牛興偉，庫(kù)國(guó)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(guó)外一些蒸汽發(fā)電廠開(kāi)始測(cè)定樣水陽(yáng)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(cè)量氫電導(dǎo)率對(duì)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(cè)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(yáng)樹(shù)脂柱工作容量限制，陽(yáng)樹(shù)脂在運(yùn)行一段時(shí)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(yáng)樹(shù)脂應(yīng)及時(shí)更換處理，否則導(dǎo)致水汽氫電導(dǎo)率測(cè)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(yáng)樹(shù)脂需要頻繁更換、再生。水汽循環(huán)系統(tǒng)高pH值運(yùn)行時(shí)，氫電導(dǎo)率不連續(xù)測(cè)量問(wèn)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(xiǎn)不可控，表計(jì)頻繁維護(hù)管理難度大，失效指標(biāo)虛假報(bào)警化學(xué)監(jiān)督平臺(tái)等問(wèn)題，影響了機(jī)組正常生產(chǎn)秩序。

近年來(lái)，隨著能源供給兩側(cè)改革不斷深化，我國(guó)聯(lián)合循環(huán)電廠的投運(yùn)量呈逐年上升態(tài)勢(shì)。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(yáng)離子交換單元替代傳統(tǒng)陽(yáng)樹(shù)脂柱，可提供連續(xù)可靠的氫電導(dǎo)率測(cè)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(duì)象，深入開(kāi)展氫電導(dǎo)率分析儀使用傳統(tǒng)樹(shù)脂柱和氫型電除鹽技術(shù)的對(duì)比研究工作。

1 電廠概況

某電廠為2臺(tái)9F級(jí)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(jì)845 MW，供熱負(fù)荷大于596 MW，供熱面積約1200萬(wàn)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(tái)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(cè)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(guò)熱蒸汽(低過(guò))、中壓飽和蒸汽(中飽)、中壓過(guò)熱蒸汽(中過(guò))、再熱蒸汽(再熱)、高壓飽和蒸汽(高飽)、高壓過(guò)熱蒸汽(高過(guò))。

2 傳統(tǒng)樹(shù)脂柱存在問(wèn)題

a.更換頻率高

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》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(shù)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(shí)，可使樹(shù)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(shù)脂更換頻率明顯增高，甚至1～2天樹(shù)脂就失效，成為儀表維護(hù)的難題。王仁雷等通過(guò)對(duì)35臺(tái)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組共776臺(tái)在線化學(xué)儀表的檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，氫電導(dǎo)率合格率僅達(dá)到41.4%[7]。

該電廠2號(hào)機(jī)組樹(shù)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(shù)脂柱更換頻率平均為13.6天/次，低飽和低過(guò)蒸汽的更換頻率平均高達(dá)3.3天/次。

表1 樹(shù)脂更換記錄

b.試劑消耗量大及運(yùn)行成本高

傳統(tǒng)陽(yáng)樹(shù)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(shù)脂程序復(fù)雜、沒(méi)有自動(dòng)排氣功能、容易沖出一條水路造成樹(shù)脂未失效時(shí)氫導(dǎo)測(cè)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(shí)間等缺點(diǎn)[8-9]。

圖2 傳統(tǒng)陽(yáng)樹(shù)脂柱安裝方式

DL/T 677—2018《發(fā)電廠在線化學(xué)儀表檢驗(yàn)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(yáng)離子交換樹(shù)脂[10]，為保證樹(shù)脂再生度達(dá)到要求，再生劑用量需為樹(shù)脂交換容量的3倍以上，再生劑用量大，樹(shù)脂消耗過(guò)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(guò)程需充分?jǐn)嚢瑁偕笮璐罅砍}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(yàn)室人員配置少且日常工作繁忙，高頻率樹(shù)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(cè)量。

c.測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)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(shù)脂柱約10 min，由于樹(shù)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(jì)2 h統(tǒng)計(jì)，2018年1—12月，2號(hào)機(jī)組低省、中省及高省由于更換樹(shù)脂帶來(lái)的數(shù)據(jù)缺失時(shí)間約50 h，低飽和低過(guò)蒸汽由于更換樹(shù)脂帶來(lái)的數(shù)據(jù)缺失時(shí)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(lái)，如圖3所示，其基本原理：樣水進(jìn)入氫型電除鹽模塊前測(cè)量比電導(dǎo)率(specific conductivity，SC)，樣水經(jīng)過(guò)氫型電除鹽模塊時(shí)，其陽(yáng)離子經(jīng)過(guò)只允許陽(yáng)離子穿透的陽(yáng)離子透過(guò)膜進(jìn)入陰極室；此時(shí)陽(yáng)極電離出氫離子來(lái)補(bǔ)充陽(yáng)離子缺失帶來(lái)的離子失衡，陰極電離出氫氧根離子來(lái)補(bǔ)充陽(yáng)離子進(jìn)入帶來(lái)的離子冗余；最后所有除氫離子外的陽(yáng)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(cè)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(yáng)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(jì)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(cè)量表計(jì)。氫型電除鹽模塊需要考慮流量及樣水氨濃度，以自動(dòng)調(diào)節(jié)其電壓、電流，并給予樣水流量報(bào)警、樹(shù)脂失效報(bào)警等相關(guān)維護(hù)信息?；跉湫碗姵}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(jì)。

