孫利強(qiáng)，趙麟徵

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.東北大學(xué)秦皇島分?？刂乒こ虒W(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

二代工業(yè)在線專用離子色譜分析測(cè)量裝置（以下簡(jiǎn)稱二代色譜測(cè)量裝置）已研制完成并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)火電廠機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行起到了積極的作用；但在使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在產(chǎn)品體積大、質(zhì)量大，現(xiàn)場(chǎng)安裝不方便，測(cè)量過(guò)程中需要水樣量大，溫度控制不精確及樹(shù)脂再生繁瑣等問(wèn)題[1-2]。針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)改造，研發(fā)出三代工業(yè)在線專用離子色譜分析測(cè)量裝置（以下簡(jiǎn)稱三代色譜測(cè)量裝置）。

1 二代色譜測(cè)量裝置存在的主要問(wèn)題

1.1 水樣消耗量大

二代色譜測(cè)量裝置采用的是水樣連續(xù)進(jìn)入傳感器進(jìn)行檢測(cè)的方式，因此裝置在測(cè)量過(guò)程中水樣消耗量大。部分電廠水汽取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，測(cè)量用水樣量不足，出現(xiàn)裝置與現(xiàn)場(chǎng)其他表計(jì)爭(zhēng)搶水樣的問(wèn)題，有的電廠甚至發(fā)生斷樣的情況，影響裝置正常使用。而水樣量充足的電廠也存在因水樣處理量大而造成離子分離器頻繁失效，需要再生的問(wèn)題，增加了現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)量；同時(shí)水樣量消耗量大，也造成了裝置冷卻系統(tǒng)龐大。

1.2 測(cè)量穩(wěn)定性差

實(shí)驗(yàn)室離子色譜儀使用強(qiáng)電解質(zhì)作為淋洗液，由于在線色譜儀需要連續(xù)運(yùn)行，淋洗液消耗量大，需要不斷補(bǔ)充，并且強(qiáng)電解質(zhì)溶液中含有大量離子會(huì)縮短抑制柱的壽命。因此二代色譜測(cè)量裝置取消了淋洗液，使用高精度電導(dǎo)傳感器直接對(duì)經(jīng)過(guò)抑制器處理的水樣進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算離子質(zhì)量濃度。這種方法造成裝置測(cè)量的穩(wěn)定性差，影響了二代色譜測(cè)量裝置的測(cè)量精度。

1.3 測(cè)量指標(biāo)不全

二代色譜測(cè)量裝置只能測(cè)量水樣中離子的總質(zhì)量濃度和陰離子總質(zhì)量濃度，不能測(cè)量單個(gè)離子的質(zhì)量濃度，而GB/T 12145—2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》對(duì)鍋爐水汽中Cl-的質(zhì)量濃度有單獨(dú)的要求[3]，因此二代色譜測(cè)量裝置不能完全滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

2 三代色譜測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

2.1 結(jié)構(gòu)組成

三代色譜測(cè)量裝置可分為4個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，第1部分為在線超純水系統(tǒng)，可以連續(xù)不斷地提供分析所用的超純水；第2部分為全自動(dòng)在線取樣系統(tǒng)，可以對(duì)各流路的水樣進(jìn)行連續(xù)取樣；第3部分為在線連續(xù)陰陽(yáng)離子分析系統(tǒng)；第4部分為控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖1 三代色譜測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 在線超純水系統(tǒng)

在線超純水系統(tǒng)的主要功能為連續(xù)不斷地制備儀器所需的超純水，并確保所制得的超純水能夠滿足儀器分析要求。該系統(tǒng)的取水來(lái)自電廠本身的除鹽水，自帶一定的壓力。系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)罐、增壓泵、電導(dǎo)及溫度傳感器和串聯(lián)的陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂柱，在儲(chǔ)罐上還配備了水位報(bào)警系統(tǒng)，以保證儲(chǔ)罐內(nèi)有充足的超純水，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2，整個(gè)在線超純水系統(tǒng)由一個(gè)電路板控制。

圖2 在線超純水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 全自動(dòng)在線取樣系統(tǒng)

