爐水取樣分析監測提質節能系統在高壓鍋爐的應用

江磊 高迎熙

1中國石油化工股份有限公司長嶺分公司 2西安況能電力設備有限公司

1 背景

為保證鍋爐熱力系統長周期平穩運行，一般同時采取排污和加藥兩種方式改善爐水水質，減緩結垢。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。

在鍋爐爐水質量控制領域已經開發了多種自動加藥和排污控制系統，但由于采樣分析的代表性和準確性、算法等原因，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。一方面排污量居高不下，影響能耗，另一方面磷酸三鈉的加入量憑經驗調整，爐水質量不穩定，同時也容易造成排放污水中磷含量超高，帶來環保問題。

某煉化公司熱電部兩臺260t/h 循環流化床鍋爐（CFB），CFB鍋爐產生的高壓蒸汽（9.8MPa）主要作為工業熱源（3.5MPa或1.0MPa）輸送到下游各用熱單元，同時在降壓過程中推動汽輪機裝置發電。相對中壓鍋爐而言，高壓鍋爐對爐水品質要求更為嚴格。若爐水品質不佳不僅會加劇鍋爐結垢影響熱效率，而且可能造成汽輪機本體葉片積鹽，降低汽輪機的出力效率，并可能因為影響了葉片動平衡而產生安全隱患。另外送至各用熱單元的蒸汽品質不佳，長時間累積會造成設備腐蝕、結垢堵塞等負面影響，甚至形成安全隱患。

CFB鍋爐原配置有汽水取樣架和汽水分析在線儀表，取樣水經過冷卻器冷卻后由汽水儀表自動取樣化驗。爐水加藥系統由現場控制柜人工現場啟動兩臺計量泵進行加藥。但運行過程中存在以下問題：

①汽水取樣架換熱效果差，爐水樣品攜帶蒸汽，一方面嚴重影響在線儀分析的準確性，另一方面由于汽水相平衡變化，爐水樣品的代表性也受到影響。

②在線分析儀表無法正常投用，爐水水質檢測為人工定點取樣化驗檢測，并根據人工分析結果判斷調整排污，分析結果嚴重滯后，排污或加藥等調整措施對爐水水質的影響嚴重失真。而且人工定點取樣化驗為每4h一次，分析頻次大，也造成了分析成本高。

③加藥系統根據經驗人工調整加藥量，爐水質量不可控因素多，波動大。

為確保爐水水質，生產上犧牲了一定的排污量和加藥量，盡管水質達標率100%，但綜合汽水損耗率高達5%～8%，單臺鍋爐滿負荷運行時排污量多達5.5t/h以上，節能減排壓力大。

鑒于爐水取樣分析監測提質節能系統（簡稱“爐水自控系統”，下同）在該煉化公司制氫裝置中壓鍋爐（3.5MPa）的成功應用，在提高爐水質量、緩解鍋爐結垢的同時降低排污量70%，2022年CFB鍋爐新增了一套爐水自控系統，包含爐水、過熱蒸汽、飽和蒸汽、除氧水、省煤器入口汽水取樣裝置，水質在線分析系統、排污電動調整閥門，智能分析提質節能控制系統，磷酸鹽自動加藥控制系統等。該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，分析系統連續分析爐水化學（pH值、電導率、硅酸根濃度、磷酸鹽濃度）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，實現爐水各項化學指標保持穩定，達到保證爐水水質并減少排污量的目的。2022年5月6日爐水自控系統調試完畢，5月7日正式投運，平穩運行至今。

2 應用效果

2.1 爐水自控系統投用前爐水質量情況

以2020~2022年數據為例，爐水自控系統投用前爐水質量基本統計如表1所示，以增加水質分析頻次、加大排污量和加藥量為代價，保證了水質100%合格率。但從實際誤差分析，水質各項指標的波動不容樂觀。

表1 2020～2022年爐水自控系統投用前爐水質量統計表

2.2 爐水自控系統投用后爐水質量情況

2022年5月爐水自控系統投用運行，至2023年1月爐水水質基本情況如表2所示。運行數據表明爐水水質繼續保持了100%合格率，而且爐水中pH值、磷酸鹽和電導率的平均偏差和標準偏差均低于爐水自控系統投用前，表明爐水水質控制更平穩；爐水中磷酸鹽和電導率平均值均低于爐水自控系統投用前，反映了磷酸三鈉加入量的有效降低，而且較低的磷酸鹽濃度反而讓爐水結垢趨勢更低。這些分析指標的變化充分表明了爐水自控系統投用后爐水水質實質上得到了提高，進而也獲得了品質更優的蒸汽。

表2 2022-2023年爐水自控系統投用后爐水質量統計表

2.3 排污量的變化

爐水自控系統投用前，由于是采樣分析水質結果滯后，人工加藥導致爐水水質控制水平較低，不得已只能加大排污以保障水質平穩，單臺鍋爐滿負荷運行時排污量高達5.5t/h以上。爐水自控系統投用后，根據爐水水質變化情況調整CFB鍋爐汽包連續排污量和定期排污量，單臺鍋爐滿負荷運行時排污量已降至1.7t/h左右，相比投用前排污總量減少69%。

鍋爐排污水實際上就是鍋爐汽包內的飽和態爐水，而CFB鍋爐的原料水為二級除鹽水，每噸10余元，另外汽包內的飽和態爐水要變成排污水，從高壓到低壓，從高溫到低溫，最后還帶走大量余熱焓值，浪費的能耗和成本還是非常可觀的。自爐水自控系統投用后，CFB鍋爐的綜合汽水損耗率從爐水自控系統投用前5%～8%降到了2%以下，還有更進一步的優化空間。由此可見，該系統的節水和節能效果卓有成效，具體經濟效益會隨著鍋爐運行負荷和時間而變化。

2.4 磷酸三鈉用量的變化

爐水自控系統投用前后單臺鍋爐滿負荷運行時磷酸三鈉消耗量分別約為2.72kg/d和2.18kg/d，即爐水自控系統投用后磷酸三鈉消耗量減少了20%，盡管磷酸三鈉價格比較低廉，但藥劑成本的節約還是非常明顯的。更重要的是減少了磷酸鹽的污水外排，鍋爐排污水中含有一定量的磷酸鹽，必須經過污水處理之后才能排放外環境。而鍋爐排污水的減量和其中磷酸鹽濃度的降低，都有利于污水處理的后續處理和磷含量的達標排放，環保意義顯著。

3 結語

在保證爐水質量合格率100%的前提下，爐水取樣分析監測提質節能系統在CFB高壓鍋爐（9.8MPa）上成功應用。2022年5月投用以來，該系統的穩定運行在獲得品質更優的爐水基礎上，降低了排污量69%，磷酸三鈉消耗量減少了20%，取得了顯著的節能、降本和減排效果，經濟效益和社會效益凸顯。