發電廠水汽取樣裝置運行現狀及改進方向研究

楊裕民 崔 銳 哈燕萍 汪思華 胡振華

（1. 西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2. 華能蘭州西固熱電有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

在線化學儀表是發電廠水汽化學監督與控制的關鍵手段[1,2]，隨著我國大容量、高參數機組的不斷發展[3]，對水汽控制指標的要求也不斷提高[4]。確保在線化學儀表的準確測量對于發電廠安全運行至關重要。然而，當前我國在線化學儀表普遍存在“兩高”現象，即水汽監測的合格率很高，但是水汽系統熱力設備的腐蝕結構速率也很高[5,6]。劉詳亮等[7]對我國9省11個電廠的695臺在線化學儀表進行檢驗分析，結果表明：我國電廠在線化學儀表的測量準確率普遍不高。趙素紅[8]對在線儀表“兩高”現象出現的原因進行了分析，除開儀表選型不合理、儀表維護工作不到位外，水汽取樣裝置的設計不合理也是重要因素之一。

水汽取樣裝置由高溫取樣架、恒溫裝置和低溫取樣架三部分組成，通過水汽取樣裝置，對進入在線化學儀表的水樣溫度、壓力等參數進行調控，對取樣系統中的雜質進行排污，確保進入儀表的水樣滿足測量要求[9]。如果水汽取樣裝置運行出現故障，將會對儀表準確測量產生巨大影響[10,11]。

1 水汽取樣裝置運行現狀

1.1 高溫取樣架運行現狀

高溫取樣架是水汽取樣裝置的首道關口，主要承擔著對來自水汽系統取樣點的高溫高壓水汽樣品的降溫降壓及排污功能。高溫取樣架通常由高溫高壓截止閥、排污閥、冷卻器、調壓閥等閥門及相關部件組成。高溫取樣架在運行過程中，經常會出現如下故障：

（1）高溫取樣架高溫截止閥及排污閥內漏

閥門作為輸送流體的控制部件,具有截止、調節、導流、防逆流、穩壓、分流等功能。對于高溫取樣架而言，高溫截止閥在運行過程中處于完全開啟或關閉狀態。不同機組對應的水汽參數各有差異。當前我國以高效低碳的超（超）臨界機組為主，其蒸汽溫度在22MPa以上，溫度可達570℃，給水溫度也在280℃以上。從系統直接取樣的水汽溫度、壓力等參數很高，會對高溫截止閥產生巨大沖擊，同時熱應力也會加速閥門失效，最終導致閥門由于密封面損壞[12]、空化[13]、填料磨損[14]、溫度壓力變化時閥瓣偏斜等因素導致閥門內漏，失去截流作用[15]。

高溫排污閥同樣存在上述問題。部分電廠采用未經冷卻就直接排污的控制方式，導致排污閥內流體介質溫度、壓力很高，高溫高壓流體給排污閥造成嚴重的沖刷腐蝕，導致閥門內漏[16]。有的電廠采取初級冷卻后再排污的方案，沖刷腐蝕現象雖有減緩，但是閥門內漏現象仍然存在。這是因為部分水樣溫度、壓力很高，經初級冷卻后仍然會對排污閥造成巨大沖擊而導致閥門失效。

高溫截止閥及排污閥內漏會對取樣裝置功能造成巨大影響。在取樣系統故障、部分水樣需要檢修時，如果截止閥關不嚴，會導致高溫高壓的水汽進入取樣系統，給安全檢修造成巨大隱患。在啟機過程中，閥門內漏，同樣會給取樣系統調整和運行人員投運取樣裝置造成安全隱患。

機組在運行過程中，無時無刻不在產生腐蝕產物[17]。由于取樣系統取樣管管徑小，流速低，且在部分管段存在汽液兩相流，因此腐蝕產物容易在取樣管中存留，會導致取樣不具有代表性，最終影響化學監督測量的準確性。因此，運行機組需要定期進行排污[18,19]。但是，由于排污閥性能不穩定，經常在排污后內漏，導致運行人員不敢排污和不愿意排污。此外，排污閥內漏會導致空氣中的雜質和氧氣、二氧化碳等成分進入取樣系統，導致在線化學儀表測量出現偏差，同樣會影響化學運行監督控制的效果。

