李依航

(海南核電有限公司，海南 昌江 572700)

在線鈉表在核電站除鹽水系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

李依航

(海南核電有限公司，海南 昌江 572700)

控制核電站回路水中鈉離子的濃度對(duì)于減少設(shè)備的腐蝕有著重要意義，因此在線鈉表在運(yùn)行電站的化學(xué)儀表中尤為重要。海南核電有限公司主要采用ORION 2111XP和2111LL型鈉離子濃度測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)鈉離子的實(shí)時(shí)監(jiān)控。針對(duì)除鹽水廠房在線鈉表的調(diào)試工作，對(duì)鈉離子的測(cè)量原理、影響鈉表標(biāo)準(zhǔn)性的因素以及維護(hù)中常見問題與解決辦法加以總結(jié)。

在線鈉表 核電站 除鹽水廠房 誤差分析 維護(hù)與檢修

在線化學(xué)儀表是核電廠化學(xué)監(jiān)督的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而鈉表是核電廠在線化學(xué)儀表中較為關(guān)鍵的儀表。發(fā)電廠熱力系統(tǒng)中鈉離子含量是監(jiān)督蒸汽品質(zhì)、鑒別凝汽器的泄漏、監(jiān)督陽離子交換器參數(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，可直接反映熱力設(shè)備的積鹽腐蝕程度。當(dāng)蒸汽中攜帶一些含鈉的雜質(zhì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)金屬材料的點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞，這些腐蝕常會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。通過監(jiān)督鈉離子濃度可以有效提高化學(xué)監(jiān)督水平，嚴(yán)格控制水汽品質(zhì)，防止和減緩熱力設(shè)備腐蝕、結(jié)垢，提高設(shè)備的安全性，延長使用壽命，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1]。在線鈉表用于檢測(cè)鈉離子濃度，具有響應(yīng)速度快及信號(hào)反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，可及時(shí)檢測(cè)凝汽器泄漏和蒸汽品質(zhì)惡化情況，對(duì)減少水汽系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢和蒸汽系統(tǒng)積鹽有重要意義，有力地保證了機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[2，3]。

ORION 2111XP和2111LL型在線鈉表具有測(cè)量精度高、范圍寬及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，能夠快速、準(zhǔn)確地反映被測(cè)介質(zhì)的鈉含量指標(biāo)。筆者針對(duì)除鹽水系統(tǒng)在線鈉表的調(diào)試工作，對(duì)鈉離子的測(cè)量原理、影響鈉表標(biāo)準(zhǔn)性的因素和維護(hù)中常見問題與解決辦法加以總結(jié)。

鈉離子的在線定量分析采用原電池法，即將對(duì)鈉離子敏感的玻璃電極、參比電極和溫度電極同時(shí)浸入測(cè)量溶液中構(gòu)成測(cè)量電池，通過獲知的電動(dòng)勢(shì)來求得溶液中鈉離子的濃度。該電池電動(dòng)勢(shì)符合能斯特方程，即：

(1)

式中C——鈉離子的有效濃度(即離子活度)；

Ciso——電位E不隨溫度變化時(shí)的鈉離子濃度；

E——測(cè)量的電極電位值，mV；

E0——等電勢(shì)的電極電位，該值不隨溫度變化；

F——法拉第常數(shù)；

N——被測(cè)離子的價(jià)態(tài)(鈉離子為+1價(jià))；

R——理想氣體常數(shù)；

T——樣水的絕對(duì)溫度，K。

分析儀表的標(biāo)定非常重要， ORION 2111XP和2111LL型在線鈉離子分析儀的標(biāo)定采用的是兩點(diǎn)已知添加法。DKA標(biāo)定進(jìn)行第一步操作時(shí)，樣水中鈉離子的實(shí)際濃度值是未知的。將一定體積、已知濃度的1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)液添加到流通池中，樣水中鈉離子的含量在原濃度Cs的基礎(chǔ)上增加了已知濃度dC1。在這個(gè)過程中，空氣泵將空氣泵入回流管，在這個(gè)密封的回路系統(tǒng)中將樣水和所加入的標(biāo)準(zhǔn)液完全混合。當(dāng)測(cè)量信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，新的電極電位E1自動(dòng)被測(cè)量并存儲(chǔ)。再添加2號(hào)標(biāo)準(zhǔn)液，其濃度為1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)液的10倍。這樣流通池內(nèi)鈉離子濃度又有了已知的濃度dC2的增量。再次穩(wěn)定時(shí)，新的電極電位E2被再次測(cè)量并存儲(chǔ)。這樣就得到了含有3個(gè)未知量的3個(gè)方程：

(2)

(3)

(4)

式中Es、E1、E2——標(biāo)定過程中所得到的測(cè)量值;

