溶解氧對(duì)主蒸汽溶解氫表測(cè)量影響試驗(yàn)研究

李海洋，王仁雷，尤良洲，衡世權(quán)

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

對(duì)于實(shí)際工況下長(zhǎng)期運(yùn)行的受熱面金屬材料而言，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)受熱面的高溫氧化情況，將蒸汽測(cè)的氧化速度控制在安全狀態(tài)是防止過熱器和再熱器發(fā)生爆管的關(guān)鍵技術(shù)。但過熱器和再熱器蒸汽測(cè)高溫氧化很難被在線監(jiān)測(cè)，只能通過間接測(cè)量來表征其氧化過程。已有研究結(jié)果表明，蒸汽中氫質(zhì)量濃度的變化可以用來衡量高溫水蒸氣與過熱器、再熱器內(nèi)壁之間的反應(yīng)速度。當(dāng)過熱器和再熱器內(nèi)壁出現(xiàn)局部過熱或氧化層因過熱開始結(jié)垢時(shí)，蒸汽中的氫質(zhì)量濃度將顯著上升。有文章認(rèn)為，蒸汽氫量能夠反映過熱器和再熱器蒸汽測(cè)高溫氧化的實(shí)際情況，而且比壁溫指標(biāo)和蒸汽溫度指標(biāo)靈敏。但在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)溶解氫表的測(cè)量準(zhǔn)確性較差，在鍋爐給水采用加氧處理時(shí)尤為突出，因此認(rèn)為溶解氧可能是影響溶解氫表測(cè)量的重要因素。為了確認(rèn)溶解氧對(duì)溶解氫表測(cè)量是否存在影響以及影響程度如何，本文通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬溶解氫表在電廠水汽系統(tǒng)中的實(shí)際工作狀況來進(jìn)行上述研究[1-2]。

1 溶解氫表測(cè)量原理

溶解氫傳感器由鉑電極(陽(yáng)極)和銀-氯化銀電極(陰極)及電解液組成，電極端部的半透膜將電極與水樣隔離。半透膜只允許水樣中的氣體通過，同時(shí)阻止水樣中的溶解固體透過，以免影響測(cè)量。

陰陽(yáng)極之間填充了具有緩沖性的電解液，主要成分是NaCl或KCl。儀器正常測(cè)量時(shí)，在陰陽(yáng)極之間施加0.4～0.8 V的恒定電壓，此時(shí)電解液在陰陽(yáng)極上發(fā)生如下反應(yīng)

或

水樣中氫被氧化成水，氯化銀被還原成金屬銀，在這個(gè)過程中陰陽(yáng)極會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)電流，電流的大小取決于水樣中氫氣到達(dá)陰極表面的速率，更進(jìn)一步說，取決于氫氣通過半透膜和電解液的速率，但該速率與流經(jīng)半透膜表面的水樣中的溶解氫呈線性關(guān)系，因此電化學(xué)電流的大小與水樣中的溶解氫質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系。

2 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

為了研究主蒸汽中的溶解氧對(duì)溶解氫表測(cè)量是否存在影響以及影響程度如何，本文根據(jù)電廠實(shí)際情況設(shè)計(jì)了一套動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，以模擬溶解氫表在水汽系統(tǒng)中的實(shí)際運(yùn)行情況，該試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。試驗(yàn)期間，平臺(tái)內(nèi)循環(huán)水量恒定，除氧樹脂柱正常運(yùn)行，可以將流動(dòng)水樣中的溶解氧和溶解氫全部去除。高壓純氫和高壓純氧直接鼓入除鹽水箱中，通過精密壓力表調(diào)節(jié)除鹽水箱內(nèi)的壓力，待氣液兩相平衡后即可得到固定濃度的溶解氫和溶解氧水樣，溶解氣體質(zhì)量濃度由亨利定律確定。

圖1 溶解氧對(duì)主蒸汽溶解氫表測(cè)量影響試驗(yàn)平臺(tái)

Fig.1 Test platform for the influence of dissolved oxygen onthe main steam dissolved hydrogen analyzer measurement

試驗(yàn)開始時(shí)，先不啟動(dòng)2臺(tái)注射泵，系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)除氧。待溶解氧基本去除后，通過調(diào)節(jié)注射泵的推進(jìn)速度來控制溶解氫水樣和溶解氧水樣的加入量，進(jìn)而調(diào)控平臺(tái)內(nèi)循環(huán)水樣中的溶解氫和溶解氧質(zhì)量濃度。為了研究溶解氧對(duì)溶解氫測(cè)量的影響，通過調(diào)節(jié)溶解氫水樣注射泵的推進(jìn)速度使循環(huán)水樣中的溶解氫質(zhì)量濃度分別穩(wěn)定在1.2，3.3，5.6 mg/m3左右。當(dāng)循環(huán)水樣中溶解氫質(zhì)量濃度穩(wěn)定在某一固定值時(shí)，開啟溶解氧水樣注射泵向循環(huán)水樣中分別添加0，50，100，150，200 mg/m3的溶解氧。試驗(yàn)過程中，分別記錄溶解氫表和溶解氧表的測(cè)量值，再根據(jù)溶解氫表測(cè)量值隨著溶解氧質(zhì)量濃度變化的規(guī)律來判斷溶解氧對(duì)溶解氫表測(cè)量的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 溶解氧對(duì)溶解氫表測(cè)量的影響

