牛興偉，庫國亮，路 珊，王 寧,成 云

(1. 北京京能高安屯燃?xì)鉄犭娪邢挢?zé)任公司， 北京 100024；2. 北京歐林特技術(shù)咨詢有限公司，北京 100070)

自20世紀(jì)50年代初，國外一些蒸汽發(fā)電廠開始測定樣水陽離子交換后的電導(dǎo)率，即氫電導(dǎo)率，以期更精細(xì)控制水汽質(zhì)量[1]。氫電導(dǎo)率可以快速靈敏反映電廠水汽循環(huán)系統(tǒng)腐蝕性離子含量，連續(xù)準(zhǔn)確測量氫電導(dǎo)率對電廠防止熱力設(shè)備腐蝕、汽輪機(jī)葉片積鹽至關(guān)重要[2-3]。由于氫電導(dǎo)率監(jiān)測快速有效，在電廠的應(yīng)用極其廣泛[4-5]。

但由于一定體積的陽樹脂柱工作容量限制，陽樹脂在運(yùn)行一段時間后氫離子交換基團(tuán)即被消耗掉，氨水等堿化試劑穿透，從而造成氫電導(dǎo)率失效。失效后的陽樹脂應(yīng)及時更換處理，否則導(dǎo)致水汽氫電導(dǎo)率測量中斷，發(fā)電機(jī)組存在一定的防腐監(jiān)控盲區(qū)。在給水pH值較高的電廠，如燃?xì)?余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)電廠，儀用陽樹脂需要頻繁更換、再生。水汽循環(huán)系統(tǒng)高pH值運(yùn)行時，氫電導(dǎo)率不連續(xù)測量問題引起水汽循環(huán)系統(tǒng)氫電導(dǎo)率監(jiān)控不連續(xù)，熱力設(shè)備發(fā)生腐蝕風(fēng)險不可控，表計頻繁維護(hù)管理難度大，失效指標(biāo)虛假報警化學(xué)監(jiān)督平臺等問題，影響了機(jī)組正常生產(chǎn)秩序。

近年來，隨著能源供給兩側(cè)改革不斷深化，我國聯(lián)合循環(huán)電廠的投運(yùn)量呈逐年上升態(tài)勢。在該類型機(jī)組中，在線氫電導(dǎo)率表的維護(hù)和使用已成為共性難題?；谶B續(xù)電除鹽(electrodeionization，EDI)工作原理的氫型電除鹽(post electrodeionization，PEDI)技術(shù)，作為陽離子交換單元替代傳統(tǒng)陽樹脂柱，可提供連續(xù)可靠的氫電導(dǎo)率測值，從本質(zhì)上解決這一難題。本文以北京地區(qū)某電廠為研究對象，深入開展氫電導(dǎo)率分析儀使用傳統(tǒng)樹脂柱和氫型電除鹽技術(shù)的對比研究工作。

1 電廠概況

某電廠為2臺9F級燃機(jī)組成的“二拖一”燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電供熱機(jī)組，供電負(fù)荷設(shè)計845 MW，供熱負(fù)荷大于596 MW，供熱面積約1200萬m2。汽水循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，低壓汽包采用全揮發(fā)處理作為中高壓給水，中高壓汽包采用爐水混合磷酸鹽處理。

圖1 某電廠水汽循環(huán)系統(tǒng)

2臺鍋爐的汽水取樣系統(tǒng)分析儀表集中布置，設(shè)置氫電導(dǎo)率的測點(diǎn)覆蓋包括凝結(jié)水、低壓省煤器(低省)、中壓省煤器(中省)、高壓省煤器(高省)、低壓飽和蒸汽(低飽)、低壓過熱蒸汽(低過)、中壓飽和蒸汽(中飽)、中壓過熱蒸汽(中過)、再熱蒸汽(再熱)、高壓飽和蒸汽(高飽)、高壓過熱蒸汽(高過)。

2 傳統(tǒng)樹脂柱存在問題

a.更換頻率高

GB/T 12145—2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》中規(guī)定，根據(jù)機(jī)組不同及是否加氧，給水pH值控制在8.5～9.6[6]。應(yīng)用傳統(tǒng)樹脂柱氫導(dǎo)分析儀的傳統(tǒng)火電廠，由于給水pH值控制較低，當(dāng)氫導(dǎo)分析儀樣水控制流量較低時，可使樹脂更換頻率降低至1～2月/次。而聯(lián)合循環(huán)電廠中給水、蒸汽pH值偏高，因此樹脂更換頻率明顯增高，甚至1～2天樹脂就失效，成為儀表維護(hù)的難題。王仁雷等通過對35臺聯(lián)合循環(huán)機(jī)組共776臺在線化學(xué)儀表的檢驗結(jié)果統(tǒng)計，氫電導(dǎo)率合格率僅達(dá)到41.4%[7]。

