在線硅酸根分析儀在核電廠中的應(yīng)用

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(海南核電有限公司，海南 昌江 572733)

在線硅酸根分析儀在核電廠中的應(yīng)用

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(海南核電有限公司，海南 昌江 572733)

介紹了SWAN AMI型在線硅酸根分析儀的測(cè)量原理，以及核電廠實(shí)際應(yīng)用過程中的選型原則；總結(jié)了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題和解決方法。

在線硅酸根分析儀 核電廠 儀表選型 調(diào)試與維護(hù)

在核電廠中，在線硅酸根分析儀主要用于測(cè)量陰床出水、混床出水和凝結(jié)水精處理系統(tǒng)出水中的硅含量，其中，除鹽水水質(zhì)要求硅含量不超過20μg/L，凝結(jié)水精處理系統(tǒng)要求硅含量不超過15μg/L。當(dāng)供向核島和常規(guī)島的水質(zhì)硅含量超標(biāo)時(shí)，管道會(huì)出現(xiàn)硅酸鹽沉積物，腐蝕管道或設(shè)備，并且沉積物覆蓋在管道或設(shè)備上會(huì)造成設(shè)備不穩(wěn)定并降低熱交換效率[1]。因此，在線硅酸根分析儀的正常運(yùn)行對(duì)核電廠的安全生產(chǎn)具有重要意義。

某核電廠選用SWAN公司的COPRA Silica系列在線硅酸根分析儀，從近幾年的應(yīng)用與維護(hù)經(jīng)驗(yàn)看，該儀表具有測(cè)量穩(wěn)定和維護(hù)方便的特點(diǎn)。筆者針對(duì)在線硅酸根分析儀在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用與維護(hù)情況，從其測(cè)量原理、測(cè)量流程、儀表選型及調(diào)試維護(hù)過程中遇到的問題等方面進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)。

1 工作原理

1.1 化學(xué)測(cè)量原理

水樣中的硅酸根在pH值為1.1～1.3的條件下，與鉬酸銨反應(yīng)生成黃色的硅鉬酸鹽復(fù)合物(俗稱硅鉬黃)，該復(fù)合物在還原劑硫酸亞鐵銨的作用下被還原成深藍(lán)色的鉬藍(lán)合成物(俗稱硅鉬藍(lán))，顏色的深淺與被分析的水樣硅酸根含量成正比，化學(xué)反應(yīng)式[2]如下：

H4SiO4(Mo3O9)4+4e+4H+=H4SiMo8·Mo4O36(OH)4

1.2在線硅酸根分析儀的工作原理

當(dāng)在線硅酸根分析儀處于測(cè)量狀態(tài)時(shí)，電磁閥啟動(dòng)，樣水進(jìn)口關(guān)閉，開始執(zhí)行零點(diǎn)校驗(yàn)，整個(gè)硅酸根分析儀的工作流程如圖1所示。

圖1 在線硅酸根分析儀的工作流程簡(jiǎn)圖A——溢流杯； B——樣水進(jìn)口；C——流量調(diào)節(jié)閥； D——電磁閥；E——溢流管； F——進(jìn)氣口；G——樣水出口； H——光度計(jì)；I——六通道閥； J——蠕動(dòng)泵；K——光度計(jì)的試劑進(jìn)口； L——計(jì)量槽；M——光度計(jì)的樣水進(jìn)口； N——磁力攪拌器；O——試劑液位探測(cè)器； P——?dú)馀萏綔y(cè)器；Q——試劑1(鉬酸銨)； R——試劑2(硫酸)；S——試劑3(草酸)； T——試劑4(硫酸亞鐵銨)；U——空氣管； V——排水口

