爐水取樣分析監測提質節能系統應用研究

文_江磊 胡視 呂宗杰

1 中國石油化工股份有限公司長嶺分公司 2 中國石化北海煉化有限責任公司

鍋爐熱力系統是熱工的基本單元，爐水品質的平穩程度直接影響了鍋爐熱力系統的運行周期和能效。鍋爐運行過程中，隨著爐水不斷轉變為蒸汽，鍋爐汽包內爐水水質不斷變差，直觀表現為腐蝕、結垢和積鹽的趨勢不斷加大。為保證鍋爐長周期平穩運行，一般同時采取排污和加藥兩種方式改善爐水水質。排污是指用定期排污和連續排污的形式排出一定量水質變差的爐水并補充新水以降低濃縮倍數。加藥則是定量加入阻垢劑以防結垢，磷酸三鈉是應用最廣泛的阻垢劑，一些無磷配方的阻垢劑也有所應用但因效果、經濟性等多方面原因尚未能全面取代磷酸三鈉。

隨著自控和分析手段的發展，不同的自動加藥和排污控制系統得以在鍋爐爐水質量控制領域開發應用，但由于汽包內氣液兩相混合影響采樣分析的代表性和準確性，以及溫度和壓力的變化導致爐水水樣因相變而失去代表性，自動加藥和排污控制系統運行的穩定性不盡人意。目前多數鍋爐仍以人工調整的模式控制排污和加藥，操作上為保險起見一般都會有意加大排污量和加藥量，導致排污量居高不下，影響能耗，同時磷酸三鈉的加入量憑經驗調整，爐水質量不穩定，容易造成排放污水中磷含量超高，帶來環保問題。

1 應用

某煉化企業制氫裝置中壓汽包（3.5MPa）產汽量80t/h。人工調配藥劑，通過計量泵注入汽包，汽包定排和連排均通過手閥控制，加藥量和排污量的控制根據爐水磷酸根和pH值分析結果憑經驗調整。自2011 年投用以來，汽包每月連續排污量約720t，能量單耗0.48kgEO/t，爐水質量合格率僅75%左右。爐水質量的不穩定導致汽包及汽水管道系統結垢嚴重，多次出現管道結垢導致壓降過大被迫停工檢修，爐水質量問題亟待解決。

2019年該裝置新增一套爐水取樣分析監測提質節能系統（簡稱“爐水自控系統”），實現了爐水水質在線監測、自動加藥和連續排污一體控制。該系統將爐水樣水通過高低溫取樣架降溫降壓由化學儀表對爐水指標進行分析，并根據各項指標通過綜合算法控制連排測控節能系統及自動加藥系統，使鍋爐爐水排污系統及時均衡合理的排污并自動變頻加藥，達到改善水質并減少排污量的目的。

2 機理

爐水自控系統通過獨特設計的高低溫取樣架降溫降壓保障爐水取樣的代表性，高低取樣架包括取樣箱體，取樣箱體內底部設有冷卻層，冷卻層內設有冷卻管，冷卻層上端中間為凸起結構，冷卻管呈S 型均布于冷卻層內，取樣架與取樣口連通的管道口位于凸起結構最高位置上端；取樣箱體上壁兩側設有排氣口，取樣箱體位于凸起結構最低端設置有排污口，此取樣降溫降壓結構利于樣水快速流通快速換熱并且樣水在小流量工況時，能夠迅速到達分析系統實現樣水檢測。

分析系統連續分析爐水化學（pH 值、電導率、硅酸根濃度、磷酸根濃度）指標，應用自適應PID 算法，綜合積分分離、抗積分飽和、帶超限死區和不完全微分等算法，自動調整排污和加藥，實現爐水化學指標保持穩定。由于汽包內爐水各化學指標之間變化存在非線性變化且擾動因素多，傳統PID 調節系統由于其算法機理較為簡單，達不到滿意的控制效果，所以根據能適應參數非線性變化及排除檢測數據的擾動因素尤為重要，此新算法機理中考慮到了汽包內爐水各擾動因素，及各種參數變化所引起的數據波動，能夠自適應調整函數模型相關參數，并識別擾動因素，綜合快速調整爐水內水質。

3 效果

3.1 系統投用前爐水質量情況

自2011 年制氫裝置投用直至2018 年，爐水質量基本統計如表1 所示。爐水質量指標為pH 值9 ～11，磷酸根5 ～12mg/L。無論是pH 值還是磷酸根合格率均不理想，尤其是磷酸根的控制水平，不足80%的水質合格率嚴重影響了爐水的總合格率，導致鍋爐結垢嚴重，甚至造成裝置非計劃停工，影響巨大。

表1 2011～2018年爐水質量統計表

投用爐水自控系統之前，2019 年1 月1日～10 月31日爐水。pH 值合格率93%，磷酸根合格率僅78%，而且pH 值波動范圍為7.81～11.34，磷酸根波動范圍為0 ～22mg/L，波動大而且無規律，表明了投用爐水自控系統之前的爐水質量控制水平比較低。

3.2 系統投用后爐水質量情況

2019 年11 月1日，爐水自控系統投用試運行。

2020 年4月至2021 年12 月爐水水質基本情況如表2 所示。一年半的運行數據表明pH 值和磷酸根的波動幅度和合格率均得到了顯著提升，尤其是磷酸根的控制水平得到大幅度提升，pH 值和磷酸根波動范圍均明顯縮小，pH 值主要集中在9 ～10.5，磷酸根主要集中在5 ～11mg/L，總合格率從投用前的75%左右提升到了95%左右。2021 年2 月該裝置停工檢修，鍋爐結垢情況較以前得到大幅度緩解。無論是爐水水質情況還是鍋爐實際運行情況都表明，該爐水自控系統對爐水水質穩定控制的效果非常顯著。

表2 2020～2021年爐水質量統計表

3.3 連續排污量的變化

爐水自控系統投用前連續排污量約為1t/h。爐水自控系統投用后，汽包連續排污量平均降至0.3t/h，相比投用前減少了70%。裝置負荷率按53000Nm3/h 計，能量單耗降低0.147kgEO/t，相比投用前減少30%。節水和節能效果明顯。

3.4 磷酸三鈉用量的變化

爐水自控系統投用前后單位產汽磷酸三鈉消耗量分別約為0.45g/t 和0.34g/t，即爐水自控系統投用后每噸產汽的磷酸三鈉消耗量減少了24%，一方面節約了藥劑成本，更重要的是減少了磷酸根的污水外排，有利于污水處理的后續處理和達標排放。

4 結語

爐水取樣分析監測提質節能系統的應用改善了制氫裝置中壓汽包爐水質量，水質平穩，總合格率由改造前的75%左右提高到95%左右，滿足了生產需求。

自2019 年11 月投用以來，鍋爐結垢情況得到大幅度緩解。爐水取樣分析監測提質節能系統的應用在提高爐水質量的同時降低排污量70%，減少磷酸三鈉加藥量24%，節能和環保意義顯著。