗，研制了在線化學儀表校驗裝置對氫電導率表進行在線校驗［17-21］；研制了樹脂動態再生裝置，解決樹脂再生不徹底的問題［22］；研制了變色氫型樹脂以直觀表征樹脂是否失效，便于及時更換樹脂。但這些研究工作受傳統陽離子交換柱的設計所限，并沒有實質上解決氫電導率測量過程中需要再生更換陽離子交換樹脂的問題，也未真正意義上實現氫電導率連續在線監測。

1.2 電再生離子交換技術原理

電再生離子交換技術采用電化學方法對少量的特種離子交換樹脂進行持續再生，以替換傳統的離子交換樹脂柱。當待檢測水樣流入電再生式離子交換裝置后水中陽離子在陽樹脂交換作用下變為氫離子，處理后的水樣進入電導池測量電導率，測量后的水樣再次循環通入電再生式離子交換裝置并進行電解，電解產生的氫離子在電場作用下對陽離子交換樹脂進行再生，陽離子交換樹脂再生產生的雜質離子隨電解后的水樣排出［23］。電解供電系統采用24 V直流供電設計，并帶有自動恒定電流功能，可根據需要給樹脂提供穩定的電流。根據此原理設計出的電再生離子交換裝置體積小，安裝簡單，圖1和圖2是傳統陽離子交換樹脂柱和電再生離子交換裝置的安裝實物圖比較。

圖1 陽離子交換樹脂柱安裝圖Fig.1 Installation picture of cation exchange resin column

圖2 電再生離子交換裝置安裝圖Fig.2 Installation picture of electric regeneration ion exchange device

電再生離子交換裝置不僅可以直接替換現場的離子交換柱實現氫電導率測量，還可以與電導率表組裝設計成一體化的氫電導率表。電再生離子交換裝置整個測量流程無需添加任何化學試劑，因此設備測量完后不產生任何酸堿廢液，并且設備內部的陽離子交換樹脂在電場作用下可始終保持氫型狀態，無需人工維護，真正實現了水樣氫電導率的連續監測。圖3和圖4是傳統氫電導率表與智能氫電導率表測量流程對比圖。

圖3 傳統氫電導率表測量流程Fig.3 Measurement process of traditional hydrogen conductivity instrument

圖4 智能氫電導率表測量流程Fig.4 Measuring process of intelligent hydrogen conductivity instrument

1.3 電再生離子交換裝置的智能調節系統

常規氫電導率表的陽離子交換樹脂柱失效速率主要由樣水的含氨量、流速、水質狀況等因素綜合決定，樣水的含氨量越高、流速越高、水質狀況越差，樹脂柱失效越快。電再生離子交換裝置為適應現場不同樣水的使用條件，在自動再生時采用了一套智能調節系統。其原理是當樹脂在不同含氨量、流速、水質狀況下的水樣浸泡下其電阻會發生變化，根據電阻變化自動調整電壓變化實現恒定電流控制，以確保在以上條件改變時電再生離子交換裝置均可以正常工作。這套智能調節系統在機組啟動時尤為重要，一般機組啟動初期，樣水水質狀況較差，常規的陽離子交換樹脂柱很快就會失效，然后需要人工介入再生更換樹脂，此時氫電導率表的數據有較長的不穩定期進而影響機組啟動時氫電導率數據的判斷；而加裝電再生離子交換裝置的智能氫電導率表根據水質條件智能的自動調節再生速率，始終保持氫電導率表穩定讀數，無需人工干預。

2 非線性溫度補償技術介紹

2.1 氫電導率測量中溫度補償方式存在的問題

電導率測量時通常以25 ℃作為其基準溫度，當溶液溫度偏離基準溫度時需將其補償為基準溫度的電導率值。純水電導率與溫度呈非線性關系，不同溫度下溶液具有不同的溫度-電導率變化曲線。國外氫電導率表進行溫度補償時使用非線性溫度補償曲線，通過不同溫度下電導率值、溫度計算特定溫度補償系數以獲得準確的電導率測量結果。國內大部分氫電導率表對電導率進行溫度補償時均使用線性溫度補償曲線進行補償（溫度補償系數一般取2%），如果樣品溫度偏離25 ℃時測量準確性較差。

凝汽器系統來水經凝汽器檢漏裝置處理后樣水溫度一般仍高于25 ℃，有些樣水溫度可達40 ℃。凝汽器檢漏裝置上的氫電導率表如采用線性溫度補償方式將會影響氫電導率測量的準確性，進而影響凝汽器檢漏裝置對系統泄漏情況的判斷。因此，在凝汽器檢漏裝置上的氫電導率表必須采用非線性溫度補償方式進行溫度補償。

2.2 智能氫電導率表采用的非線性溫度補償方法

目前，在電導率與溫度關系公式上，最為常用的線性溫度補償擬合公式為

式（1）中：K（25）為25 ℃時實際測量電導率值，單位為μS/cm；K（t）為t℃時實際測量電導率值，單位為μS/cm；σ為溫度補償系數；T為溫度，單位為℃。

該線性溫度補償方法在通常測量中的補償效果是理想的。但對于純水樣品，這種補償方式在溫度偏離25 ℃時會偏離真值。純水體系下非25 ℃電導率測量的關鍵在于準確地擬合σ與K（t）、T之間的非線性關系。首先在實驗室進行了大量的電導率、溫度試驗，然后根據試驗數據建立了一套非線性溫度補償算法并寫入智能氫電導率表中，在實際在線測量時采用回歸擬合的方式計算出不同溫度下的σ值，實現氫電導率測量的非線性溫度補償。表1是智能氫電導率表與標準氫電導率表按照標準方法在不同溫度條件下的測量比較［24］。兩套儀表均采用非線性溫度補償方法，試驗數據見表1。