圖4 CACE分析儀結(jié)構(gòu)

3.3 現(xiàn)場(chǎng)安裝

根據(jù)該電廠現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況及應(yīng)用安裝的便利性，選取1號(hào)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(chǎng)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(shí)，由于主管道壓力變化帶來(lái)的樣水壓力變化及流量變化對(duì)氫電導(dǎo)率測(cè)量帶來(lái)的影響。

4 2種測(cè)量方法對(duì)比

a.測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

在該點(diǎn)位同時(shí)運(yùn)行了安裝傳統(tǒng)樹(shù)脂柱的氫電導(dǎo)率分析儀，對(duì)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(duì)比

圖7 氫導(dǎo)與機(jī)組負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)比

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

在階段1，陽(yáng)樹(shù)脂柱更換樹(shù)脂前的氫導(dǎo)測(cè)量值并非真值，而是由于樹(shù)脂再生次數(shù)過(guò)多、樹(shù)脂再生度過(guò)低、造成漏鈉等問(wèn)題帶來(lái)的氫導(dǎo)測(cè)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(shí)不能及時(shí)反應(yīng)，從而延誤處理。而氫型電除鹽可連續(xù)自動(dòng)再生，并保證陽(yáng)離子交換率達(dá)到最佳，避免因再生度問(wèn)題帶來(lái)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(gè)氫導(dǎo)均相應(yīng)波動(dòng)，該階段由于傳統(tǒng)樹(shù)脂柱更換了全新的陽(yáng)樹(shù)脂(沖洗階段約2 h)，在沖洗完成后，其測(cè)量值與氫型電除鹽測(cè)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(cè)量的氫導(dǎo)值趨于穩(wěn)定，且在比導(dǎo)有小的波動(dòng)峰值時(shí)，可實(shí)時(shí)反映氫導(dǎo)相應(yīng)的狀態(tài)，并因氫型電除鹽模塊所用樹(shù)脂量極少，從而可減少樹(shù)脂長(zhǎng)期滲漏陰離子帶來(lái)的測(cè)值影響；而傳統(tǒng)樹(shù)脂柱在運(yùn)行5天后失效，并導(dǎo)致氫導(dǎo)測(cè)量值大幅度波動(dòng)，其樹(shù)脂失效帶來(lái)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(lái)極大困難。

由以上分析可得，氫型電除鹽測(cè)量的電導(dǎo)率更符合氫導(dǎo)真值。而該測(cè)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(cè)量有效性。為排除二氧化碳帶來(lái)的影響，低飽和低過(guò)的氫電導(dǎo)率建議采用脫氣氫電導(dǎo)率分析儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量[11-12]。

b.運(yùn)行成本對(duì)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(shù)脂(再生及更換樹(shù)脂人工成本50元/次)，每次樹(shù)脂更換或再生2 L(30元/L)，3次再生需更換新樹(shù)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(duì)比

由圖8可見(jiàn)，由第3年起，氫型電除鹽帶來(lái)的成本節(jié)約開(kāi)始顯而易見(jiàn)。

5 結(jié)論

a.使用氫型電除鹽裝置作為陽(yáng)離子交換單元可以替代傳統(tǒng)陽(yáng)樹(shù)脂柱，提供氫電導(dǎo)率的連續(xù)測(cè)量?；跉湫碗姵}的氫電導(dǎo)率分析儀在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)可免除傳統(tǒng)樹(shù)脂柱帶來(lái)的氫導(dǎo)測(cè)量數(shù)據(jù)缺失，降低樹(shù)脂柱維護(hù)、更換和再生成本，且其自身的樹(shù)脂交換率自動(dòng)檢測(cè)可保證氫導(dǎo)測(cè)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(cè)量值，且測(cè)量需要的水流量較小，可適應(yīng)機(jī)組頻繁啟動(dòng)的情況，尤其適用于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組[13]。