脫氣氫電導(dǎo)率在電廠(chǎng)水汽品質(zhì)異常診斷中的應(yīng)用

王 浩

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中電力試驗(yàn)研究院，河南 鄭州 450000）

0 引言

氫電導(dǎo)率是水樣連續(xù)地流過(guò)氫型強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂后測(cè)得的電導(dǎo)率，可直接反映雜質(zhì)陰離子的綜合含量［1］。對(duì)于火力發(fā)電機(jī)組而言，氫電導(dǎo)率是水汽品質(zhì)監(jiān)

督的一項(xiàng)重要指標(biāo)，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》 對(duì)給水、蒸汽、凝結(jié)水等水汽氫電導(dǎo)率的運(yùn)行控制標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了規(guī)定［2］。然而，當(dāng)水汽系統(tǒng)中存在一定量的CO2時(shí)，將會(huì)引起氫電導(dǎo)率值升高，此時(shí)氫電導(dǎo)率反映的是雜質(zhì)陰離子和CO2溶解產(chǎn)物的總含量，運(yùn)行人員無(wú)法分辨氫電導(dǎo)率升高是危害較大的雜質(zhì)污染物 （如引起的，還是相對(duì)無(wú)害的雜質(zhì)（如CO2）含量升高引起的［3］，影響實(shí)際水汽品質(zhì)的評(píng)估。而脫氣氫電導(dǎo)率（DGCC）利用物理化學(xué)方法將水樣中的CO2、H2CO3、等干擾因素去除，可真正反映雜質(zhì)陰離子的實(shí)際含量，為水汽品質(zhì)的正確評(píng)估提供依據(jù)。由于脫氣氫電導(dǎo)率與氫電導(dǎo)率之間存在差異，可反映相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況，因此脫氣氫電導(dǎo)率可用于部分水汽品質(zhì)異常問(wèn)題的診斷。

1 脫氣氫電導(dǎo)率測(cè)量原理

脫氣氫電導(dǎo)率是水樣先經(jīng)過(guò)氫型強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換柱，再通過(guò)脫氣裝置除去水樣中的CO2后測(cè)得的電導(dǎo)率［4］，其測(cè)量原理如圖1 所示。

目前采用的脫氣方法有以下3 種［5-7］：1）沸騰法，包括加熱沸騰法和真空沸騰法，采用加熱或者減壓的方法去除溶解的CO2；2） 氣體吹掃法，將N2或者He 通過(guò)噴嘴逆向噴入水樣中，達(dá)到脫氣效果，脫氣原理是亨利定理；3）膜脫氣法，其原理為半透膜組件（如聚砜膜氣體交換器）對(duì)氣體具有選擇透過(guò)性從而去除CO2，應(yīng)用時(shí)結(jié)合真空脫氣法提升脫氣效果，當(dāng)樣品從膜內(nèi)流過(guò)時(shí)，膜外由真空泵產(chǎn)生真空區(qū)間，使CO2氣體能順利透過(guò)膜而進(jìn)入真空區(qū)排去，而水分子不能透過(guò)膜，經(jīng)膜內(nèi)通道隨出水管流出。

圖1 脫氣氫電導(dǎo)率的測(cè)量原理

2 脫氣氫電導(dǎo)率的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)脫氣氫電導(dǎo)率的測(cè)量原理可知，脫氣氫電導(dǎo)率去除了CO2相關(guān)因素（CO2、H2CO3、對(duì)氫電導(dǎo)率的影響，脫氣過(guò)程對(duì)水樣中的雜質(zhì)陰離子沒(méi)有去除作用［4］，可真實(shí)反映有害雜質(zhì)陰離子含量的高低，對(duì)于監(jiān)督水汽品質(zhì)具有更實(shí)際的意義。

