于洪濤 劉 忠

（1. 浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責任公司，浙江 寧波 315722；2. 北京蕊奧博科技開發(fā)有限任公司，北京 100095）

0 引言

隨著高參數(shù)大容量火力發(fā)電機組的不斷投入運行，發(fā)電廠鍋爐“四管”（省煤器、水冷壁、過熱器、再熱器）長期在高溫、高壓、腐蝕、磨損等特殊工作環(huán)境中運行，“四管”腐蝕泄漏事故在電力生產(chǎn)安全事故中占相當比例。據(jù)資料統(tǒng)計，近20年我國共記錄了40533次發(fā)電廠鍋爐“四管”腐蝕泄漏事故。其中，40%發(fā)生在水冷壁管，30%發(fā)生在過熱器，15%發(fā)生在再熱器，10%發(fā)生在省煤器，5%發(fā)生在旋風燃燒器。80%的事故造成了發(fā)電機組非計劃停機，給發(fā)電廠運行經(jīng)濟性和安全性帶來極大隱患，成為發(fā)電廠增加經(jīng)濟效益最關鍵的障礙。

目前常見的水汽系統(tǒng)監(jiān)督手段主要是通過在線儀表的數(shù)據(jù)和定期測定水汽中腐蝕性離子和鐵離子濃度的方法進行運行中監(jiān)督，再結合大小修的垢量分析進行金屬設備高溫氧化或腐蝕的事后評價。但設備管道腐蝕產(chǎn)物的氧化物絕大部分沉積在金屬表面，較少量腐蝕產(chǎn)物溶解在水汽中，因此上述方法不能連讀表征腐蝕的進展情況，且實驗室手工化驗數(shù)據(jù)的間斷性，未做到實時監(jiān)督。目前全行業(yè)化學監(jiān)督的調(diào)查研究顯示存在水汽質(zhì)量合格率高和沉積率（垢量）高的“兩高”矛盾。

設備金屬表面具有優(yōu)越的耐腐蝕性能是由于其表面致密氧化膜的生成，良好地隔絕了鐵與水的反應。當保護膜遭到腐蝕被破壞時，鐵與水在高溫條件下發(fā)生反應生成鐵的氧化物與氫氣，氧化物沉積在管道表面，而氫氣溶于水汽中，直接導致水汽中的溶解氫含量增加。因此，通過水汽系統(tǒng)溶解氫含量的在線連續(xù)監(jiān)測，可評價設備的腐蝕程度。

1 研究背景及意義

在高溫環(huán)境下，水蒸汽管道表面水分子與金屬元素發(fā)生反應，生成鐵氧化物的過程，稱為蒸汽氧化。反應式如下：3Fe+4H2O（g）→Fe3O4+4H2

從上述反應式可看出，金屬表面形成了Fe3O4后，阻擋了Fe和水汽的接觸，反應速度就取決于氫和鐵離子的擴散速度，隨著Fe3O4膜的增厚，擴散速度便隨著降低，氫的析出量就隨著降低。因此可根據(jù)氫的析出量變化，間接地檢測Fe3O4膜的形成情況。本項目研制的在線溶解氫表可應用于發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測，其通過監(jiān)測飽和蒸汽、過熱蒸汽中的微量溶解氫含量及變化趨勢，實時監(jiān)控熱力系統(tǒng)的腐蝕狀況。

2 研究的現(xiàn)狀

熱力系統(tǒng)溶解氫含量的監(jiān)測技術在國外已有應用，尤其在大容量機組上的應用比較廣泛，對于保障大容量機組的安全穩(wěn)定運行起到了關鍵作用。目前，國內(nèi)火力發(fā)電廠水汽系統(tǒng)應用的溶解氫分析儀大多為進口產(chǎn)品（如哈希3655，瑞士），其測量都采用膜電極法。膜電極法受氧氣的干擾較大，主要原因是膜對氧氣也較敏感，且膜電極法測量儀表的校驗過程也比較復雜，需采用標準氣體進行離線校驗，這種離線的校驗方法應用于微量氫的在線測量時，誤差較大。因此這種類型的溶解氫表準確性不高，難以滿足高參數(shù)大容量機組對蒸汽中微量溶解氫在線監(jiān)測的要求。

熱導式分析儀器是一種結構簡單、性能穩(wěn)定、價格低廉、技術上較為成熟的儀器，可用于氫氣氣體濃度的在線測量上（如火力發(fā)電廠給水、汽水分離器、過熱蒸汽、再熱蒸汽中溶解氫含量的測量）。本項目基于熱導測量原理，開發(fā)研制了溶解氫含量在線監(jiān)測裝置，它可以把這些樣水中的氫從水中分離出來，并進行在線監(jiān)測，以達到檢測發(fā)電廠汽水系統(tǒng)腐蝕的目的。