該電廠2號機(jī)組樹脂更換記錄如表1所示。由表1可知，2018年1—12月，低省、中省及高省的氫導(dǎo)樹脂柱更換頻率平均為13.6天/次，低飽和低過蒸汽的更換頻率平均高達(dá)3.3天/次。

表1 樹脂更換記錄

b.試劑消耗量大及運(yùn)行成本高

傳統(tǒng)陽樹脂柱通常采用下進(jìn)上出的筒狀安裝方式，如圖2所示，具有更換樹脂程序復(fù)雜、沒有自動排氣功能、容易沖出一條水路造成樹脂未失效時氫導(dǎo)測值偏高、更換頻率高、試劑消耗量大、運(yùn)行成本高、造成大量的數(shù)據(jù)缺失時間等缺點(diǎn)[8-9]。

圖2 傳統(tǒng)陽樹脂柱安裝方式

DL/T 677—2018《發(fā)電廠在線化學(xué)儀表檢驗規(guī)程》中指出，標(biāo)準(zhǔn)氫離子交換柱要使用再生度大于98%的氫型陽離子交換樹脂[10]，為保證樹脂再生度達(dá)到要求，再生劑用量需為樹脂交換容量的3倍以上，再生劑用量大，樹脂消耗過快，需頻繁再生更是大大增加了再生劑用量和其成本投入。且復(fù)蘇過程需充分?jǐn)嚢?，再生后需大量除鹽水進(jìn)行沖洗，工作量繁重。在電廠實(shí)際運(yùn)行中，化學(xué)實(shí)驗室人員配置少且日常工作繁忙，高頻率樹脂再生往往很難保證再生效果，進(jìn)而影響后續(xù)氫電導(dǎo)有效測量。

c.測量數(shù)據(jù)時間缺失

根據(jù)該電廠人員實(shí)際運(yùn)行維護(hù)情況，每次更換樹脂柱約10 min，由于樹脂再生后含有大量鹽酸，需樣水沖洗1～2 h方可降至氫電導(dǎo)率真值，按照合計2 h統(tǒng)計，2018年1—12月，2號機(jī)組低省、中省及高省由于更換樹脂帶來的數(shù)據(jù)缺失時間約50 h，低飽和低過蒸汽由于更換樹脂帶來的數(shù)據(jù)缺失時間約90 h。

3 氫型電除鹽技術(shù)

3.1 基本原理

氫型電除鹽技術(shù)基于電除鹽EDI技術(shù)發(fā)展起來，如圖3所示，其基本原理：樣水進(jìn)入氫型電除鹽模塊前測量比電導(dǎo)率(specific conductivity，SC)，樣水經(jīng)過氫型電除鹽模塊時，其陽離子經(jīng)過只允許陽離子穿透的陽離子透過膜進(jìn)入陰極室；此時陽極電離出氫離子來補(bǔ)充陽離子缺失帶來的離子失衡，陰極電離出氫氧根離子來補(bǔ)充陽離子進(jìn)入帶來的離子冗余；最后所有除氫離子外的陽離子全部進(jìn)入陰極室，樣水中僅剩下陰離子及氫離子，進(jìn)入氫電導(dǎo)率電極完成氫電導(dǎo)率的測量。電解產(chǎn)生的微量氫氣及氧氣則隨著儀表排水排入廢水池。

圖3 氫型電除鹽模塊原理

3.2 CACE分析儀結(jié)構(gòu)

陽離子交換后的電導(dǎo)率 (conductivity after cation exchanger，CACE)分析儀結(jié)構(gòu)如圖4所示。SWAN

Monitor AMI CACE在線PEDI計算型pH/氫電導(dǎo)率分析儀是以氫型電除鹽為核心技術(shù)的氫電導(dǎo)率在線測量表計。氫型電除鹽模塊需要考慮流量及樣水氨濃度，以自動調(diào)節(jié)其電壓、電流，并給予樣水流量報警、樹脂失效報警等相關(guān)維護(hù)信息。基于氫型電除鹽模塊的氫電導(dǎo)率分析儀需帶有比電導(dǎo)率電極及精確的流量計。

圖4 CACE分析儀結(jié)構(gòu)

3.3 現(xiàn)場安裝

根據(jù)該電廠現(xiàn)場運(yùn)行情況及應(yīng)用安裝的便利性，選取1號機(jī)組低壓飽和蒸汽作為應(yīng)用點(diǎn)，安裝如圖5所示。