S——溫度為25℃時(shí)的斜率；

Ts、T1、T2——絕對(duì)溫度，為測(cè)量電極電位時(shí)所測(cè)得的樣品溫度。

利用微處理器解出這3個(gè)方程，得到斜率S和E0值。再利用能斯特方程將測(cè)得的電極電位差換算成被測(cè)溶液鈉離子濃度。

2 誤差因素分析

2.1pH值對(duì)測(cè)量的影響

玻璃電極具有離子選擇性，在線鈉表在測(cè)量Na+含量的同時(shí)，會(huì)遇到水樣中H+和K+的干擾，造成測(cè)量值比Na+的真實(shí)值高，離子選擇性大小表現(xiàn)為H+>Na+>K+。由于Na+玻璃電極對(duì)K+的選擇性比Na+小，并且在線鈉表的參比電極普遍安放在測(cè)量電極的下游，能夠有效避免參比電極中飽和KCl溶液的擴(kuò)散影響[4]。因此，H+是在線鈉表測(cè)量的主要干擾離子，其帶來的測(cè)量相對(duì)誤差E%為：

(5)

式中aH+——?dú)潆x子濃度；

aNa+——鈉離子濃度；

KNa+(H+)——選擇性系數(shù)。

研究表明，PNa電極的選擇系數(shù)KNa+(H+)=30，要求允許誤差不大于3%，則必須要求Na+的濃度比H+的濃度大1 000倍，即被測(cè)溶液的pH值至少比PNa值大3個(gè)數(shù)量級(jí)以上方可[5]。因此，通常采用向樣水中加入堿化劑來減少H+濃度，提高pH值，一般pH值不小于10。該公司采用的ORION 2111XP和2111LL型鈉離子濃度測(cè)量?jī)x采用的堿化劑為氨水和二異丙胺，將pH值提升至10以上來消除H+給測(cè)量帶來的誤差。

2.2溫度對(duì)測(cè)量的影響

當(dāng)水溫偏離25℃時(shí)，溫度的變化會(huì)影響在線鈉表的準(zhǔn)確性。將理想氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)代入式(1),得到：

E=E0-0.1984TPNa

PNa=-lg(C/Ciso)

(6)

對(duì)式(6)中的溫度求導(dǎo)，得到：

(7)

2.3水樣流速對(duì)測(cè)量的影響

YA廠房中有3塊2111LL型鈉表分別安裝在1#、2#混床產(chǎn)水和總管出口，這部分水樣的電導(dǎo)率要求小于1，近似于絕緣體。流動(dòng)時(shí)的水樣與在線鈉表電極表面摩擦?xí)a(chǎn)生靜電荷，并且難以及時(shí)導(dǎo)走，累積在電極表面而影響測(cè)量電位，進(jìn)而影響在線測(cè)量準(zhǔn)確性。因此要嚴(yán)格控制鈉表中樣水的流量，一般流速控制在2L/h左右。ORION 2111LL型鈉表混床鈉離子檢測(cè)的流速控制在35～45mL/min，而2111XP型鈉表陽床鈉離子檢測(cè)的流速則控制在20～30mL/min。

3 調(diào)試中遇到的問題與維護(hù)方法

3.1調(diào)試中遇到的問題

校驗(yàn)斜率偏高(大于63mV)，錯(cuò)誤代碼E109。對(duì)其中一塊鈉表標(biāo)定結(jié)束后，液晶屏顯示E109，此代碼表示校正得到不理想的斜率。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)斜率值為64.8mV，超出規(guī)定的斜率范圍(45～63mV)。造成斜率值偏高的原因很多，主要有校正標(biāo)準(zhǔn)液污染、移液槍使用不正確、水樣背景離子濃度過高、參比電極鈉與電極接反及鈉電極感應(yīng)頭污染等。經(jīng)檢查，不存在電極污染或接反的情況，并且標(biāo)定嚴(yán)格按照說明書步驟進(jìn)行，無操作錯(cuò)誤問題?；仡櫂?biāo)定操作時(shí)注意到加入1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)液時(shí)，樣水的本底濃度為110ppb(1ppb=1μg/L)，而正常情況下背景離子濃度應(yīng)不大于10ppb，因此本底濃度過高很可能是造成斜率值偏高的原因。由于調(diào)試期間廠房用水的標(biāo)準(zhǔn)較差，很有可能造成水質(zhì)本底濃度過高而引起校驗(yàn)斜率不理想的情況。解決辦法是用高純水反復(fù)沖洗流通池，直至儀表在測(cè)量模式下的本底濃度較低后再重新標(biāo)定。在調(diào)試過程中，即便標(biāo)定方法正確，也很有可能遇到校正斜率超出斜率范圍的問題(偏高或偏低)，解決這一類問題最有效的方法是在首次校驗(yàn)前先用水樣將儀表的流路系統(tǒng)沖洗一夜，在這個(gè)過程中不需要打開儀表電源。

