水質在線監測系統研究與在蒸汽鍋爐中的應用分析

摘要：對鍋爐水質進行合理有效地控制是保證蒸汽鍋爐安全、經濟運行的重要措施之一，通過研究分析影響鍋爐熱效率的多種因素，得出影響上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠蒸汽鍋爐熱效率的主要原因，同時針對影響鍋爐熱效率的主要原因開展研究分析，提出通過開發蒸汽鍋爐水質在線監測系統來監測鍋爐水質的各項指標及變化。當鍋爐水質各項指標出現波動及趨勢性變化時，及時通過前置加藥環節干預鍋爐進水，使得鍋爐水質保持在最佳指標區間，以此減少鍋爐受熱面的結垢，降低熱阻，提高傳熱效率，減少運行過程中的定期排污和連續排污的排水量，進一步節約水資源并降低鍋爐排污熱損耗，進而使得鍋爐熱效率得到有效提升。

關鍵詞：鍋爐水質；在線監測；排污；蒸汽鍋爐；熱效率

隨著全球能源需求的不斷增長和環境問題的日益嚴峻，如何實現能源的高效利用和環境的可持續發展，成為亟需突破和完成的重要課題。鍋爐作為工業生產中的關鍵熱能設備，其運行效率和安全性對能源節約和環境保護具有顯著影響。鍋爐水質的控制與管理，是確保鍋爐高效、節能、安全運行的基礎。良好的水質可以減少鍋爐受熱面的結垢，降低熱阻，提高傳熱效率，從而減少能源消耗，良好的鍋爐水質管理可以減少燃燒不充分的情況，從而減少SO2、NOx 等有害氣體的排放，改善空氣質量。另外，對鍋爐水質進行控制還可以減少腐蝕的發生，進而避免設備腐蝕所導致的泄漏，杜絕能源浪費和環境污染[1]。本文對上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠（簡稱“天津卷煙廠”）車間的工程概況、影響蒸汽鍋爐熱效率因素、水質在線監測系統研究開發及應用等進行了詳細分析，探討了鍋爐水質控制在環境保護和能源節約中的重要作用，為車間生產以鍋爐運行為主的企業提供了節能減排參考。

1 工程概況

天津卷煙廠位于天津市東麗區，廠內下轄一車間、二車間、動力車間及倉儲車間，其中動力車間作為整個工廠的能源轉化和輸送部門，負責向整個工廠提供電力、蒸汽、壓縮空氣等能源，監控和管理能源使用效率，確保能源的合理分配和使用，減少能源浪費。

在能耗占比方面，動力車間能耗占比在工廠整體能耗的57％以上。其中，鍋爐系統能耗占比是動力車間能耗占比的重要組成部分，目前天津卷煙廠動力車間共有4 臺燃氣蒸汽鍋爐，包括產氣量為4 t/h 的小型燃氣蒸汽鍋爐1 臺、產氣量為20 t/h 的中型燃氣蒸汽鍋爐3 臺。經統計，天津卷煙廠燃氣蒸汽鍋爐熱效率為88％，處于較低水平，因此提升燃氣蒸汽鍋爐熱效率成為工廠能源管理的重要課題。

2 影響鍋爐熱效率的原因

結合天津卷煙廠生產實際情況，對鍋爐燃燒情況、排煙熱損失、鍋爐保溫情況、給水溫度、傳熱效果5 方面影響燃氣蒸汽鍋爐熱效率的因素進行分析，促進燃氣蒸汽鍋爐減少能耗，提升運行效率。

2.1 鍋爐燃燒情況

現階段產氣量為20 t/h 的中型燃氣蒸汽鍋爐使用煙氣再循環系統運行，保證鍋爐正常燃燒的同時降低煙氣排放中的污染物。在鍋爐排煙管道出口安裝煙氣檢測裝置，對煙氣中的SO2 濃度、NOx 濃度和氧含量進行檢測，其中出口氧含量在3.5％～4.5％之間，NOx 折算率數值為25～30 之間，均處于指標要求的數值區間，因此考慮鍋爐出口氧含量對燃氣鍋爐熱效率的影響率較低，不將其作為本次研究改進的主要方向。