對(duì)于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組而言，氫電導(dǎo)率的“虛高” 影響機(jī)組啟動(dòng)進(jìn)程和水汽品質(zhì)監(jiān)測(cè)的可靠性。脫氣氫電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于該類(lèi)型機(jī)組，冷態(tài)啟動(dòng)階段蒸汽指標(biāo)達(dá)到啟動(dòng)要求的邊界條件所需時(shí)間會(huì)大幅度縮短，可加快余熱鍋爐的啟動(dòng)進(jìn)程，同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)在低負(fù)荷（低效率）下運(yùn)轉(zhuǎn)的等待時(shí)間也會(huì)隨之縮短，可降低啟動(dòng)成本，增加經(jīng)濟(jì)效益［8］。此外，脫氣氫電導(dǎo)率能更加靈敏、真實(shí)地反映機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行、頻繁啟停等運(yùn)行方式帶來(lái)的水汽品質(zhì)波動(dòng)，有助于有效控制余熱鍋爐的腐蝕結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)［9］。

脫氣氫電導(dǎo)率對(duì)直接空冷機(jī)組的汽水品質(zhì)監(jiān)督具有重要意義，特別對(duì)于空冷島面積大、真空嚴(yán)密性較差的直接空冷機(jī)組，凝結(jié)水溶解CO2較多，氫電導(dǎo)率受影響較大，監(jiān)測(cè)水樣的脫氣氫電導(dǎo)率可避免CO2干擾導(dǎo)致的對(duì)水質(zhì)惡化的誤判，對(duì)指導(dǎo)機(jī)組正常運(yùn)行、減小鍋爐排污、加快機(jī)組啟動(dòng)速度具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義［10］。

3 脫氣氫電導(dǎo)率在水汽品質(zhì)異常診斷中的應(yīng)用

脫氣氫電導(dǎo)率可真實(shí)反映有害雜質(zhì)陰離子含量，氫電導(dǎo)率與脫氣氫電導(dǎo)率的差值可反映出CO2溶入量或者含量的高低。通常，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，水汽氫電導(dǎo)率與脫氣氫電導(dǎo)率的數(shù)值無(wú)明顯差異。結(jié)合電導(dǎo)率、氫電導(dǎo)率、脫氣氫電導(dǎo)率3 個(gè)指標(biāo)，能夠更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)水汽品質(zhì)狀況，分析水汽品質(zhì)異常原因。采用Digox 602 dac 型除氣電導(dǎo)率分析儀，對(duì)下列幾種水汽品質(zhì)異常問(wèn)題進(jìn)行分析診斷。

3.1 凝結(jié)水負(fù)壓系統(tǒng)漏入空氣

凝結(jié)水負(fù)壓系統(tǒng)包括凝汽器真空負(fù)壓系統(tǒng)和凝汽器熱井水平面至凝結(jié)水泵的管路。如果負(fù)壓系統(tǒng)存在漏點(diǎn)而吸入空氣，由于CO2的溶解會(huì)使凝結(jié)水氫電導(dǎo)率上升，但脫氣氫電導(dǎo)率則不會(huì)發(fā)生明顯變化。由于凝汽器抽真空系統(tǒng)本身具有除氧作用，真空負(fù)壓系統(tǒng)漏空氣不一定會(huì)造成凝結(jié)水溶解氧濃度超標(biāo)，但凝汽器熱井水平面至凝結(jié)水泵的管路如果漏入空氣，凝結(jié)水溶解氧濃度通常升高較明顯且易超標(biāo)。

