一種氫電導(dǎo)率測量新技術(shù)的研究及應(yīng)用

王彩霞 1，王振宇 1，朱亞飛 1，董靜梅 1，鐘 杰 *，劉 瑋 ，張龍明

（1.華能平?jīng)霭l(fā)電有限責(zé)任公司，甘肅 平?jīng)?744000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

氫電導(dǎo)率是水汽系統(tǒng)腐蝕監(jiān)控最關(guān)鍵的控制指標(biāo)之一，反映了水汽中腐蝕性陰離子的總量，對水汽系統(tǒng)中雜質(zhì)陰離子進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，保證了發(fā)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，達(dá)到間接監(jiān)測水汽系統(tǒng)熱力設(shè)備腐蝕情況的目的［1-14］。《GB/T 12145-2016火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》對各水樣的氫電導(dǎo)率有嚴(yán)格的規(guī)定，一旦氫電導(dǎo)率超標(biāo)，熱力系統(tǒng)發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)極高，影響機(jī)組的安全運(yùn)行［15-21］。

目前，電廠測量水汽氫電導(dǎo)率都是在常規(guī)電導(dǎo)率表前加裝一種陽離子交換樹脂柱，但傳統(tǒng)陽離子交換柱需定期更換、再生樹脂，樹脂更換較為頻繁，影響氫電導(dǎo)率連續(xù)在線監(jiān)測。此外，還存在以下問題［22-24］。

1）更換樹脂或停機(jī)后啟機(jī)，需要長時(shí)間對離子交換樹脂進(jìn)行沖洗，影響氫電導(dǎo)率的正常測量。

2）部分電廠氫電導(dǎo)率測量中使用非變色陽離子交換樹脂，主要通過監(jiān)測氫電導(dǎo)率值是否超過控制值作為更換陽離子交換樹脂的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)氫電導(dǎo)率值超出控制指標(biāo)時(shí)，即認(rèn)為陽離子交換樹脂失效，更換再生好的樹脂。但這種判斷方式存在以下問題：氫電導(dǎo)率升高不僅由樹脂失效引起，水質(zhì)惡化也會(huì)造成氫電導(dǎo)率升高，當(dāng)水汽品質(zhì)惡化時(shí)，氫電導(dǎo)率測量值會(huì)升高，超出控制指標(biāo)，工作人員將此作為樹脂失效的判斷依據(jù)而更換、再生樹脂，再生后的樹脂由于有再生酸液的殘存，短時(shí)間內(nèi)沖洗不干凈，導(dǎo)致氫電導(dǎo)率偏高，不能反映水質(zhì)真實(shí)情況，對化學(xué)監(jiān)督和控制造成不利影響。

3）目前，我國大部分電廠采用5%鹽酸溶液靜態(tài)浸泡法對陽離子交換樹脂進(jìn)行再生，但由于存在離子交換平衡，再生后陽離子交換樹脂不可能為100%氫型，而是氫型和銨型（或其他陽離子型）的混合型態(tài)。因此，鹽酸靜態(tài)浸泡再生方式最大的缺陷就是樹脂再生不徹底，造成氫電導(dǎo)率測量結(jié)果偏低，導(dǎo)致水汽品質(zhì)異常時(shí)不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

4）該方式還存在運(yùn)維工作量大、運(yùn)行成本高、再生廢酸排放等問題。

受以上因素干擾，氫電導(dǎo)率測量中會(huì)出現(xiàn)誤差，不能反映真實(shí)水汽品質(zhì)狀況，對化學(xué)監(jiān)督人員造成誤導(dǎo)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電廠發(fā)生重大腐蝕事故［25-28］。

基于氫電導(dǎo)率測量中存在的問題，本文提出了一種氫電導(dǎo)率測量新技術(shù)，無需更換或再生樹脂，實(shí)現(xiàn)了氫電導(dǎo)率的快速、準(zhǔn)確、連續(xù)測量，對推動(dòng)電站化學(xué)監(jiān)督技術(shù)的提升及綜合防治水汽系統(tǒng)設(shè)備腐蝕具有重要意義。

