發電廠在線溶解氫監測設備的研究與應用

于洪濤 劉 忠

（1. 浙江大唐烏沙山發電有限責任公司，浙江 寧波 315722；2. 北京蕊奧博科技開發有限任公司，北京 100095）

0 引言

隨著高參數大容量火力發電機組的不斷投入運行，發電廠鍋爐“四管”（省煤器、水冷壁、過熱器、再熱器）長期在高溫、高壓、腐蝕、磨損等特殊工作環境中運行，“四管”腐蝕泄漏事故在電力生產安全事故中占相當比例。據資料統計，近20年我國共記錄了40533次發電廠鍋爐“四管”腐蝕泄漏事故。其中，40%發生在水冷壁管，30%發生在過熱器，15%發生在再熱器，10%發生在省煤器，5%發生在旋風燃燒器。80%的事故造成了發電機組非計劃停機，給發電廠運行經濟性和安全性帶來極大隱患，成為發電廠增加經濟效益最關鍵的障礙。

目前常見的水汽系統監督手段主要是通過在線儀表的數據和定期測定水汽中腐蝕性離子和鐵離子濃度的方法進行運行中監督，再結合大小修的垢量分析進行金屬設備高溫氧化或腐蝕的事后評價。但設備管道腐蝕產物的氧化物絕大部分沉積在金屬表面，較少量腐蝕產物溶解在水汽中，因此上述方法不能連讀表征腐蝕的進展情況，且實驗室手工化驗數據的間斷性，未做到實時監督。目前全行業化學監督的調查研究顯示存在水汽質量合格率高和沉積率（垢量）高的“兩高”矛盾。

設備金屬表面具有優越的耐腐蝕性能是由于其表面致密氧化膜的生成，良好地隔絕了鐵與水的反應。當保護膜遭到腐蝕被破壞時，鐵與水在高溫條件下發生反應生成鐵的氧化物與氫氣，氧化物沉積在管道表面，而氫氣溶于水汽中，直接導致水汽中的溶解氫含量增加。因此，通過水汽系統溶解氫含量的在線連續監測，可評價設備的腐蝕程度。

1 研究背景及意義

在高溫環境下，水蒸汽管道表面水分子與金屬元素發生反應，生成鐵氧化物的過程，稱為蒸汽氧化。反應式如下：3Fe+4H2O（g）→Fe3O4+4H2

從上述反應式可看出，金屬表面形成了Fe3O4后，阻擋了Fe和水汽的接觸，反應速度就取決于氫和鐵離子的擴散速度，隨著Fe3O4膜的增厚，擴散速度便隨著降低，氫的析出量就隨著降低。因此可根據氫的析出量變化，間接地檢測Fe3O4膜的形成情況。本項目研制的在線溶解氫表可應用于發電廠熱力系統的腐蝕監測，其通過監測飽和蒸汽、過熱蒸汽中的微量溶解氫含量及變化趨勢，實時監控熱力系統的腐蝕狀況。

2 研究的現狀

熱力系統溶解氫含量的監測技術在國外已有應用，尤其在大容量機組上的應用比較廣泛，對于保障大容量機組的安全穩定運行起到了關鍵作用。目前，國內火力發電廠水汽系統應用的溶解氫分析儀大多為進口產品（如哈希3655，瑞士），其測量都采用膜電極法。膜電極法受氧氣的干擾較大，主要原因是膜對氧氣也較敏感，且膜電極法測量儀表的校驗過程也比較復雜，需采用標準氣體進行離線校驗，這種離線的校驗方法應用于微量氫的在線測量時，誤差較大。因此這種類型的溶解氫表準確性不高，難以滿足高參數大容量機組對蒸汽中微量溶解氫在線監測的要求。

熱導式分析儀器是一種結構簡單、性能穩定、價格低廉、技術上較為成熟的儀器，可用于氫氣氣體濃度的在線測量上（如火力發電廠給水、汽水分離器、過熱蒸汽、再熱蒸汽中溶解氫含量的測量）。本項目基于熱導測量原理，開發研制了溶解氫含量在線監測裝置，它可以把這些樣水中的氫從水中分離出來，并進行在線監測，以達到檢測發電廠汽水系統腐蝕的目的。