某330 MW 機(jī)組凝結(jié)水在線(xiàn)氫電導(dǎo)率表的示值短期內(nèi)升高至約0.24 μS／cm，并隨負(fù)荷變化在0.20～0.25 μS／cm 之間波動(dòng)，在線(xiàn)化學(xué)儀表檢驗(yàn)裝置確認(rèn)該在線(xiàn)儀表測(cè)試準(zhǔn)確。查閱歷史數(shù)據(jù)，該機(jī)組凝結(jié)水氫電導(dǎo)率均低于0.15 μS／cm，溶解氧質(zhì)量濃度低于16 μg／L。經(jīng)不同時(shí)段檢測(cè)（如表1 所示），凝結(jié)水脫氣氫電導(dǎo)率無(wú)明顯變化，均低于0.15 μS／cm，且明顯低于氫電導(dǎo)率，溶解氧濃度在控制上限值左右波動(dòng)，這說(shuō)明凝結(jié)水中含有CO2氣體，溶解氧濃度有所升高，而腐蝕性陰離子含量正常。由此推斷，凝結(jié)水負(fù)壓系統(tǒng)存在泄漏而吸入空氣，其中的CO2與堿性凝結(jié)水接觸生成，導(dǎo)致氫電導(dǎo)率升高，由于泄漏點(diǎn)較小，溶解氧濃度未升高至連續(xù)性超標(biāo)。經(jīng)排查，凝結(jié)水泵入口濾網(wǎng)法蘭處存在漏點(diǎn)，緊固后凝結(jié)水氫電導(dǎo)率和溶解氧濃度恢復(fù)至正常水平。

3.2 水冷凝汽器泄漏

凝結(jié)水氫電導(dǎo)率是反映凝汽器是否泄漏的一項(xiàng)重要指標(biāo)，尤其對(duì)于蒸汽采用直流冷卻、敞開(kāi)式循環(huán)水冷卻方式的機(jī)組，凝汽器泄漏會(huì)引起凝結(jié)水氫電導(dǎo)率明顯升高甚至超標(biāo)，同時(shí)脫氣氫電導(dǎo)率會(huì)以相同趨勢(shì)隨之波動(dòng)，與凝結(jié)水負(fù)壓系統(tǒng)漏入空氣有所不同?；趦煞N情況的差異，借助脫氣氫電導(dǎo)率可區(qū)分兩種原因。

表1 某330 MW 機(jī)組凝結(jié)水水質(zhì)數(shù)據(jù)

某600 MW 機(jī)組冷卻方式為敞開(kāi)式循環(huán)冷卻，運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水在線(xiàn)氫電導(dǎo)率表的示值3 h 內(nèi)由0.12 μS／cm 升高至0.51 μS／cm 左右，已超標(biāo)，但給水、蒸汽合格。通過(guò)初步排查，確認(rèn)在線(xiàn)氫電導(dǎo)率表準(zhǔn)確，且無(wú)不合格疏水排至凝汽器。經(jīng)檢測(cè)（如表2所示），凝結(jié)水溶解氧質(zhì)量濃度不超標(biāo)，但氫電導(dǎo)率和脫氣氫電導(dǎo)率均超標(biāo)，且相差較明顯。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可確定循環(huán)冷卻水漏入凝結(jié)水系統(tǒng)導(dǎo)致氫電導(dǎo)率升高；由于循環(huán)水中含有，故凝結(jié)水脫氣氫電導(dǎo)率稍低于氫電導(dǎo)率；漏入蒸汽側(cè)的循環(huán)水所含溶解氧在凝汽器真空負(fù)壓環(huán)境下被除去，故凝結(jié)水溶解氧濃度無(wú)明顯變化。對(duì)凝汽器投加鋸末堵漏后，凝結(jié)水水質(zhì)恢復(fù)正常。之后，利用機(jī)組停機(jī)機(jī)會(huì)進(jìn)行了查漏，發(fā)現(xiàn)多根凝汽器管存在腐蝕穿孔問(wèn)題，證實(shí)了上述結(jié)論。

表2 某600 MW 機(jī)組凝結(jié)水水質(zhì)數(shù)據(jù)