六通道閥切換至1號(hào)位置，從容器Q中吸取試劑1(鉬酸銨)；然后六通道閥切換至2號(hào)位置，從容器R中吸取試劑2(硫酸)；六通道閥再切換至5號(hào)位置，將空氣吸入管路，用氣泡將全部試劑推入光度計(jì)；磁力攪拌器將試劑混合，第1步反應(yīng)開始，樣水變成淡黃色。六通道閥切換到3號(hào)位置，從容器S中吸取試劑3(草酸)；然后六通道閥切換至5號(hào)位置，將空氣吸入管路，用氣泡將全部試劑推入光度計(jì)；磁力攪拌器將試劑混合，第2步反應(yīng)開始。六通道閥切換至4號(hào)位置，從容器T中吸取試劑4(硫酸亞鐵銨)；六通道閥切換至5號(hào)位置，將空氣吸入管路，用氣泡將全部試劑推入光度計(jì)；磁力攪拌器將試劑混合，第3步反應(yīng)開始，樣水變成藍(lán)色。開始進(jìn)行樣水的測(cè)量，當(dāng)硅含量非常少時(shí)，眼睛是觀察不到這種藍(lán)色的。此時(shí)用波長(zhǎng)為815nm的光照射樣水，光的吸收量被計(jì)算出來[3]，硅酸的濃度通過標(biāo)準(zhǔn)曲線就可以計(jì)算出來了。

測(cè)量完畢，清洗測(cè)量池內(nèi)部，六通道閥切換至5號(hào)位置，連通到光度計(jì)入口K處，蠕動(dòng)泵反轉(zhuǎn)，直至試劑進(jìn)口管充滿樣水。之后蠕動(dòng)泵正轉(zhuǎn)，直至排空試劑進(jìn)口管。從測(cè)量開始到清洗完畢，整個(gè)周期用時(shí)10min。

2 儀表校驗(yàn)

為了使在線硅酸根分析儀能正常工作，必須定期對(duì)儀表進(jìn)行校驗(yàn)。系統(tǒng)的斜率是用經(jīng)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確檢驗(yàn)的SiO2標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校準(zhǔn)的，此標(biāo)準(zhǔn)溶液用以計(jì)算在線硅酸根分析儀的測(cè)量斜率。

當(dāng)單色光通過含有吸光物質(zhì)的樣水時(shí)，樣水吸收光的部分能量，光束的強(qiáng)度減弱。吸光物質(zhì)的濃度和光束行程的長(zhǎng)度決定了光被吸收的程度。設(shè)強(qiáng)度為P0的光束，通過含有吸光物質(zhì)濃度為c(單位μg/L)的溶液，P為進(jìn)入溶液b(單位cm)后的光束強(qiáng)度，P

式中A——吸光度；

b——光通過溶液的長(zhǎng)度，cm；

E——克分子消光系數(shù)。

根據(jù)上述關(guān)系，入射光束的強(qiáng)度P0經(jīng)放大后測(cè)量，變換成數(shù)字信號(hào)E1的計(jì)算式如下：

E1=K1×P0+ED1

其中ED1為在光源斷開情況下的暗流信號(hào)，包括電子漂移、雜散光源和A/D轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn)誤差；K1是常數(shù)，由檢測(cè)器的效率和信號(hào)放大比決定。

同樣，經(jīng)過溶液后的光束強(qiáng)度P的測(cè)量信號(hào)E2的計(jì)算式如下：

E2=K2×P+ED2

硅酸根分析儀是用一個(gè)脈沖發(fā)光二極管(LED)光源來測(cè)定暗電流信號(hào)ED1和ED2的，因此有：

以比耳定律的形式表示，則為：

因此，溶液濃度可表示為：

3 硅酸根分析儀在核電廠中的分布與選型

硅含量是微量分析，對(duì)儀表的精確度要求高，因此，在選型方面需要考慮多方面的因素。由于SWAN型硅酸根分析儀具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)及使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，并且國(guó)內(nèi)其他核電廠也普遍采用此型號(hào)的硅酸根分析儀。從使用經(jīng)驗(yàn)和維護(hù)情況來看，它非常適用于除鹽水生產(chǎn)系統(tǒng)和凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。某核電廠SWAN型硅酸根分析儀的選型與分布見表1。

表1 硅酸根分析儀的選型與分布

4 調(diào)試與維護(hù)過程中出現(xiàn)的問題與解決方法

4.1在線硅酸根分析儀與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室儀表的測(cè)量偏差較大

廠房初期投運(yùn)的儀表中，在線硅酸根分析儀測(cè)量正常，但在線硅酸根分析儀測(cè)量樣水的值與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室硅分析儀的測(cè)量值偏差較大。初步判斷產(chǎn)生偏差的主要原因有測(cè)量方法、標(biāo)液的配制、試劑的使用情況及儀表箱接線問題等。