2.2 排煙熱損失

排煙熱損失是影響鍋爐熱效率的重要因素之一。排煙溫度越高，排煙熱損失越大。燃氣鍋爐的排煙溫度每增加10～15 ℃，鍋爐熱效率將降低1% 左右。此外，煙氣含水量也會影響排煙熱損失，原因在于煙氣中的蒸汽會帶走大量汽化潛熱。通過加裝溫度傳感器，測得天津卷煙廠燃氣蒸汽鍋爐的排煙溫度在130 ℃左右。和同類燃氣蒸汽鍋爐相比，天津卷煙廠排煙溫度處于較低水平，且運行多年來，此指標數據相對平穩，因此考慮鍋爐排煙熱損失對燃氣蒸汽鍋爐熱效率的影響率較低，不將其作為本次研究改進的主要方向。

2.3 鍋爐保溫情況

鍋爐爐體、汽水管道、煙道等的保溫情況對鍋爐的熱效率有顯著影響。如果保溫性能較差，鍋爐會向環境散熱，造成大量散熱損失，因此加強保溫可以降低散熱損失，提高鍋爐熱效率。通過對鍋爐爐體、汽水管道、煙道的保溫情況進行逐一徹底摸排，發現保溫情況完好，保溫隔熱效果完全符合指標要求，且工廠定期組織管道保溫巡查檢查，過程中未發現保溫損壞脫落情況，因此考慮鍋爐保溫情況對燃氣蒸汽鍋爐熱效率的影響率較低，不將其作為本次研究改進的主要方向。

2.4 給水溫度

給水溫度對鍋爐熱效率也具有一定影響，提高給水溫度不僅可以減少鍋爐的熱損失，還能提高熱效率。通過對鍋爐給水溫度進行監測，發現天津卷煙廠鍋爐給水溫度始終保持在100℃左右。由于鍋爐給水在進入鍋爐之前會經過除氧器處理，去除水中氧氣及其他氣體，使鍋爐給水溶解氧符合要求，因此考慮給水溫度及給水溶解氧對燃氣蒸汽鍋爐熱效率的影響率較低，不將其作為本次研究改進的主要方向。

2.5 傳熱效果

傳熱效果直接影響鍋爐的熱效率，如果傳熱較差或長期運行導致傳熱惡化，都會使鍋爐熱效率降低，因此保持受熱面清潔，避免積灰和結垢，可提高傳熱效果。通過對天津卷煙廠3 臺產汽量為20 t/h 的燃氣蒸汽鍋爐進行維保大修，發現鍋爐受熱面存在部分積灰和結垢，經過加熱對比試驗發現受熱面結垢會影響傳熱效果，進而影響鍋爐整體熱效率，因此考慮傳熱效果對燃氣蒸汽鍋爐熱效率的影響率較高，計劃對鍋爐受熱面結垢的原因展開分析。

通過對受熱面上取下的水垢進行試驗分析，發現其主要成分為碳酸鈣、碳酸鎂等物質，因此進一步對鍋爐給水的水質進行化驗分析，發現鍋爐給水水質硬度偏高，水中鈣、鎂等礦物質含量較高，且鍋爐水質的pH 在8 ～ 9 之間，略低于指標要求的pH 建議區間，因此得出對鍋爐水質控制和管理的欠缺是導致天津卷煙廠燃氣蒸汽鍋爐熱效率偏低的主要原因。

2.6 小結

綜上所述，本次研究改進的主要方向為對鍋爐水質的監測與控制，并以此來減少鍋爐中水垢的產生，進而提升天津卷煙廠燃氣蒸汽鍋爐熱效率。

3 水質在線監測系統的開發

3.1 測量過程設計

3.1.1 爐水取樣與預處理

當取樣管道內的溫度傳感器檢測到管內水溫符合鍋爐爐水溫度，確認管內為爐水，打開冷卻系統對爐水降溫；當檢測到管內溫度符合水質監測要求水溫，打開檢測管道上的電磁閥，使爐水流入檢測管道，進行下一步檢測。

3.1.2 爐水水質檢測

參照國家標準，通過直接檢測的方式測得pH、電導率和總溶解固體（Total dissolvedsolids，TDS）[1] 的相應數據，通過滴定法間接測得爐水的全堿度和酚酞堿度[2-6]。