1 氫電導(dǎo)率測量新技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

本技術(shù)核心在于利用電再生陽離子交換裝置替換傳統(tǒng)用陽離子交換柱對氫電導(dǎo)率進(jìn)行測量，該裝置主要采用電再生技術(shù)實(shí)現(xiàn)對陽離子交換樹脂的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)再生，技術(shù)原理如圖1所示。當(dāng)水樣通過電再生陽離子交換裝置后，水樣中陽離子與特種樹脂進(jìn)行離子交換變?yōu)闅潆x子，處理后水樣進(jìn)入電導(dǎo)池對氫電導(dǎo)率進(jìn)行測量；同時(shí)，在電極兩端提供一定電壓，利用電解水產(chǎn)生的氫離子對其中極少量的特種樹脂進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)再生，使其中的樹脂始終保持氫型狀態(tài)，無需更換再生樹脂［29］。該裝置可在不同測試水流條件下常壓運(yùn)行，能夠直接替換電廠測量氫電導(dǎo)率的常規(guī)離子交換柱，實(shí)現(xiàn)氫電導(dǎo)率的連續(xù)在線測量。

圖1 電再生技術(shù)原理Fig.1 Schematic diagram of the electric regeneration technology

目前電再生技術(shù)主要應(yīng)用于制水系統(tǒng)，因電再生裝置的操作壓力很高，在分析儀器領(lǐng)域并未發(fā)現(xiàn)電站使用電再生式氫電導(dǎo)率測定儀等相關(guān)技術(shù)，因此，將電再生技術(shù)應(yīng)用于氫電導(dǎo)率測量是國內(nèi)外一個(gè)新的發(fā)展方向。

1.2 采用電再生陽離子交換裝置的氫電導(dǎo)率測量系統(tǒng)

電再生陽離子交換裝置可直接替換傳統(tǒng)陽離子交換柱，使用現(xiàn)場電導(dǎo)率電極和變送器實(shí)現(xiàn)對氫電導(dǎo)率測量，具體測量系統(tǒng)見圖2所示。采用該測量系統(tǒng)測量氫電導(dǎo)率，無需更換和再生樹脂，可實(shí)現(xiàn)真正意義的水汽系統(tǒng)氫電導(dǎo)率的連續(xù)測量。

圖2 采用電再生陽離子交換裝置的氫電導(dǎo)率測量系統(tǒng)Fig.2 Flow chart of the intelligent cation conductivity measurement system

2 測量準(zhǔn)確性試驗(yàn)

2.1 陽離子去除率研究

用優(yōu)級(jí)純氨水配制不同濃度的氨水溶液，通過電再生陽離子交換裝置，采用離子色譜儀對電再生陽離子交換裝置進(jìn)水及出水中的NH4+濃度進(jìn)行測量，測試該裝置對陽離子的去除效果，試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1試驗(yàn)結(jié)果可知，在一般發(fā)電廠水汽中氨水濃度小于5 000μg/L情況下，流速在10～100 mL/min范圍內(nèi)變化時(shí)，電再生陽離子交換裝置出水NH4+濃度均小于1μg/L，不同流速試驗(yàn)條件下電再生陽離子交換裝置對NH4+的去除率均能達(dá)到99%以上，滿足電廠水汽氫電導(dǎo)率的測量要求。

表1 電再生裝置對NH4+的去除效果Table 1 The removal effect of NH4+by electric regeneration device

2.2 與標(biāo)準(zhǔn)表測量結(jié)果比對試驗(yàn)

根據(jù)圖3所示試驗(yàn)流程圖，用優(yōu)級(jí)純氨水配制不同濃度的氨水溶液，分別通過電再生陽離子交換裝置和試驗(yàn)電導(dǎo)率表、標(biāo)準(zhǔn)氫離子交換樹脂柱和標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率表測量同一水樣的氫電導(dǎo)率值，通過比較試驗(yàn)電導(dǎo)率表和標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率表的測量值，測試電再生氫電導(dǎo)率測量技術(shù)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)過程中進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率表的流量保持300 mL/min，調(diào)整試驗(yàn)電導(dǎo)率表流量，測試流量對測量結(jié)果的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖3 測量準(zhǔn)確性試驗(yàn)流程圖Fig.3 Flow chart of measurement accuracy test