圖5 氫電導(dǎo)率分析儀現(xiàn)場安裝

安裝配置了具有穩(wěn)壓穩(wěn)流功能的背壓閥，可穩(wěn)定輸出50 kPa壓力的樣水進(jìn)入儀表，防止因機(jī)組負(fù)荷變化時，由于主管道壓力變化帶來的樣水壓力變化及流量變化對氫電導(dǎo)率測量帶來的影響。

4 2種測量方法對比

a.測量數(shù)據(jù)對比

在該點(diǎn)位同時運(yùn)行了安裝傳統(tǒng)樹脂柱的氫電導(dǎo)率分析儀，對比數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示。

圖6 氫導(dǎo)與比導(dǎo)數(shù)據(jù)對比

圖7 氫導(dǎo)與機(jī)組負(fù)荷數(shù)據(jù)對比

由圖6和圖7可知，在3月28日傳統(tǒng)樹脂柱進(jìn)行了樹脂更換，更換樹脂前傳統(tǒng)樹脂柱測量的氫導(dǎo)值為0.3 μS/cm，而氫型電除鹽測量的氫導(dǎo)值為0.8 μS/cm(階段1)；在機(jī)組負(fù)荷變化時傳統(tǒng)樹脂柱與氫型電除鹽測量的氫導(dǎo)趨于相近(階段2)；傳統(tǒng)樹脂柱連續(xù)運(yùn)行了5天出現(xiàn)了樹脂失效，而氫型電除鹽測量的氫導(dǎo)則趨于穩(wěn)定(階段3)。

在階段1，陽樹脂柱更換樹脂前的氫導(dǎo)測量值并非真值，而是由于樹脂再生次數(shù)過多、樹脂再生度過低、造成漏鈉等問題帶來的氫導(dǎo)測量值“假低”現(xiàn)象。該現(xiàn)象影響運(yùn)行人員判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，誤判低壓飽和蒸汽狀態(tài)，在有污染時不能及時反應(yīng)，從而延誤處理。而氫型電除鹽可連續(xù)自動再生，并保證陽離子交換率達(dá)到最佳，避免因再生度問題帶來負(fù)面影響。

在階段2，隨著機(jī)組負(fù)荷變化，比導(dǎo)及2個氫導(dǎo)均相應(yīng)波動，該階段由于傳統(tǒng)樹脂柱更換了全新的陽樹脂(沖洗階段約2 h)，在沖洗完成后，其測量值與氫型電除鹽測量值有比較好的符合性。

在階段3，隨著機(jī)組在低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，氫型電除鹽測量的氫導(dǎo)值趨于穩(wěn)定，且在比導(dǎo)有小的波動峰值時，可實(shí)時反映氫導(dǎo)相應(yīng)的狀態(tài)，并因氫型電除鹽模塊所用樹脂量極少，從而可減少樹脂長期滲漏陰離子帶來的測值影響；而傳統(tǒng)樹脂柱在運(yùn)行5天后失效，并導(dǎo)致氫導(dǎo)測量值大幅度波動，其樹脂失效帶來的大量維護(hù)及氫導(dǎo)數(shù)據(jù)缺失，給運(yùn)行及維護(hù)人員帶來極大困難。

由以上分析可得，氫型電除鹽測量的電導(dǎo)率更符合氫導(dǎo)真值。而該測點(diǎn)由于二氧化碳引起的氫導(dǎo)并不影響氫型電除鹽的測量有效性。為排除二氧化碳帶來的影響，低飽和低過的氫電導(dǎo)率建議采用脫氣氫電導(dǎo)率分析儀來進(jìn)行測量[11-12]。

b.運(yùn)行成本對比

按照該次應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，按照5天再生1次樹脂(再生及更換樹脂人工成本50元/次)，每次樹脂更換或再生2 L(30元/L)，3次再生需更換新樹脂進(jìn)行折算，得出運(yùn)行成本數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 運(yùn)行成本對比

由圖8可見，由第3年起，氫型電除鹽帶來的成本節(jié)約開始顯而易見。

5 結(jié)論

a.使用氫型電除鹽裝置作為陽離子交換單元可以替代傳統(tǒng)陽樹脂柱，提供氫電導(dǎo)率的連續(xù)測量?；跉湫碗姵}的氫電導(dǎo)率分析儀在長期運(yùn)行時可免除傳統(tǒng)樹脂柱帶來的氫導(dǎo)測量數(shù)據(jù)缺失，降低樹脂柱維護(hù)、更換和再生成本，且其自身的樹脂交換率自動檢測可保證氫導(dǎo)測量值的真實(shí)性，為運(yùn)行人員根據(jù)真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行化水處理提供有效保障。

b.基于氫型電除鹽的氫電導(dǎo)率分析儀能更快達(dá)到穩(wěn)定測量值，且測量需要的水流量較小，可適應(yīng)機(jī)組頻繁啟動的情況，尤其適用于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組[13]。