因此，高溫取樣架高溫截止閥及排污閥內漏問題，嚴重影響機組的安全運行，也制約著化學運行監督控制水平；

（2）高溫取樣架冷卻器污堵

高溫取樣架冷卻器利用冷卻水對高溫高壓水汽介質進行降溫降壓。冷卻器多采用不銹鋼材質，通常較少出現機械斷裂，失效原因基本歸因于冷卻器污堵。一般發電廠受地理條件限制，多使用半開式循環水系統，冷卻水經凝汽器換熱后，通過自然通風冷卻塔淋至水池降溫后循環使用。在此過程中，采用物理和化學方法進行處理，保證水質在合格范圍。當循環水水質惡化時，水中的雜質容易粘連沉積在冷卻器表面，使冷卻水流量降低，同時降低冷卻器熱傳導效率，導致對水汽樣品換熱降溫能力下降，引起進入儀表的水樣溫度升高，影響儀表準確測量。

對于開式循環水系統和海水直流機組，通常對于水質較少處理，因此水中污泥、微藻、海生物等雜質也會在循環水泵作用下進入冷卻器，造成冷卻器污堵。此外，海水中存在的大量氯離子會腐蝕不銹鋼冷卻器，只不過這種腐蝕效果是緩慢的，通常難以對冷卻器性能產生嚴重影響。

當循環水系統處理采用常規磷處理方案，循環水中的污垢以磷酸鈣、碳酸鈣等硬度鹽類為主，其溶解度隨溫度升高而減小[20]，因此會在冷卻器進口處大量沉積。一般而言，當循環水的流速超過1m/s時，污垢和懸浮物等雜質容易被水流沖走[21]。但是如果冷卻器結構設計不合理，或者冷卻水流速難達要求時，就會在冷卻器表面沉積，影響換熱效果。

高溫取樣架冷卻器失效嚴重影響機組安全和人員安全。冷卻器失效會導致高溫高壓水汽無法正常降溫降壓，導致調壓閥及恒溫裝置難以有效正常工作，到達低溫取樣架的水汽樣品超溫超壓，直接接觸在線化學儀表會儀損壞表，造成巨大的經濟損失。高溫高壓水汽從手工取樣排出，也會給運行人員造成巨大傷害。冷卻器失效后，采用降溫后再排污的排污閥將會受到高溫高壓流體的劇烈沖刷，加劇閥門失效速度，影響排污安全。此外，因為冷卻水水質普遍較差，如果冷卻器輕微泄漏，會導致進入低溫取樣架水樣被污染而不具有代表性，造成測量結果偏差。

（3）高溫取樣架調壓閥堵塞

高溫高壓水汽樣品經過冷卻器進行減溫減壓后，還需要經過調壓閥進一步調節壓力，從而確保進入在線化學儀表的水樣流量保持在適宜的測量范圍內。調壓閥也是高溫取樣架多個部件中容易發生故障的一個。調壓閥故障主要體現在閥門堵塞。由于水汽流體中不可避免攜帶有機組運行過程中產生的腐蝕產物和其他雜質，容易在調壓閥過流部位沉積而影響調節閥的調節特性，嚴重時甚至水樣斷流，從而導致流量不符合在線化學儀表測量要求，影響化學監督測量結果。

總之，高溫取樣架截止閥、排污閥、冷卻器和減壓閥如果出現故障，會對化學監督測量帶來巨大影響，應該引起運行檢修人員的注意。

1.2 低溫取樣架運行現狀

水汽樣品經高溫取樣架降溫降壓后，經過恒溫裝置調節溫度后（通常在線化學儀表要求的適宜測量溫度為25℃），進入低溫取樣架。低溫取樣架主要由手工取樣及在線化學儀表兩部分組成。在日常運行中，在線化學儀表由于維護不及時、水樣參數不適宜等多種情況，導致水汽化學監測結果偏差巨大。

（1）水樣流量不合適導致儀表測量偏差

水樣流量適宜與否嚴重影響在線化學儀表測量準確性。不適宜的水樣流量，會造成儀表電極無法完全接觸水樣、傳感器工作不正常等，從而嚴重影響了測量的準確性。目前，水汽取樣裝置的流量調控依賴于調壓閥與手工取樣的共同作用。通過調壓閥調節水樣總流量，然后通過調節手工取樣流量的大小來控制進入儀表的水樣流量。以上操作存在明顯缺陷：當機組負荷變化時，水樣總流量會發生變化，人工無法及時調節手工取樣流量來確保在線化學儀表流量始終處于適宜狀態，造成在線化學儀表斷流或者流量超限，從而帶來在線化學儀表無水樣可測和水樣參數不合理的問題；