表2 測量準(zhǔn)確性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of measurement accuracy

由表2試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)流量為10 mL/min時(shí)，試驗(yàn)表的氫電導(dǎo)率值都沒有達(dá)到理論純水電導(dǎo)率值，流量提高到50 mL/min時(shí)，試驗(yàn)表的氫電導(dǎo)率值可達(dá)到理論純水電導(dǎo)率值。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，控制電再生離子交換裝置流量為100 mL/min，此時(shí)試驗(yàn)表和標(biāo)準(zhǔn)表電導(dǎo)率值基本吻合，滿足《DL/T 677-2018發(fā)電廠在線化學(xué)儀表檢驗(yàn)規(guī)程》中整機(jī)工作誤差小于±10%的要求，采用電再生氫電導(dǎo)率測量技術(shù)可滿足發(fā)電廠氫電導(dǎo)率測量要求。

3 電廠工業(yè)應(yīng)用

甘肅某電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組為300 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，水汽取樣間和精處理系統(tǒng)原采用傳統(tǒng)氫電導(dǎo)率測量系統(tǒng)對氫電導(dǎo)率進(jìn)行測量，該測量系統(tǒng)在使用過程中需對樹脂進(jìn)行定期更換或再生，容易引發(fā)許多測量干擾問題，導(dǎo)致氫電導(dǎo)率無法測量準(zhǔn)確，并給現(xiàn)場運(yùn)行人員增加維護(hù)工作量。本次工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)將電再生氫電導(dǎo)率測量技術(shù)應(yīng)用于該電廠水汽系統(tǒng)氫電導(dǎo)率測量中，將傳統(tǒng)陽離子交換樹脂柱更換為電再生陽離子交換裝置，并對電再生陽離子交換裝置測量穩(wěn)定時(shí)間、電再生陽離子交換裝置對陽離子的去除效果以及電再生陽離子交換裝置的穩(wěn)定運(yùn)行狀況進(jìn)行研究，通過相關(guān)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證電再生氫電導(dǎo)率技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用的可行性。

3.1 測量穩(wěn)定時(shí)間試驗(yàn)研究

將1號(hào)、2號(hào)機(jī)組省煤器入口、過熱蒸汽和精處理混床出口母管6臺(tái)氫電導(dǎo)率表的傳統(tǒng)陽離子交換樹脂柱更換為電再生陽離子交換裝置，記錄氫電導(dǎo)率表測量值達(dá)到穩(wěn)定階段所用時(shí)間；同時(shí)將飽和蒸汽氫電導(dǎo)率表的陽離子交換樹脂柱更換新的陽離子交換樹脂，記錄氫電導(dǎo)率表測量值達(dá)到穩(wěn)定階段所用時(shí)間，與采用電再生離子交換裝置的氫電導(dǎo)率表測量穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行比對，結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 1號(hào)機(jī)組氫電導(dǎo)率表監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.4 Cation conductivity instrument monitoring data of No.1 unit

圖5 2號(hào)機(jī)組氫電導(dǎo)率表監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.5 Cation conductivity instrument monitoring data of No.2 unit

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，更換陽離子交換柱后，應(yīng)用普通陽離子交換柱（飽和蒸汽）的氫電導(dǎo)率表測量值達(dá)到穩(wěn)定階段所用時(shí)間約為60 min，而應(yīng)用電再生陽離子交換裝置的氫電導(dǎo)率表測量值達(dá)到穩(wěn)定測量值僅需要約10 min左右，大大縮短了穩(wěn)定時(shí)間。

3.2 陽離子去除效果試驗(yàn)

