氯離子在線監(jiān)測技術在精處理系統(tǒng)優(yōu)化運行中的應用

黃 茜，劉暉明，王 平，劉崇政，王建曼，黎 帥，賈 蘭

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.貴溪發(fā)電有限責任公司，江西 貴溪 335400；3.華能羅源發(fā)電有限責任公司，福建 福州 350602；4.神華國華寧東發(fā)電有限責任公司，寧夏 靈武 750004）

大容量高參數機組對鍋爐給水質量的要求極為嚴格?！痘鹆Πl(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質量》（GB/T 12145—2016）對超（超）臨界機組鍋爐的給水質量提出了嚴格的控制指標，尤其是要求氯離子質量濃度小于1 μg/L[1]。精處理出水是鍋爐給水的最重要組成部分，直流爐要求凝結水進行100%的處理以避免雜質被帶入水汽系統(tǒng)[2]。目前，我國各電廠精處理設備的運行控制水平良莠不齊[3-5]，精處理失效終點監(jiān)測經常憑運行經驗或制水周期進行，而且很多電廠擔心混床銨型運行時不好控制混床出水水質。為了防止發(fā)生汽輪機腐蝕積鹽、鍋爐爆管等事故，精處理混床嚴格執(zhí)行氫型運行。然而，在許多采用氫型運行精處理混床的超（超）臨界機組水質監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，凝結水的水質與精處理混床出水的水質幾乎完全相同，精處理除鹽僅僅除去了銨根，但又要在精處理出口重新加氨，造成了浪費[6]，同時精處理系統(tǒng)運行負擔重、運行周期短，混床樹脂頻繁再生，增加了酸堿消耗和廢水產量及運行人員工作強度，加速了樹脂性能劣化。實際運行中，當混床樹脂再生度較高時，混床可以銨型運行，在凝汽器不泄漏時，混床能保持經濟且長時間運行，達到進一步凈化水質的作用，一旦凝汽器泄漏，也可以及時阻擋冷卻水漏入的雜質，保證有足夠的時間來投入氫型混床。

凝結水精處理混床能否從氫型轉為銨型運行，關鍵在于混床出水水質能否滿足標準。根據離子交換平衡及“填充-溢出”原理，樹脂再生度偏低、再生液沖洗不徹底以及凝結水中存在雜質離子等因素均會引起混床轉型時出現(xiàn)鈉離子或氯離子的排代，可能導致混床出水鈉離子或氯離子質量濃度超標[6]。為了對混床出水水質進行監(jiān)控，混床水質分析系統(tǒng)通常設置了在線（氫）電導率表、在線鈉表及在線硅表等在線化學儀表，而缺少在線監(jiān)測氯離子的儀表[7-11]。鑒于無法實時監(jiān)測精處理混床出水氯離子質量濃度是否超標，很多電廠混床未采取銨型運行方式。

為此，西安熱工研究院有限公司（西安熱工院）提出了一種痕量氯離子在線測量方法，研制的痕量在線氯離子分析儀[12-13]可實現(xiàn)精處理出水氯離子在線監(jiān)測，優(yōu)化了精處理系統(tǒng)的運行工況，在確保機組安全運行的條件下產生顯著的節(jié)能減排效果。

1 痕量在線氯離子分析儀

目前，可用于檢測水汽中痕量氯離子質量濃度的測量方法主要有離子色譜法和光電比色法。離子色譜法無法實現(xiàn)在線測量，而光電比色法易于實現(xiàn)在線測量，且現(xiàn)場維護量很少[14-16]。因此，西安熱工院研制的TPRI-TC型痕量在線氯離子分析儀使用光學測量原理，實際運行中結合痕量在線氯離子分析儀和現(xiàn)場其他在線化學儀表共同監(jiān)督精處理系統(tǒng)和水汽系統(tǒng)的水汽質量。

為了保障該TPRI-TC型痕量在線氯離子分析儀在工業(yè)應用中的測量準確性，對其進行了性能測試，測試結果見表1和表2。由表1、表2可知，TPRI-TC型痕量在線氯離子分析儀的測量示值相對誤差和測量重復性標準偏差及相對標準偏差均較小，儀器測量準確性良好。