3 研究的主要內容

本項目依據氣相色譜分析儀檢測器的熱導測量原理，設計研制了電廠水汽系統微量溶解氫在線脫氣及分析檢測系統，并在國內某電廠進行了溶解氫檢測儀表的應用。

測量原理如下：當被測氣體以恒定的流速流入分析儀器時，熱導池內的鉑金絲的阻值會因被測氫氣濃度的變化而變化，運用惠斯頓電橋將阻值信號轉換成電信號，通過電路處理將信號放大、溫度補償、線性化、使其轉換為氫氣濃度。

3.1 溶解氫在線監測系統設計

圖1所示為本項目設計的在線溶解氫測量系統流程圖，整個測量系統由水樣恒壓穩流單元、法拉第電解和水樣恒溫單元、調零單元、分離器單元、檢測單元、數據處理和顯示單元組成。

圖1 在線溶解氫測量系統流程圖

3.1.1 水樣恒壓穩流單元

水樣恒壓穩流單元包括水樣恒壓、穩流、流量調節等部分，不同測點的樣水 ，經取樣架恒溫25℃處理后，從進樣口（1）進樣，流經三通閥（2）進入流路，一路去流量計（4），另一路去恒壓槽（3），去恒壓槽的水樣利用恒壓槽出水管封頭重力來恒定水壓，完成系統穩流作用，穩壓可以使樣水進水壓力變化時，樣水流量基本保持不變，從而達到穩定樣水流量的目的。由于對樣水進行了恒壓處理，電子流量計（4）調節閥可以精細調整至儀器所需的流量。

3.1.2 法拉第電解和水樣恒溫單元

法拉第電解和水樣恒溫單元由法拉第電解池和恒溫水套組成，穩流后的水樣經過電子流量計（4）流經法拉第電解池（5），進入恒溫水套（12）。

當儀表需要量程校準時，開啟法拉第電解池，電解池電解出氫氣的濃度計算公式如下：

μg/L(氫) =法拉第電解常數/樣水流量×電解電流

例：氫氣的法拉第電解常數為630，當水樣流量為210mL/min時，電解電流為2mA。

其計算方法為：

3.1.3 熱導測量系統

熱導測量系統由測量側和參比側兩部分組成，其由以下部件組成:

熱導池、玻璃鐘罩、運行文丘利管、分離鐘罩、儀表調零閥、調零文丘利管、密封流通池、飽和濕空氣蕊、飽和濕空氣蕊儲水瓶、熱導池連通管、空氣連通管平衡濾芯等組成。圖2為其組成示意圖。

圖2 熱導測量系統圖

測量側熱導系統測量流程如下：被測水樣在恒溫水套內循環后，進入運行文丘里管，此時水樣中的溶解氫則通過運行文丘利管析出，進入分離鐘罩和測量側熱導池，并由熱導元件對其進行測量。參比側熱導系統組成部件包括：零點校正閥、空氣飽和器、飽和濕空氣蕊、飽和濕空氣蕊儲水瓶、熱導池連通管、空氣連通管平衡濾芯、參比側熱導元件。

參比側熱導系統部件雖然不多，但它的作用卻很大，它不僅要為熱導池的參比側提供穩定濕度的空氣（參比氣），還要為運行側提供微量的可調整的載氣，載氣量的調整不能大也不能小，載氣量大了儀器的靈敏度會降低，載氣量小了靈敏度提高了，而儀器的調零時間又會很長，所以載氣量的調整既要兼顧儀器的靈敏度又要兼顧儀器的調零時間。

飽和濕空氣蕊儲水瓶為飽和濕空氣蕊提供了源源不斷的水份，由于測量側熱導元件工作在微負壓狀態，通過熱導池連通管、空氣連通管和平衡蕊，使空氣在穿過飽和濕空氣蕊時，進行了充分地加濕，把空氣變成了飽和濕度下的空氣，為測量池及參比池提供恒定濕度的載氣。