3.1.3 污水處理與容器清洗

堿度測量完成后，通過蠕動泵抽空燒杯內廢液至廢液桶中，并進行2 次燒杯清洗，完成檢測過程。

3.2 監測系統設計

對收集的數據信息進行積累、加工、分析、判異及利用，實現對鍋爐水質的在線監測功能。

3.3 編程方式

采用流程模塊化編程方式，分為輸入處理、輸出處理、手動控制、自動取樣、蠕動泵控制、清洗、攪拌、計算、顏色識別、HMI、單步、滴定實驗。

3.4 控制系統架構設計

電控系統由IO 控制層、系統層、網絡層和客戶端構成，爐水取樣系統設計原理如圖1所示。

3.5 鍋爐取樣

3.5.1 取樣系統設計方案

取樣系統設計分為取樣管路及降溫管路，系統根據程序指令進行電磁閥的開啟和關閉來控制爐水及冷卻自來水的流通。當溫度傳感器檢測鍋爐水溫度符合設定范圍時，確認管內為鍋爐爐水，打開相應電動閥，使鍋爐水流入檢測管道；當溫度傳感器檢測鍋爐水溫度大于設定的檢測溫度時，開啟降溫裝置進行鍋爐水降溫，直到鍋爐水溫度符合設定范圍，開啟電動閥進行下一步檢測[7][8]。各傳感器測量溫度要求（允許工作溫度范圍）如表1 所示。

3.5.2 取樣系統改造

原有鍋爐檢測管道如圖2 所示。

對原有鍋爐檢測管道的改造設計如圖3 所示。增加自動取樣管路，通過溫度傳感器對爐水溫度進行監測，并通過對電動閥及電磁閥的控制實現鍋爐水取樣和冷卻水/ 除鹽水降溫；增加水流開關對管路中的水流進行監測；增加pH 傳感器、溶解固形物傳感器、電導率傳感器檢測爐水的各項指標；增加取樣桶進行爐水收集及堿度滴定檢測。

3.5.3 取樣系統控制

自主搭建定時器，設置采樣周期；自動打開電磁閥、電動閥進行取水；加入溫度判斷，確定取水為當前爐水，確保總管溫度滿足測量傳感器工況要求；通過水流開關監測確保冷卻水正常供應，無冷卻水時，爐水電動閥不會開啟。

3.6 直接檢測

直接檢測系統采用直接測量的方法，在檢測管道內安裝傳感器，檢測鍋爐水的pH、電導率及TDS。

3.7 堿度滴定

堿度滴定系統共使用了5 臺蠕動泵，其中標準型蠕動泵3 臺，用于取樣、滴定酸、排液，分配型蠕動泵2 臺，用于滴定甲基橙試劑和酚酞試劑。根據《工業鍋爐水質》（GB/T 1576-2018）[9] 附錄E1.2可知，酚酞堿度是以酚酞作為試劑時所測出的量，全堿度是以甲基橙作指示劑時測出的量。根據GB/T 1576-2018 附錄E4 測定方法，E4.1適用于鍋水、化學凈水、冷卻水、生水等堿度≥ 0.5 mmol/L 水樣，E4.2 適用于凝結水、除鹽水等堿度lt; 0.5 mmol/L 水樣。本系統所測量的屬于鍋水，因此選用標準中E4.1 的測定方法。

按照GB/T 1576-2018 提供的流程，設計了符合現場環境的堿度滴定流程，即通過蠕動泵從取樣桶中取樣100 mL 注入化驗瓶內，隨后滴入酚酞試劑及甲基橙試劑，通過磁力攪拌器使之充分混合變色，顏色識別傳感器識別到溶液顏色變化后啟動加酸滴定[10]，當滴定過程中溶液顏色再次變化時，顏色識別傳感器傳輸數字量信號，系統通過滴定時間分別記錄2次耗酸體積。

GB/T 1576-2018 附錄E4.4 闡述的酚酞堿度、全堿度的計算如式（1）、式（2）所示。

通過式（1）、式（2）計算耗酸量，試驗測得轉速15 r/min 運行20 min 后耗酸10 mL。

3.8 廢液處理與清潔

堿度測量流程結束后，將燒杯中的廢液排入廢液桶中，再抽取取樣桶內的爐水加入至燒杯中，啟動磁力攪拌器對燒杯進行涮洗，并將涮洗燒杯的液體排入廢液桶，重復涮洗燒杯2次后，開啟取樣桶電磁閥排空取樣桶內剩余爐水，監測系統運行結束。