3 研究的主要內(nèi)容

本項目依據(jù)氣相色譜分析儀檢測器的熱導測量原理，設計研制了電廠水汽系統(tǒng)微量溶解氫在線脫氣及分析檢測系統(tǒng)，并在國內(nèi)某電廠進行了溶解氫檢測儀表的應用。

測量原理如下：當被測氣體以恒定的流速流入分析儀器時，熱導池內(nèi)的鉑金絲的阻值會因被測氫氣濃度的變化而變化，運用惠斯頓電橋?qū)⒆柚敌盘栟D(zhuǎn)換成電信號，通過電路處理將信號放大、溫度補償、線性化、使其轉(zhuǎn)換為氫氣濃度。

3.1 溶解氫在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

圖1所示為本項目設計的在線溶解氫測量系統(tǒng)流程圖，整個測量系統(tǒng)由水樣恒壓穩(wěn)流單元、法拉第電解和水樣恒溫單元、調(diào)零單元、分離器單元、檢測單元、數(shù)據(jù)處理和顯示單元組成。

圖1 在線溶解氫測量系統(tǒng)流程圖

3.1.1 水樣恒壓穩(wěn)流單元

水樣恒壓穩(wěn)流單元包括水樣恒壓、穩(wěn)流、流量調(diào)節(jié)等部分，不同測點的樣水 ，經(jīng)取樣架恒溫25℃處理后，從進樣口（1）進樣，流經(jīng)三通閥（2）進入流路，一路去流量計（4），另一路去恒壓槽（3），去恒壓槽的水樣利用恒壓槽出水管封頭重力來恒定水壓，完成系統(tǒng)穩(wěn)流作用，穩(wěn)壓可以使樣水進水壓力變化時，樣水流量基本保持不變，從而達到穩(wěn)定樣水流量的目的。由于對樣水進行了恒壓處理，電子流量計（4）調(diào)節(jié)閥可以精細調(diào)整至儀器所需的流量。

3.1.2 法拉第電解和水樣恒溫單元

法拉第電解和水樣恒溫單元由法拉第電解池和恒溫水套組成，穩(wěn)流后的水樣經(jīng)過電子流量計（4）流經(jīng)法拉第電解池（5），進入恒溫水套（12）。

當儀表需要量程校準時，開啟法拉第電解池，電解池電解出氫氣的濃度計算公式如下：

μg/L(氫) =法拉第電解常數(shù)/樣水流量×電解電流

例：氫氣的法拉第電解常數(shù)為630，當水樣流量為210mL/min時，電解電流為2mA。

其計算方法為：

3.1.3 熱導測量系統(tǒng)

熱導測量系統(tǒng)由測量側和參比側兩部分組成，其由以下部件組成:

熱導池、玻璃鐘罩、運行文丘利管、分離鐘罩、儀表調(diào)零閥、調(diào)零文丘利管、密封流通池、飽和濕空氣蕊、飽和濕空氣蕊儲水瓶、熱導池連通管、空氣連通管平衡濾芯等組成。圖2為其組成示意圖。

圖2 熱導測量系統(tǒng)圖

測量側熱導系統(tǒng)測量流程如下：被測水樣在恒溫水套內(nèi)循環(huán)后，進入運行文丘里管，此時水樣中的溶解氫則通過運行文丘利管析出，進入分離鐘罩和測量側熱導池，并由熱導元件對其進行測量。參比側熱導系統(tǒng)組成部件包括：零點校正閥、空氣飽和器、飽和濕空氣蕊、飽和濕空氣蕊儲水瓶、熱導池連通管、空氣連通管平衡濾芯、參比側熱導元件。

參比側熱導系統(tǒng)部件雖然不多，但它的作用卻很大，它不僅要為熱導池的參比側提供穩(wěn)定濕度的空氣（參比氣），還要為運行側提供微量的可調(diào)整的載氣，載氣量的調(diào)整不能大也不能小，載氣量大了儀器的靈敏度會降低，載氣量小了靈敏度提高了，而儀器的調(diào)零時間又會很長，所以載氣量的調(diào)整既要兼顧儀器的靈敏度又要兼顧儀器的調(diào)零時間。

飽和濕空氣蕊儲水瓶為飽和濕空氣蕊提供了源源不斷的水份，由于測量側熱導元件工作在微負壓狀態(tài)，通過熱導池連通管、空氣連通管和平衡蕊，使空氣在穿過飽和濕空氣蕊時，進行了充分地加濕，把空氣變成了飽和濕度下的空氣，為測量池及參比池提供恒定濕度的載氣。