試驗(yàn)過程中，先后調(diào)節(jié)循環(huán)水樣中的溶解氫質(zhì)量濃度分別為1.2，3.3，5.6 mg/m3。當(dāng)溶解氫質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定時(shí)，分別調(diào)節(jié)溶解氧水樣注射泵推進(jìn)速度使循環(huán)水樣中的溶解氧質(zhì)量濃度分別為0，50，100，150，200 mg/m3，每種工況條件下連續(xù)測(cè)量20 min，每隔1min記錄1次測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)作不同質(zhì)量濃度溶解氫水樣加入不同質(zhì)量濃度溶解氧后其測(cè)量值變化曲線，具體如圖2—4所示。

圖2 初始溶解氫質(zhì)量濃度為1.2 mg/m3時(shí)加入 不同質(zhì)量濃度溶解氧后的測(cè)量值

Fig.2 Measured value of dissolved hydrogen afteradding different volume of dissolved oxygenwith initial concentration of 1.2 mg/m3

從圖2—4中的測(cè)量值變化曲線中可以看出，當(dāng)循環(huán)水樣中加入不同質(zhì)量濃度溶解氧后，溶解氫的測(cè)量值隨著溶解氧質(zhì)量濃度增加而明顯減小，因此溶解氧對(duì)溶解氫表的測(cè)量存在影響。

3.2 溶解氧對(duì)溶解氫表測(cè)量影響規(guī)律分析

據(jù)前所述，溶解氧對(duì)溶解氫表測(cè)量存在影響，為了研究其影響規(guī)律，計(jì)算不同質(zhì)量濃度溶解氫循環(huán)水樣加入溶解氧后溶解氫測(cè)量相對(duì)誤差，計(jì)算結(jié)果見表1—3。

從表1—3中的計(jì)算結(jié)果可以看出，溶解氧質(zhì)量濃度越大，水樣中溶解氫測(cè)量值越小，測(cè)量相對(duì)誤差越大；另一方面，溶解氫質(zhì)量濃度越高，溶解氧對(duì)溶解氫表的測(cè)量影響越小。為了尋找溶解氧造成的測(cè)量相對(duì)誤差和溶解氧質(zhì)量濃度的數(shù)學(xué)關(guān)系，現(xiàn)從溶解氫表測(cè)量相對(duì)誤差與溶解氧質(zhì)量濃度關(guān)系曲線可以看出，但水樣中溶解氫質(zhì)量濃度一定時(shí)，水樣中的溶解氧質(zhì)量濃度與溶解氫表測(cè)量值之間存在比較好的線性關(guān)系，因此可以根據(jù)溶解氧質(zhì)量濃度和溶解氫表測(cè)量值推算水樣中的溶解氫實(shí)際質(zhì)量濃度，這對(duì)分析主蒸汽溶解氫質(zhì)量濃度和過熱器再熱器高溫氧化關(guān)系具有十分重要的意義。

表1 初始溶解氫質(zhì)量濃度為1.2 mg/m3時(shí)加入不同質(zhì)量濃度溶解氧后的測(cè)量相對(duì)誤差Tab.1 Relative error of dissolved hydrogen after adding different volume of dissolved oxygen with initial mass concentration of 1.2 mg/m3

表2 初始溶解氫質(zhì)量濃度為3.3 mg/m3時(shí)加入不同質(zhì)量濃度溶解氧后的測(cè)量相對(duì)誤差Tab.2 Relative error of dissolved hydrogen after adding different volume of dissolved oxygen with initial mass concentration of 3.3 mg/m3

表3 初始溶解氫質(zhì)量濃度為5.6 mg/m3時(shí)加入不同質(zhì)量濃度溶解氧后的測(cè)量相對(duì)誤差Tab.3 Relative error of dissolved hydrogen after adding different volume of dissolved oxygen with initial mass concentration of 5.6 mg/m3

圖3 初始溶解氫質(zhì)量濃度為3.3 mg/m3時(shí)加入 不同質(zhì)量濃度溶解氧后的測(cè)量值

Fig.3 Measured value of dissolved hydrogen after addingdifferent volume of dissolved oxygen with initialconcentration of 3.3 mg/m3

圖4 初始溶解氫質(zhì)量濃度為5.6 mg/m3時(shí)加入 不同質(zhì)量濃度溶解氧后的測(cè)量值

Fig.4 Measured value of dissolved hydrogen after addingdifferent volume of dissolved oxygen with initialconcentration of 5.6 mg/m3

作溶解氫表測(cè)量相對(duì)誤差Y與溶解氧質(zhì)量濃度X的關(guān)系曲線并進(jìn)行線性回歸，具體如圖5所示(圖中，R為線性相關(guān)度)。

圖5 溶解氫表測(cè)量相對(duì)誤差與溶解氧質(zhì)量濃度 關(guān)系曲線

Fig.5 Relationship between the relative measurement error ofdissolved hydrogen analyzer and dissolved oxygen content

4 結(jié)束語(yǔ)

溶解氧質(zhì)量濃度對(duì)溶解氫表的測(cè)量存在影響，其影響規(guī)律是溶解氫質(zhì)量濃度越小，溶解氧質(zhì)量濃度越大，溶解氫表測(cè)量相對(duì)誤差越大；反之，溶解氫質(zhì)量濃度越大，溶解氧質(zhì)量濃度越小，溶解氫表測(cè)量相對(duì)誤差越小。在水樣中溶解氫質(zhì)量濃度一定時(shí)，溶解氫表的測(cè)量值與溶解氧質(zhì)量濃度存在比較好的線性關(guān)系。對(duì)于高參數(shù)大容量機(jī)組，主蒸汽中的溶解氫質(zhì)量濃度較小(一般小于5 mg/m3)，其測(cè)量值受溶解氧影響較大。如果機(jī)組給水采用加氧處理而且加氧量較高，那么溶解氫表測(cè)量值將明顯偏小。如果機(jī)組采用不加氧工況或者低氧工況，那么基本可以忽略溶解氧對(duì)溶解氫表測(cè)量的影響。