全自動(dòng)在線取樣系統(tǒng)是三代色譜測(cè)量裝置的自動(dòng)進(jìn)樣器，能夠?qū)崿F(xiàn)電廠水樣的實(shí)時(shí)采集。取樣系統(tǒng)包含進(jìn)樣系統(tǒng)（3個(gè)流路）和自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。進(jìn)樣系統(tǒng)分別采集不同的水樣，每1路都包括溢流系統(tǒng)和電磁閥系統(tǒng)；自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)定時(shí)抽取標(biāo)液罐中的標(biāo)液進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)。

圖3 全自動(dòng)在線取樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2.1 溢流系統(tǒng)

為保證實(shí)時(shí)取樣，取樣管始終保持開(kāi)通狀態(tài)，系統(tǒng)通過(guò)電磁閥周期性抽取一定量水樣檢測(cè)。取樣管的內(nèi)部加裝篩板，可以過(guò)濾大顆粒雜質(zhì)，防止堵塞儀器系統(tǒng)；在溢流管上加裝電導(dǎo)溫敏元件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電廠水樣的電導(dǎo)率和溫度。

2.1.2.2 電磁閥系統(tǒng)

電磁閥系統(tǒng)用于控制采集哪一路的水樣，由五通閥、緩沖管和三通閥構(gòu)成。五通閥中一閥流出樣品，一閥進(jìn)純水，另外三閥連接不同的樣品；緩沖管用來(lái)緩沖樣品；三通閥將樣品引入注射進(jìn)樣泵。

2.1.3 在線陰陽(yáng)離子分析系統(tǒng)

在線陰陽(yáng)離子分析系統(tǒng)由抑制柱和檢測(cè)器組成，抑制柱分為陰抑制柱（用于陰離子分析的樹(shù)脂填充抑制柱）和陽(yáng)抑制柱（用于陽(yáng)離子分析的樹(shù)脂填充抑制柱）。陰抑制柱采用常規(guī)磺酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，在分析陰陽(yáng)離子的混合樣品時(shí)，陰抑制柱抑制樣品中的陽(yáng)離子（吸附），陰離子便到達(dá)電導(dǎo)檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。陽(yáng)抑制柱采用常規(guī)季銨型陰離子交換樹(shù)脂，在分析陰陽(yáng)離子的混合樣品時(shí)，陽(yáng)抑制柱會(huì)抑制樣品中的陰離子（吸附），陽(yáng)離子便到達(dá)電導(dǎo)檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。該系統(tǒng)采用雙電導(dǎo)檢測(cè)器、陰陽(yáng)雙柱并聯(lián)的方式，實(shí)時(shí)分析檢測(cè)樣品中陰陽(yáng)離子質(zhì)量濃度。以NaCl為例見(jiàn)式（（1）和式（2）），R為離子交換樹(shù)脂，陰抑制柱為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，將Na+抑制（吸附），檢測(cè)Cl-；陽(yáng)抑制柱為陰離子交換樹(shù)脂，將Cl-抑制（吸附），檢測(cè)Na+。

2.1.4 控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示各個(gè)模塊的狀態(tài)并記錄樣品數(shù)據(jù)，對(duì)各樣品中的離子質(zhì)量濃度進(jìn)行分析與計(jì)算。

2.2 工作過(guò)程

三代色譜測(cè)量裝置采取陰陽(yáng)離子分別檢測(cè)的方式，陰離子檢測(cè)系統(tǒng)的工作過(guò)程為：多路檢測(cè)水樣和標(biāo)準(zhǔn)樣分別接入全自動(dòng)在線取樣系統(tǒng)，在取樣杯中溢流，自動(dòng)進(jìn)樣器定時(shí)循環(huán)抽取一定量樣品，將樣品混入超純水中帶入測(cè)量系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)陰離子抑制柱（水樣中的陽(yáng)離子被去除），進(jìn)入電導(dǎo)池中進(jìn)行電導(dǎo)檢測(cè)，從而得到只有陰離子的電導(dǎo)數(shù)據(jù)。這些電導(dǎo)數(shù)據(jù)形成一個(gè)測(cè)量峰，控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)測(cè)量峰進(jìn)行積分，從而計(jì)算出水樣中各個(gè)陰離子的質(zhì)量濃度。陽(yáng)離子檢測(cè)系統(tǒng)的工作過(guò)程與陰離子檢測(cè)過(guò)程相同。