（2）水樣溫度不合適導致儀表測量偏差

水樣溫度主要受高溫取樣架冷卻器和恒溫裝置調控，經過冷卻器的水樣溫度各不相同，在恒溫裝置的調控下，統一將水樣溫度控制在25℃，為在線化學儀表提供友好可靠的測量環境。恒溫裝置通過控制加熱或冷卻來控制水樣溫度，其控溫原理可以分為開環控制和閉環控制兩種。其中開環控制根據預設的溫度范圍來控制加熱或冷卻系統的輸出，而不考慮實際溫度的變化，因此這種控制方式控制精度較低。閉環控制方式通過傳感器溫度來實時監測溫度變化，并根據實際溫度與設定溫度之間的差異來調整加熱或冷卻系統的輸出。這種控制方式可以更準確地維持設定的溫度范圍，但是需要更復雜的控制系統和更高的設備成本。恒溫裝置在長時間運行后，容易出現冷卻效果降低甚至失效的作用，這通常是因為壓縮機故障造成的。部分電廠在基建時期由于設備調試不到位等原因，也會造成恒溫裝置運行異常或故障，從而對（氫）電導率、pH等關鍵參數準確測量產生巨大偏差，從而影響化學加藥防腐效果。雖然目前在線化學儀表基本都具備溫度補償功能，然而，在實際運行過程中，各個儀表的溫度補償結果通常是不準確的，因此，仍需要將水樣溫度保持在25℃以保持儀表測量準確。

2 水汽取樣裝置改進方向

綜上所述，水汽取樣裝置在運行過程中，高溫取樣架及低溫取樣架都存在諸多故障問題，從而影響在線化學儀表測量準確性。針對以上問題，提出電廠水汽取樣裝置的改進方向。

2.1 開展水汽取樣裝置可靠性提升研究

高溫截止閥、排污閥和恒溫裝置是水汽取樣系統關鍵設備部件，能否長久安全穩定運行關系到水汽取樣代表性和在線化學儀表測量準確性。應開展裝置可靠性研究，通過新材料、新工藝，提升截止閥和排污閥在高溫高壓條件下耐沖刷腐蝕性能，通過增設傳感器、優化恒溫控制邏輯等方式，進一步提高恒溫裝置的運行可靠性。

2.2 開展水汽取樣裝置自動化研究

高溫取樣架內存在高溫高壓工質，在排污操作及閥門泄漏等情況下，會對運行人員造成極大安全隱患；另一方面，排污閥需要人工操作，會造成排污不及時甚至不排污，從而影響取樣代表性。調壓閥同樣需要人工調節，在機組負荷變化時難以保證在線化學儀表流量適宜。因此，開展水汽取樣裝置自動化研究，實現排污功能和調壓功能的自動化，從而實現定期排污和自動調壓，有有助于確保取樣代表性和儀表流量穩定性，從而確保在線化學儀表測量準確。

2.3 開展水汽取樣裝置智能化研究

水汽取樣系統部件種類多、水汽參數差異大，而在線儀表準確測量對于取樣裝置可靠運行和參數穩定要求均很高。傳統的控制手段和監測手段難以有效實現設備故障預警、故障診斷、壽命預測功能，難以實現水樣關鍵參數的數字化監測和智能調控，完全無法實現能耗監測、能耗優化、控制優化，已經不符合發電廠安全穩定、綠色低碳運行的要求。結合物聯網、大數據、人工智能技術，開展水汽取樣裝置智能化研究，實現對于取樣裝置關鍵設備的實時監控、智能診斷、智能檢修，實現對于水樣關鍵參數的智能監控、智能優化、智能尋優，有助于顯著提升水汽取樣裝置安全穩定運行水平和水樣關鍵參數平穩控制水平，有助于化學監督控制的準確，從而提高機組防腐防垢、節能降耗水平。

3 結語

發電廠水汽取樣裝置在運行過程中普遍存在諸多問題和缺陷，會給在線化學儀表準確測量和人員安全操作帶來影響，影響加藥防腐效果、人員安全工作和機組可靠運行。通過水汽取樣裝置可靠性、自動化和智能化研究，有望解決以上問題，為機組安全經濟低碳綠色運行提供可靠保障。