首先，檢查試劑液位正常，蠕動(dòng)泵運(yùn)行正常，儀表管路系統(tǒng)和測(cè)量槽內(nèi)無沉積物，樣水流量大于最低流量要求值，箱體溫度24.5℃(在正常工作區(qū)間5～50℃內(nèi))，整個(gè)儀表回路運(yùn)行正常。

其次，檢查儀表箱中的電氣連接。電源接線連接正確；各接線端子、信號(hào)輸出端子已正確接線；通信連接線正確連接AMI硅表和通道分配器。

最后，檢查標(biāo)準(zhǔn)液。標(biāo)準(zhǔn)液是經(jīng)廠設(shè)備采購處采購后，分析儀表工作人員重新配置的濃度為200μg/L的含硅標(biāo)液。由于是專人配制，最初未檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)液硅含量，后經(jīng)實(shí)驗(yàn)室硅表檢驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)液硅含量為150μg/L，與要求值200μg/L相差50μg/L，標(biāo)液濃度的配制錯(cuò)誤導(dǎo)致在線硅酸根分析儀校驗(yàn)不準(zhǔn)確。重新配置硅含量為200μg/L的標(biāo)準(zhǔn)液，校驗(yàn)在線硅酸根分析儀，再重新測(cè)量樣水的硅含量，在線硅酸根分析儀測(cè)量值與實(shí)驗(yàn)室硅分析儀的測(cè)量值的偏差符合要求。

通過此次調(diào)試，建議在以后的標(biāo)準(zhǔn)液采購中，要盡量采購國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究所的標(biāo)準(zhǔn)液(或SWAN廠家標(biāo)準(zhǔn)液)，以保證標(biāo)準(zhǔn)液的準(zhǔn)確性。

由于實(shí)驗(yàn)室硅表以高純水為零點(diǎn)來校準(zhǔn)儀表(高純水有本底硅含量，其值小于5μg/L)[5]。而在線儀表的零點(diǎn)校驗(yàn)則是利用在不加藥的情況下樣水的100%透光度(入射光等于反射光)作為零點(diǎn)。二者之間零點(diǎn)就存在一定量的偏差。因此，對(duì)于在線硅酸根分析儀的準(zhǔn)確性問題，判定在線儀表是否適用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)值監(jiān)測(cè)，主要還是要看儀表的測(cè)量曲線，也就是看儀表的變化趨勢(shì)，只要測(cè)量誤差在現(xiàn)場(chǎng)誤差要求范圍內(nèi)即可。由于某核電廠選用的硅表量程為0～5 000μg/L，而混床實(shí)際測(cè)量范圍不大于20μg/L。因此對(duì)于硅含量低的樣水，在線儀表量程過大也會(huì)導(dǎo)致儀表測(cè)量數(shù)值不準(zhǔn)確。

4.2測(cè)量值不穩(wěn)定(忽大忽小)

首先檢查水樣流量是穩(wěn)定的，調(diào)節(jié)流量閥到正常溢流狀態(tài)；觀察測(cè)量池有無氣泡或異物，用除鹽水和濃度為10%的氨水清洗測(cè)量池，觀察測(cè)量池光窗是否有泄漏，經(jīng)拆卸發(fā)現(xiàn)無泄漏。試劑瓶中試劑液位正常，重新配制標(biāo)準(zhǔn)液對(duì)在線硅酸根分析儀進(jìn)行校驗(yàn)，經(jīng)過校驗(yàn)，儀表測(cè)量值穩(wěn)定并與實(shí)驗(yàn)室硅表測(cè)量值的偏差符合要求，在線硅酸根分析儀恢復(fù)正常。

為避免再次出現(xiàn)這種情況，建議定期檢查儀表管路系統(tǒng)和測(cè)量池是否有沉積物，如有沉積物則應(yīng)用除鹽水和濃度為10%的氨水清洗系統(tǒng)的管路和測(cè)量池。清洗試劑管路方法：將試劑探頭放進(jìn)裝有除鹽水的桶中，啟動(dòng)填充系統(tǒng)，等待蠕動(dòng)泵停止轉(zhuǎn)動(dòng)；中斷水樣，等待溢流杯里的水排空；將試劑探頭放進(jìn)空桶中，關(guān)閉儀表電源。

4.3表頭報(bào)警(錯(cuò)誤代碼E065)