取電再生陽離子交換裝置的進(jìn)出水水樣，通過離子色譜對水樣中陽離子含量進(jìn)行檢測，計(jì)算對陽離子的去除率，試驗(yàn)結(jié)果見表3。由于水汽系統(tǒng)中陽離子主要為NH4+，其他陽離子含量非常低，因此通過NH4+去除率來表示電再生陽離子交換裝置對陽離子的去除效果。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，裝置對水中NH4+等陽離子去除率均可達(dá)到99%以上，滿足測試要求。

表3 電再生陽離子交換裝置對NH4+去除率Table 3 The removal effect of NH4+by electric regeneration device

3.3 穩(wěn)定運(yùn)行狀況

對更換為電再生陽離子交換裝置的氫電導(dǎo)率表測量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)表與在線氫電導(dǎo)率表測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，觀察電再生陽離子交換裝置的穩(wěn)定運(yùn)行狀況，判斷在線氫電導(dǎo)率表測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖6～圖9。

圖6 1號(hào)機(jī)組在線氫電導(dǎo)率表監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 On-line cation conductivity instrument monitoring data of No.1 unit

圖7 1號(hào)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)氫電導(dǎo)率表監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.7 Standard cation conductivity instrument monitoring data of No.1 unit

圖8 2號(hào)機(jī)組在線氫電導(dǎo)率表監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.8 On-line cation conductivity instrument monitoring data of No.2 unit

圖9 2號(hào)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)氫電導(dǎo)率表監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.9 Standard cation conductivity instrument monitoring data of No.2 unit

試驗(yàn)結(jié)果表明，除1號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵出口和2號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵出口氫電導(dǎo)率變化波動(dòng)較大，其他6臺(tái)氫電導(dǎo)率表測量值均比較穩(wěn)定，且與標(biāo)準(zhǔn)氫電導(dǎo)率表測量數(shù)據(jù)基本吻合。試驗(yàn)期間1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組凝結(jié)水泵出口氫電導(dǎo)率變化波動(dòng)較大，但在線氫電導(dǎo)率表的測量值與標(biāo)準(zhǔn)氫電導(dǎo)率表的測量值基本一致，表明氫電導(dǎo)率表測量準(zhǔn)確，而氫電導(dǎo)率波動(dòng)較大的原因?yàn)槟Y(jié)水泵出口水質(zhì)異常變化，這也充分說明采用再生陽離子交換裝置的在線氫電導(dǎo)率表可準(zhǔn)確反映水質(zhì)的變化情況，而且試驗(yàn)期間連續(xù)電再生陽離子交換裝置一直保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，測量數(shù)據(jù)連續(xù)、穩(wěn)定、可靠。

4 結(jié)語

本文針對目前氫電導(dǎo)率測量中存在的問題，提出了一種氫電導(dǎo)率測量新技術(shù)，本技術(shù)核心在于利用電再生陽離子交換裝置替換傳統(tǒng)氫電導(dǎo)率測量用陽離子交換柱實(shí)現(xiàn)對氫電導(dǎo)率測量，該裝置主要采用電再生技術(shù)實(shí)現(xiàn)對陽離子交換樹脂的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)再生，測量過程中無需更換樹脂、無需化學(xué)試劑再生，實(shí)現(xiàn)真正意義水汽系統(tǒng)氫電導(dǎo)率的連續(xù)測量。

將該技術(shù)應(yīng)用于電廠，在氫電導(dǎo)率測量中不需要再生或更換樹脂，在機(jī)組啟動(dòng)、負(fù)荷變化較大的情況下，能準(zhǔn)確快速達(dá)到穩(wěn)定測量值，實(shí)現(xiàn)了氫電導(dǎo)率的快速、準(zhǔn)確、連續(xù)測量。該技術(shù)可滿足生產(chǎn)需要，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性優(yōu)于傳統(tǒng)方法，對提高氫電導(dǎo)率測量準(zhǔn)確性以及提高水汽化學(xué)監(jiān)督與控制可靠性具有重要意義。