在排查凝結(jié)水水質(zhì)異常期間，同時(shí)對(duì)給水、過(guò)熱蒸汽、凝結(jié)水進(jìn)行了離子色譜分析，數(shù)據(jù)如表3 所示。由表3 可知，凝結(jié)水硬度和Na+質(zhì)量濃度均超標(biāo)，其常見(jiàn)陽(yáng)離子（Na+、Ca2+、Mg2+）和腐蝕性陰離子（Cl-、的質(zhì)量濃度均高于蒸汽，表明凝結(jié)水受到了其他水體污染，與脫氣氫電導(dǎo)率結(jié)論一致。相對(duì)于離子色譜分析，采用脫氣氫電導(dǎo)率診斷更加便捷。

表3 離子色譜分析結(jié)果

3.3 取樣管路不嚴(yán)密吸入空氣

某300 MW 汽包爐給水在線(xiàn)氫電導(dǎo)率表的示值在短期內(nèi)升高至約0.28 μS／cm，且呈繼續(xù)上升趨勢(shì)，更換氫離子交換柱內(nèi)的樹(shù)脂后無(wú)改善。經(jīng)檢測(cè)（如表4 所示），給水手工取樣口水樣的氫電導(dǎo)率和溶解氧濃度均遠(yuǎn)低于控制上限值，且脫氣氫電導(dǎo)率與氫電導(dǎo)率相近，說(shuō)明實(shí)際給水水質(zhì)正常；給水在線(xiàn)氫電導(dǎo)率表流通池入口水樣的氫電導(dǎo)率和溶解氧質(zhì)量濃度均超標(biāo)，但脫氣氫電導(dǎo)率合格，說(shuō)明水樣中有CO2溶入。據(jù)此可推斷，氫電導(dǎo)率升高是由取樣管道不嚴(yán)密吸入空氣所致。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，在線(xiàn)氫電導(dǎo)率表離子交換柱前的浮子流量計(jì)不嚴(yán)密，間斷性出現(xiàn)小氣泡，更換浮子流量計(jì)后，在線(xiàn)表的示值恢復(fù)正常。

表4 某300 MW 汽包爐給水水質(zhì)數(shù)據(jù)

3.4 熱網(wǎng)加熱器泄漏

某供熱機(jī)組1、2 號(hào)熱網(wǎng)加熱器在供熱期投入運(yùn)行10 天后，熱網(wǎng)疏水氫電導(dǎo)率約為0.54 μS／cm，超出GB／T 12145—2016 對(duì)回收至除氧器的熱網(wǎng)疏水的水質(zhì)要求。經(jīng)檢測(cè)（如表5 所示），熱網(wǎng)疏水的氫電導(dǎo)率、脫氣氫電導(dǎo)率均超標(biāo)，二者差值較大，表明熱網(wǎng)加熱器存在泄漏，且可排除取樣管路不嚴(yán)密吸入空氣導(dǎo)致水質(zhì)超標(biāo)的可能。由于該機(jī)組回收到除氧器的熱網(wǎng)疏水僅占總給水量的15%～20%，所以暫未導(dǎo)致給水水質(zhì)和蒸汽品質(zhì)超標(biāo)。通過(guò)交替關(guān)閉兩臺(tái)熱網(wǎng)加熱器的疏水取樣閥進(jìn)行排查，確定1 號(hào)熱網(wǎng)加熱器存在泄漏，將該熱網(wǎng)加熱器退出運(yùn)行后，經(jīng)查漏、堵漏后，熱網(wǎng)疏水氫電導(dǎo)率降至0.122 μS／cm，恢復(fù)正常。