4 水質在線監測系統的應用

4.1 數據積累

在系統運行過程中，將所測量的數據進行采集歸檔。選取2024 年1 月8 日的5 個時間點進行采樣，測量結果如表2 所示。

4.2 數據加工及分析

將所收集到的數據進行整理和加工，繼而通過圖形、圖表等方式作進一步處理，將其轉化為折線圖、趨勢圖等可直觀觀測且具有利用價值的信息。

4.3 信息利用

對所得到的信息進行甄別和分析，如圖4所示，根據指標數據的變化趨勢分析鍋爐系統各個工段的健康狀態，進而判斷鍋爐系統的運行狀況，為鍋爐系統的運維提供參考。

通過水質在線監測系統的上線運行，可對鍋爐水質進行更為清晰、及時地了解；通過檢測系統的預警，在2023 年6 月—2024 年6 月期間，對鍋爐水質進行了數十次提前干預，且系統運行后在鍋爐大修維保期間檢查鍋爐受熱面發現無明顯水垢及灰塵。因此，受鍋爐水質得到有效控制影響，由水質問題導致的連續排污次數和定時排污次數降低為原來的1/3，累計節水187 t，減少排污導致的熱量損失7.8 億kJ。經統計，在此期間，天津卷煙廠燃氣蒸汽鍋爐熱效率始終保持在93% 以上。

5 結束語

綜上所述，通過對影響鍋爐熱效率的多種因素作深入分析，以及水質在線監測系統的應用，有效降低了燃氣蒸汽鍋爐受熱面結垢程度，減少了由水質不合格導致的排污問題，進而減少了能源浪費，有效提升了燃氣蒸汽鍋爐的熱效率。

隨著技術的不斷進步，未來的鍋爐系統將更加智能化和自動化，鍋爐水質在線監測系統可與鍋爐的智能控制系統進一步集成，實現更高效的能源管理和優化。此外，研究還應擴展到其他影響鍋爐熱效率的因素，如燃燒器的優化、余熱回收技術的應用等，以全面實現蒸汽鍋爐的節能減排。因此，未來水質在線監測系統應不局限于在蒸汽鍋爐中的應用，其技術也可推廣到其他類型的鍋爐和工業熱交換設備中，并通過跨領域的技術融合，讓未來的工業生產更加高效、環保，為實現可持續發展目標做出更多貢獻。

總之，研究展示了通過技術創新和管理優化提升燃氣鍋爐熱效率的有效途徑，期待這些成果能夠為相關領域的研究和實踐提供參考，并推動工業能源利用的持續進步。

參考文獻

[1] 王迎春.淺談工業鍋爐水質檢測及處理中出現的常見問題及對策[J].世界有色金屬，2020（4）：260，262.

[2] GB/T 6904-2008，工業循環冷卻水及鍋爐用水中pH的測定[S].

[3] 張昌勝，謝美珊，李妍，等.基于可編程邏輯控制器的水電機組機械穩定監測系統設計[J].電氣技術，2020，21（1）： 83-85.

[4] 國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法（第四版）（增補版）[M].北京：中國環境出版社，2002：120.

[5] 許志坤，張俊康，葉華，等.變壓器水噴淋降溫裝置的改進設計與應用[J].電氣技術，2023，24 （9）：76-79.

[6] 楊秀蓮. 甲基橙堿度測定滴定終點顏色判斷探討[J].冶金動力，2014，33（4）：55-57.

[7] 劉暉，李多山.基于工業人機界面（HMI）觸摸屏的應急電源監控器[J].電氣技術，2018，19（9）：107-110.

[8] 王爽，歐陽澤，王祺，等.一種基于可編程邏輯控制器和人機界面的真火消防模擬控制系統[J].電氣技術，2023，24（8）：56-60.

[9] GB/T 1576-2018，工業鍋爐水質[S].

[10] 趙勇軍，廖圣，楊萬銳，等.一起基于聲學及紅外成像檢測技術的配電網架空絕緣導線缺陷案例分析[J].電氣技術，2022，23（12）：95-99.

作者簡介

金正旭（1988—），男，漢族，天津人，工程師，大學本科，主要從事企業高低壓配電、能源運行管理工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-07-19