3.2 在線溶解氫測量裝置運行調試

對儀器各部分進行分步研發后，開始進行儀器的整體安裝調試，儀器安裝調試包括

以下試驗內容：

（1）通水試驗：通過通水試驗可以鑒定一下儀器整體工作的狀況，各個部件位置安裝的合理性，以及進行部件的合理調整，從而使儀器達到最佳的運行狀態；

（2）流速穩定試實驗：在流速穩定不變的情況下，進行長時間的運行考核，觀察儀器的穩定性，找出最佳的運行值；

（3）法拉第電解試驗：法拉第電解池是儀器的關鍵，它為儀器產生已知溶解氫濃度的標準水樣，它是儀器的標準及建立，并在任何情況下輸出一穩定的溶解氫濃度校驗值，對儀表進行運行標定；

（4）儀器的整體標定：儀器的整體標定很重要，通過對儀器的標定，制定一套簡便可行的標定程序，并提供給使用者使用。使經校驗后的儀器達到統一標準，達到儀器部件的互換使用時，都在誤差范圍內。

3.3 溶解氫在線檢測系統應用研究

本項目研制的溶解氫在線檢測系統已成功應用于國內某電廠600WM機組水汽系統溶解氫的在線檢測上，測量數據真實地反映了機組運行期間的腐蝕狀態。表1為國內某電廠3號機組溶解氫儀表運行記錄。

表1 某電廠#3機組溶解氫儀表運行記錄

表1為國內某電廠600MW機組水汽系統主蒸汽與過熱蒸汽安裝溶解氫監測儀表后運行記錄數據，自2021年5月儀表調試成功投運后測量主蒸汽溶解氫（準確值）最小值1.255μg/L，主蒸汽溶解氫（準確值）最大值2.623μg/L，汽水分離器溶解氫（準確值）最小值1.504μg/L，汽水分離器溶解氫（準確值）最大值2.549μg/L，表2為新增再熱器出口溶解氫監測設備之后的運行記錄數據，經過一段時間的設備運行，運行人員依據水中溶解氫的數據進行加氨和加氧操作，主蒸汽溶解氫（準確值）最小值已下降至0.689μg/L，分離器汽溶解氫（準確值）最小值0.132μg/L，同時給水加氧量也降低，給水氧與過熱氧的差值也降低到10μg/L左右。以上數據表明，過熱器腐蝕得到有效抑制，氧化皮的生成速率大大降低，過熱器得到有效保護。

表2 某電廠#3機組溶解氫儀表運行記錄

圖3是三號機2022年2月9日～2月12日的歷史曲線，從圖中可以看到通過不斷的工況調整與參數優化，汽水分離器溶解氫含量維持在0.2～0.5之間，過熱蒸汽中的溶解氫含量維持在0.06～0.56之間，與機組負荷變化正相關，說明溶解氫監測儀測量精度和穩定性完全滿足設計要求。

圖3 三號機歷史曲線

4 結語

（1）本項目開發研制的熱導式微量溶解氫在線監測儀，其分辨率達到 0.01μg/L，可以準確測量火力發電廠水汽系統中微量氫的含量；

（2）溶解氫表在國內某600MW機組電廠的應用研究表明，電廠水氣系統有腐蝕發生時，除在線氫表以外的其它在線儀表的指示值（如硅、磷、銅、鐵、鈉、氧、聯胺、導電度、pH表）尚處在正常值時，溶解氫儀表就已經監測到相應的腐蝕信息，并將其轉換成氫氣濃度從儀表上顯示出來；

（3）溶解氫測量比鐵離子測量更具有取樣代表性、實時性、準確性；

（4）通過監測水汽系統中的微量溶解氫含量及變化趨勢，可以實時監控熱力系統的腐蝕狀況；可以指導運行人員對運行參數及時調整減少腐蝕的產生。