3.2 在線溶解氫測量裝置運行調(diào)試

對儀器各部分進行分步研發(fā)后，開始進行儀器的整體安裝調(diào)試，儀器安裝調(diào)試包括

以下試驗內(nèi)容：

（1）通水試驗：通過通水試驗可以鑒定一下儀器整體工作的狀況，各個部件位置安裝的合理性，以及進行部件的合理調(diào)整，從而使儀器達到最佳的運行狀態(tài)；

（2）流速穩(wěn)定試實驗：在流速穩(wěn)定不變的情況下，進行長時間的運行考核，觀察儀器的穩(wěn)定性，找出最佳的運行值；

（3）法拉第電解試驗：法拉第電解池是儀器的關鍵，它為儀器產(chǎn)生已知溶解氫濃度的標準水樣，它是儀器的標準及建立，并在任何情況下輸出一穩(wěn)定的溶解氫濃度校驗值，對儀表進行運行標定；

（4）儀器的整體標定：儀器的整體標定很重要，通過對儀器的標定，制定一套簡便可行的標定程序，并提供給使用者使用。使經(jīng)校驗后的儀器達到統(tǒng)一標準，達到儀器部件的互換使用時，都在誤差范圍內(nèi)。

3.3 溶解氫在線檢測系統(tǒng)應用研究

本項目研制的溶解氫在線檢測系統(tǒng)已成功應用于國內(nèi)某電廠600WM機組水汽系統(tǒng)溶解氫的在線檢測上，測量數(shù)據(jù)真實地反映了機組運行期間的腐蝕狀態(tài)。表1為國內(nèi)某電廠3號機組溶解氫儀表運行記錄。

表1 某電廠#3機組溶解氫儀表運行記錄

表1為國內(nèi)某電廠600MW機組水汽系統(tǒng)主蒸汽與過熱蒸汽安裝溶解氫監(jiān)測儀表后運行記錄數(shù)據(jù)，自2021年5月儀表調(diào)試成功投運后測量主蒸汽溶解氫（準確值）最小值1.255μg/L，主蒸汽溶解氫（準確值）最大值2.623μg/L，汽水分離器溶解氫（準確值）最小值1.504μg/L，汽水分離器溶解氫（準確值）最大值2.549μg/L，表2為新增再熱器出口溶解氫監(jiān)測設備之后的運行記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)過一段時間的設備運行，運行人員依據(jù)水中溶解氫的數(shù)據(jù)進行加氨和加氧操作，主蒸汽溶解氫（準確值）最小值已下降至0.689μg/L，分離器汽溶解氫（準確值）最小值0.132μg/L，同時給水加氧量也降低，給水氧與過熱氧的差值也降低到10μg/L左右。以上數(shù)據(jù)表明，過熱器腐蝕得到有效抑制，氧化皮的生成速率大大降低，過熱器得到有效保護。

表2 某電廠#3機組溶解氫儀表運行記錄

圖3是三號機2022年2月9日～2月12日的歷史曲線，從圖中可以看到通過不斷的工況調(diào)整與參數(shù)優(yōu)化，汽水分離器溶解氫含量維持在0.2～0.5之間，過熱蒸汽中的溶解氫含量維持在0.06～0.56之間，與機組負荷變化正相關，說明溶解氫監(jiān)測儀測量精度和穩(wěn)定性完全滿足設計要求。

圖3 三號機歷史曲線

4 結語

（1）本項目開發(fā)研制的熱導式微量溶解氫在線監(jiān)測儀，其分辨率達到 0.01μg/L，可以準確測量火力發(fā)電廠水汽系統(tǒng)中微量氫的含量；

（2）溶解氫表在國內(nèi)某600MW機組電廠的應用研究表明，電廠水氣系統(tǒng)有腐蝕發(fā)生時，除在線氫表以外的其它在線儀表的指示值（如硅、磷、銅、鐵、鈉、氧、聯(lián)胺、導電度、pH表）尚處在正常值時，溶解氫儀表就已經(jīng)監(jiān)測到相應的腐蝕信息，并將其轉(zhuǎn)換成氫氣濃度從儀表上顯示出來；

（3）溶解氫測量比鐵離子測量更具有取樣代表性、實時性、準確性；

（4）通過監(jiān)測水汽系統(tǒng)中的微量溶解氫含量及變化趨勢，可以實時監(jiān)控熱力系統(tǒng)的腐蝕狀況；可以指導運行人員對運行參數(shù)及時調(diào)整減少腐蝕的產(chǎn)生。