從表1數據可知，在（18～40）℃范圍智能氫電導率表與標準氫電導率表測量的電導率值相對偏差小于2%。智能氫電導率表使用的非線性溫度補償方法適用于凝汽器檢漏裝置。

3 智能氫電導率表在凝汽器檢漏裝置上的應用

表1 不同溫度條件下智能電導率表與標準電導率表的測量值比較Table 1 Comparison of the measured values of intelligent conductivity instrument and standard conductivity instrument under different temperature conditions

3.1 某1 000 MW機組凝汽器檢漏裝置簡介

某1 000 MW 機組凝汽器檢漏裝置系統示意圖如圖5。圖5 中凝汽器檢漏裝置共設有A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4 8 個取樣點，樣品經取樣泵取樣后采用氫電導率表分析樣品氫電導率值，8 個取樣點管路上設置電動門通過PLC控制定時切換取樣。同時裝置設有人工取樣門可以手工取樣分析樣品。將現場凝汽器檢漏裝置上的人工取樣門上加裝三通閥門后分流至智能氫電導率表，監測對比傳統氫電導率表和智能氫電導率數據。智能氫電導率表和在線氫電導率表均使用VHJ-V 型移動式化學儀表校驗裝置校驗校準，以確保儀表在應用試驗過程中的準確性。

對于電廠運行人員來說，傳統的在線氫電導率表在日常維護過程中需更換、再生、裝填樹脂，從而導致不能連續監測氫電導率。如果再生樹脂過程中再生方法不正確、再生不徹底，在更換樹脂后還會給在線氫電導率表引入交換柱附加誤差，影響在線氫電導率表的準確性［25-30］。而智能氫電導率表在機組啟動時能保證凝汽器檢漏裝置上的氫電導率采樣值可快速達到穩定值，保障凝汽器檢漏裝置在機組啟動時正常工作。

3.2 現場試驗數據分析

圖6是2018年8月14至2018年9月2日期間儀表監測數據。從圖6 可知，實驗期間兩套智能氫電導率表和在線氫電導率表運行穩定，1號和2號在線氫電導率表相對偏差在標準要求范圍之內。2018年9月2日現場機組停運，至2018 年9 月5 日現場機組啟動。剛啟動后取樣水質較差，圖7 是機組啟動后一定時間內儀表監測數據。

圖5 某1 000 MW機組凝汽器檢漏裝置系統示意圖Fig.5 System schematic diagram of condenser leaking detection device for a 1 000 MW thermal power plant

圖6 穩定運行階段在線氫電導率表和智能氫電導率表監測數據Fig.6 On-line monitoring data of hydrogen conductivity instrument and intelligent hydrogen conductivity instrument in stable operation stage

圖7 機組啟動在線氫電導率表和智能氫電導率表監測數據Fig.7 On-line hydrogen conductivity instrument and intelligent hydrogen conductivity instrument monitoring data for unit start-up

從圖7 數據可知，啟機后智能氫電導率表僅運行20 min后已穩定讀數，在線氫電導率表穩定速度慢，整體數據滯后于智能氫電導率表，并且讀數時儀表穩定性較差。

在停機過程中在線氫電導率表并未更換新的離子交換樹脂，啟機運行3天后2號氫電導率表相對偏差超標，判斷離子交換樹脂失效，現場檢修人員更換在線氫電導率表離子交換柱中樹脂。更換樹脂前后監測數據見圖8。

圖8 更換樹脂前后在線氫電導率表和智能氫電導率表監測數據Fig.8 On-line hydrogen conductivity instrument and intelligent hydrogen conductivity instrument monitoring data before and after resin replacement

由圖8 數據可知，在線氫電導率表更換樹脂前隨著樹脂失效相對偏差逐漸升高，換樹脂后又恢復到正常狀態穩定運行，試驗期間智能氫電導率表運行穩定。

4 結語

與傳統的在線氫電導率表相比，智能氫電導率表在電廠的應用實踐表明測量數據連續穩定可靠，可迅速反映凝結水等水汽品質的變化。應用于凝汽器檢漏裝置可準確測量凝結水的氫電導率，在陽離子交換樹脂正常時，測量值與理論值基本吻合。在機組啟動期間，智能氫電導率表比常規氫電導率表能更快達到穩定數值，在陽離子交換樹脂部分失效時，更能準確反映凝結水的氫電率。加裝智能氫電導率表的凝汽器檢漏裝置在特定情況下，能更準確有效判斷凝汽器泄漏位置，為準確隔離凝汽器泄漏側爭取了時間，并且智能氫電導率表運行期間無需更換樹脂，減少了工作量和廢樹脂處理量，可適應目前機組頻繁啟動的情況，尤其對于停機和啟動頻繁的聯合循環機組非常適用。

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