3 三代色譜測(cè)量裝置的技術(shù)特點(diǎn)

3.1 單個(gè)離子質(zhì)量濃度的檢測(cè)

二代色譜測(cè)量裝置為了保證其運(yùn)行的連續(xù)性、實(shí)時(shí)性、可靠性，對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)室離子色譜儀進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留抑制柱，取消色譜柱，導(dǎo)致二代色譜測(cè)量裝置只能測(cè)量水樣中離子的總質(zhì)量濃度和陰離子總質(zhì)量濃度，不能測(cè)量單個(gè)離子的質(zhì)量濃度。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，使用實(shí)驗(yàn)室色譜儀對(duì)京隆電廠水樣中的離子成分進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)同一流路的水樣中離子的種類及各種離子的質(zhì)量濃度比值基本不變，利用該比值確定不同離子在色譜柱中的校正系數(shù)[4-6]。當(dāng)樣品進(jìn)入三代色譜測(cè)量裝置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，測(cè)定的離子質(zhì)量濃度為總陰離子質(zhì)量濃度（或總陽(yáng)離子質(zhì)量濃度），儀器記錄單個(gè)色譜峰，此時(shí)利用該流路中單個(gè)陰離子的校正系數(shù)將色譜峰拆分，得到單個(gè)離子的峰面積，反算出該流路中單個(gè)離子的質(zhì)量濃度[7-8]。

3.2 使用超純水作為淋洗液

三代色譜測(cè)量裝置使用超純水作為淋洗液，因超純水中離子質(zhì)量濃度基本為零，對(duì)抑制柱的壽命不產(chǎn)生影響，可以保證裝置長(zhǎng)期免維護(hù)運(yùn)行，所以可以使用實(shí)驗(yàn)室色譜儀專用的檢測(cè)器代替二代色譜使用的電導(dǎo)傳感器，從而提高了測(cè)量的穩(wěn)定性[9]。

3.3 全自動(dòng)在線取樣系統(tǒng)

三代色譜測(cè)量裝置可以實(shí)現(xiàn)多路水樣的實(shí)時(shí)檢測(cè)，也可以定時(shí)使用標(biāo)液對(duì)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。取樣系統(tǒng)將樣品直接、連續(xù)流過(guò)抑制柱的方式改為使用計(jì)量泵定時(shí)自動(dòng)取樣的方式，樣品的需要量變?yōu)樵瓉?lái)的1/5，并由水浴控溫改為電子控溫，質(zhì)量減小了2/3；采用實(shí)驗(yàn)室色譜儀專用的抑制柱代替離子分離器，體積縮小了1/2。

4 應(yīng)用情況

2019年11月三代色譜測(cè)量裝置在內(nèi)蒙古京隆發(fā)電公司1號(hào)和2號(hào)機(jī)爐水上投入運(yùn)行，為了驗(yàn)證三代色譜測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性，同時(shí)抽取水樣，使用實(shí)驗(yàn)室色譜儀進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可以看出，三代色譜測(cè)量裝置與實(shí)驗(yàn)室色譜儀的測(cè)量數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明三代色譜測(cè)量裝置測(cè)量準(zhǔn)確性高，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 三代色譜測(cè)量裝置與實(shí)驗(yàn)室色譜儀檢測(cè)離子質(zhì)量濃度對(duì)比 μg/L

5 結(jié)束語(yǔ)

三代色譜測(cè)量裝置可以檢測(cè)單種陰離子的質(zhì)量濃度和不加氨系統(tǒng)的單種陽(yáng)離子的質(zhì)量濃度，其精度符合GB/T 12145—2016的要求，可以實(shí)時(shí)反映鍋爐水汽系統(tǒng)中陰陽(yáng)離子質(zhì)量濃度的變化，從而對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供準(zhǔn)確、及時(shí)的服務(wù)。