鈉表擴(kuò)散管損壞。調(diào)試過程中，除鹽水廠房并不是連續(xù)制水，導(dǎo)致其中一塊鈉表擴(kuò)散管損壞，儀表測(cè)量數(shù)值異常高。造成這種后果主要是由于堿化劑很容易揮發(fā)，在沒有水的情況下，擴(kuò)散管中充滿了堿化劑，2～3d的時(shí)間就會(huì)使擴(kuò)散管變脆損壞。因此，在調(diào)試期間，鈉表要隨制水周期投用?，F(xiàn)場(chǎng)停水不小于1d的時(shí)間必須對(duì)鈉表擴(kuò)散管進(jìn)行及時(shí)保護(hù)。保護(hù)方法是：將堿化劑瓶從鈉表測(cè)量回路中取下，用裝滿除鹽水的瓶子取代即可。為了節(jié)省人力，也可利用清水管路作為備用管路實(shí)現(xiàn)鈉表進(jìn)水的切換，即引一路常有水管路作為在線鈉表備用管路，當(dāng)除鹽水廠房不制水時(shí)，能夠確保在線鈉表進(jìn)水口一直有水，保證儀表一直處于測(cè)量狀態(tài)，以減少繁瑣的保護(hù)電極過程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在線儀表的連續(xù)運(yùn)行。

3.2維護(hù)過程中可能出現(xiàn)的問題

示數(shù)漂移嚴(yán)重。當(dāng)測(cè)量過程中，遇到儀表示數(shù)漂移嚴(yán)重的情況時(shí)，首先檢查參比界面是否被堵塞。確保電極填充液瓶上刺有小孔，同時(shí)檢查通向電極的管中是否有氣泡等堵塞流路。如參比界面通暢，則檢查擴(kuò)散管是否有破損。以上都正常的情況下，則有可能是鈉電極的響應(yīng)問題，需要對(duì)鈉電極進(jìn)行活化處理。

測(cè)量斜率低。導(dǎo)致測(cè)量過程中斜率低的主要原因是水樣的壓力低于8psi(1psi=8.895kPa)，此時(shí)就應(yīng)該檢查水樣壓力，如果低于8psi就要增加壓力。另外，壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)置太低的話就要拉出壓力調(diào)節(jié)閥上的紅色環(huán)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)黑色旋鈕調(diào)節(jié)流量至合適位置。

讀數(shù)較高。如果儀表示數(shù)長期高于正常值，則要檢查儀表是否超過校正周期。如果超過，就需要重新校正。出現(xiàn)讀數(shù)較高的原因也有可能是由于流通池被污染，此時(shí)就要保持流通池水位于校正水平，用去離子水沖洗流通池一夜再調(diào)至測(cè)量位觀察讀數(shù)。

4 結(jié)束語

在線鈉表是核電站二回路化學(xué)監(jiān)督的關(guān)鍵儀表，對(duì)于減少設(shè)備的腐蝕有著重要意義。在線鈉表測(cè)量環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，且容易受水質(zhì)、溫度及流速等因素的影響。根據(jù)現(xiàn)行的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)最少每三月進(jìn)行一次整機(jī)檢驗(yàn)，每月進(jìn)行一次儀表校驗(yàn)。對(duì)響應(yīng)慢的電極進(jìn)行清洗和活化，以延長電極的使用壽命。同時(shí)，每天應(yīng)定時(shí)巡查，以保證水樣的pH值、流速及溫度等工況穩(wěn)定，保障在線鈉表的準(zhǔn)確穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 于會(huì)超.在線鈉表在核電站二回路化學(xué)監(jiān)督中的應(yīng)用[J].分析儀器,2013,(4):79～82.

[2] 王獻(xiàn)忠,王鵬飛,田增國.基于ATmega128和μc/OS-Ⅱ的在線鈉離子分析儀的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009,17(4):92～93.

[3] 魏宗憲,張秉海,唐俊輝.過程控制儀表故障分析及處理[J].化工自動(dòng)化及儀表,2003,30(3):57～60.

[4] 范輝,赫樹開,田增國.智能在線鈉離子分析儀誤差因素分析[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2008,(2):69～71.

[5] 楊秀杰.電廠水處理在線鈉表的安全穩(wěn)定運(yùn)行[J].河北化工,2005,(1):55～56.

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rithm with corrosion algorithm, the liquid column’s position can be reached; and through the projection analysis, the digital characters on the thermometer and that corresponding to the long scale line position can be obtained, including the correct thermometer indication. The experimental result proves the system’s stability, high reliability and recognition accuracy up to more than 0.01 ℃.

TH832

B

1000-3932(2016)01-0105-03

2015-11-05(修改稿)

visual inspection system, glass thermometer, horizontal projection, template binarization, hough transform