表5 某供熱機(jī)組熱網(wǎng)加熱器泄漏相關(guān)水質(zhì) μS／cm

3.5 發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)漏入CO2

目前火力發(fā)電機(jī)組的內(nèi)冷水普遍采用堿性處理法，當(dāng)內(nèi)冷水系統(tǒng)有CO2漏入時(shí)會(huì)引起內(nèi)冷水電導(dǎo)率升高、pH 偏低、小混床使用周期短等系列問(wèn)題［11-12］。內(nèi)冷水系統(tǒng)CO2一般有以下幾個(gè)來(lái)源：1）作為內(nèi)冷水補(bǔ)水的除鹽水?dāng)y帶CO2，通常除鹽水箱密封效果差時(shí)，除鹽水中CO2濃度高會(huì)導(dǎo)致內(nèi)冷水水質(zhì)異常；2）內(nèi)冷水系統(tǒng)泵和閥門(mén)有空氣漏入；3）內(nèi)冷水箱未采取密封方式運(yùn)行，直接與空氣接觸的部位也未加裝CO2呼吸器；4） 發(fā)電機(jī)H2置換過(guò)程中殘留在H2中的CO2隨H2漏入內(nèi)冷水系統(tǒng)［13］，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)存在極少量H2微滲到內(nèi)冷水中的正常情況［14］，但不會(huì)明顯影響內(nèi)冷水水質(zhì)，如果存在異常漏入，則對(duì)內(nèi)冷水水質(zhì)影響較大。

某660 MW 機(jī)組內(nèi)冷水系統(tǒng)采用旁路離子交換加堿堿化處理方式，多次出現(xiàn)小混床失效、內(nèi)冷水pH 突降情況，更換離子交換樹(shù)脂后，內(nèi)冷水水質(zhì)可滿(mǎn)足要求，但樹(shù)脂使用周期僅為3 個(gè)月，不到廠(chǎng)內(nèi)相同機(jī)組的一半。采用脫氣氫電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)儀表和pH 表對(duì)內(nèi)冷水系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)計(jì)算模型計(jì)算CO2溶入量［15］，數(shù)據(jù)如表6 所示。發(fā)電機(jī)回水的氫電導(dǎo)率高于內(nèi)冷水箱水（發(fā)電機(jī)進(jìn)水），內(nèi)冷水回水CO2濃度較進(jìn)水高，說(shuō)明內(nèi)冷水在發(fā)電機(jī)內(nèi)溶入了CO2氣體，應(yīng)是H2進(jìn)入內(nèi)冷水系統(tǒng)攜帶CO2造成。此后檢修、查漏發(fā)現(xiàn)，內(nèi)冷水進(jìn)水母管波紋補(bǔ)償器波紋管與不銹鋼法蘭接口焊接處存在細(xì)小砂眼裂紋，CO2隨H2由此處漏入內(nèi)冷水系統(tǒng)。補(bǔ)漏處理后運(yùn)行11 個(gè)月未再出現(xiàn)pH 異常降低情況，小混床樹(shù)脂的使用周期也恢復(fù)正常。

表6 內(nèi)冷水水質(zhì)及CO2 濃度

4 結(jié)語(yǔ)

脫氣氫電導(dǎo)率可排除CO2因素對(duì)氫電導(dǎo)率的影響，可真實(shí)反映有害雜質(zhì)陰離子含量的高低，其與氫電導(dǎo)率的差值可反映CO2溶入量或者HCO3-、CO32-含量的高低，進(jìn)而反映設(shè)備運(yùn)行狀況。通過(guò)脫氣氫電導(dǎo)率，有效地診斷了5 類(lèi)水汽品質(zhì)異常問(wèn)題。由于水汽品質(zhì)異常通常涉及多方面因素，在采用脫氣氫電導(dǎo)率分析時(shí)還需結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備考慮以下3 個(gè)方面：在線(xiàn)化學(xué)儀表的準(zhǔn)確性；水質(zhì)異常期間與監(jiān)測(cè)水樣相關(guān)的疏水或補(bǔ)水水質(zhì)；相關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的變化。對(duì)于水冷凝汽器泄漏問(wèn)題的診斷，脫氣氫電導(dǎo)率比離子色譜能更加便捷地確認(rèn)原因，有利于電廠(chǎng)更早地采取措施。建議火電廠(chǎng)凝結(jié)水系統(tǒng)加裝在線(xiàn)脫氣氫電導(dǎo)率表，可有效識(shí)別凝結(jié)水系統(tǒng)嚴(yán)密性差及凝汽器泄漏的故障。