錯(cuò)誤代碼E065表示試劑偏少，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)硫酸試劑瓶?jī)?nèi)液位低于溶液容量的17%，需要向試劑瓶?jī)?nèi)添加硫酸。由于硫酸具有強(qiáng)腐蝕性，操作人員需要穿戴防護(hù)服、手套和護(hù)目鏡。然后向試劑瓶中加入適量濃度為25%的硫酸試劑，添加完畢后將液位探頭放回試劑瓶，重新編制新的容器容量，以便儀表更好地檢測(cè)試劑的缺少量。

由于儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和校準(zhǔn)時(shí)將消耗試劑和校準(zhǔn)液。巡檢時(shí)應(yīng)定期檢查試劑瓶的液位，如果液位太低或儀器顯示缺少試劑時(shí)，應(yīng)及時(shí)添加試劑。

5 日常維護(hù)可能出現(xiàn)的故障和解決方法

儀器無顯示。打開電源后，儀器無任何反應(yīng)或顯示器有背光但無顯示。檢查電源接線和表頭內(nèi)部的保險(xiǎn)絲，檢查各連接線頭是否插接良好。如果是顯示對(duì)比度太小，調(diào)節(jié)顯示對(duì)比度即可。

測(cè)量值不準(zhǔn)確。可能的原因有多種，標(biāo)準(zhǔn)液污染、試劑過期或變質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)液或試劑配制有誤。解決方法是重新配置標(biāo)準(zhǔn)液或試劑，重新標(biāo)定。還有可能是蠕動(dòng)泵加藥量不準(zhǔn)，需要檢查蠕動(dòng)泵，如有必要進(jìn)行更換即可。

校準(zhǔn)無法進(jìn)行?？赡苁切?zhǔn)溶液濃度配置錯(cuò)誤，需重新編制校準(zhǔn)溶液的濃度；或是標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度錯(cuò)誤，需重新配置標(biāo)準(zhǔn)溶液，如果試劑過期或被污染，則需重新配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，清洗試劑瓶，清洗實(shí)際管路。

斷流報(bào)警。引起斷流報(bào)警的原因可能是水樣斷流或時(shí)有時(shí)無，解決方法是調(diào)節(jié)進(jìn)樣閥至產(chǎn)生合適的溢流。

6 結(jié)束語

由于人為操作干預(yù)較多，在線硅酸根分析儀的化學(xué)流路部分出現(xiàn)故障的幾率較電氣部分要高。如果出現(xiàn)問題，可首先從檢查試劑配制方法到流路清洗來判斷并排除故障。在儀表正確安裝和接線后，注重儀表的日常使用與維護(hù)，發(fā)生電氣故障的幾率很少。為了實(shí)現(xiàn)在線硅酸根分析儀精確的在線監(jiān)測(cè)，需要進(jìn)行定期維護(hù)，每周進(jìn)行一次零校準(zhǔn)，檢查一次試劑瓶的液位；每個(gè)月進(jìn)行一次人工校驗(yàn)，清洗試劑管路和測(cè)量池。每三個(gè)月或半年更換一次泵管和試劑過濾器。由于核電廠每天有專人負(fù)責(zé)對(duì)分析儀表進(jìn)行巡檢，很大程度上保障了儀表的正常運(yùn)行與監(jiān)測(cè)。

[1] 周娜.硅酸根在線分析儀[J].工業(yè)水處理,2012,32(4):78～80.

[2] 承慰才.電廠化學(xué)儀表[M].北京:中國(guó)電力出版社,1998:152～154.

[3] 鄧光南,曾文魁,付少華，等.硅酸根分析儀在火力發(fā)電廠水處理中的應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2002,22(11):41～43.

[4] 于萍.電廠化學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2009:238～241.

[5] 劉春蘭.硅酸根測(cè)定儀常見故障及處理方法[J].中國(guó)儀器儀表,2012,(12):57～59.

ApplicationofOn-lineSilicateAnalyzerinNuclearPowerPlant

MU Ting, HAN Lan-yue

(HainanNuclearPowerCo.,Ltd.,Changjiang572733,China)

The SWAN AMI on-line silicate analyzer’s principle of measurement was described, including its selection for nuclear power plant and both matters needing attention in the debugging and solutions to them.

on-line silicate analyzer, nuclear power plant, analyzer selection, debugging and maintenance

TH83

B

1000-3932(2016)11-1138-04

2016-10-08(修改稿)