表1 儀器示值誤差測試結果Tab.1 The test data of instrument indication error

表2 儀器重復性測試結果Tab.2 The test data of instrument repeatability

為了驗證TPRI-TC型痕量在線氯離子分析儀對精處理出水氯離子質量濃度測試的適用性，取精處理出水水樣進行離子色譜分析，將分析結果與TPRI-TC型痕量在線氯離子分析儀的測量結果進行比對，結果見表3。所用離子色譜儀為賽默飛生產的ICS 900型。

表3 氯離子質量濃度在線測量與離子色譜儀分析結果比對 單位：μg/LTab.3 The on-line measurement data and ion chromatograph analysis data of chlorine ion mass concentration

由表3可知，TPRI-TC型痕量在線氯離子分析儀與離子色譜儀測量結果偏差很小，相符性較好，可準確監(jiān)測精處理出水的氯離子質量濃度。

2 精處理系統(tǒng)優(yōu)化工業(yè)試驗

由于氯離子質量濃度超標時混床必須按要求退出運行。因此將氯離子質量濃度作為精處理混床運行的一項關鍵控制指標，并結合精處理出水的其他水質監(jiān)測數據，對精處理系統(tǒng)進行優(yōu)化。

A電廠和B電廠精處理混床目前均采用氫型運行方式，制水量控制在12萬t左右。這主要是由于無法實時監(jiān)測精處理出水氯離子質量濃度，擔心精處理混床銨型運行會漏氯導致給水氯離子超標，引發(fā)腐蝕事故。

A電廠和B電廠超超臨界機組精處理系統(tǒng)加裝TPRI-TC型痕量在線氯離子分析儀，對其進行優(yōu)化，并進行優(yōu)化工業(yè)試驗。試驗對A電廠和B電廠的精處理混床進行制水周期全過程監(jiān)測，考察氫型運行階段、轉銨階段以及銨型運行階段混床出水的水質，確定精處理混床銨型運行或部分銨型運行的可能性，優(yōu)化精處理運行工藝。

2.1 A電廠優(yōu)化工業(yè)試驗結果

A電廠精處理混床的運行周期監(jiān)測和優(yōu)化工業(yè)試驗歷時32天。混床出水氯離子和鈉離子質量濃度隨直接電導率的變化趨勢如圖1所示。從圖1可知：該混床轉銨階段出現(xiàn)了氯離子和鈉離子的排代峰，但由于凝結水水質良好，樹脂再生度高，氯離子和鈉離子的峰值也未超標；轉銨型運行后氯離子和鈉離子均未出現(xiàn)超標現(xiàn)象。

圖1 A電廠混床出水氯離子、鈉離子質量濃度變化趨勢Fig.1 Changes of mass concentration of chloride ion and sodium ion in mixed bed output water of Power Plant A

同時，在氫型運行、轉銨以及銨型運行各階段，該混床出水的氫電導率、二氧化硅、總鐵、總有機碳離子（TOCi）等指標均符合GB/T 12145—2016的要求，結果如圖2所示。

圖2 A電廠混床出水關鍵指標檢測結果變化趨勢Fig.2 Changes of test results of key indicators of mixed bed output water of Power Plant A

該混床氫型運行時的制水量為12.4萬t，本次優(yōu)化工業(yè)試驗探究A電廠混床銨型運行的可能性，將混床運行周期延長至氫型運行時的3.3倍，周期制水量提高約2倍。理論上只要混床出水的氯離子、鈉離子等關鍵指標符合標準要求，此混床還可繼續(xù)運行。

2.2 B電廠優(yōu)化工業(yè)試驗結果

2.2.1 1號混床

B電廠1號混床在氫型運行時的制水量為12.2萬t，氫型運行時，混床出水各項水質指標穩(wěn)定；制水量超過12.2萬t時，混床出水的直接電導率超過0.2 μS/cm，銨離子質量濃度明顯上升，床體開始轉為銨型運行。該混床運行過程中氯離子和鈉離子質量濃度與直接電導率相關的趨勢如圖3所示。該混床出水其他關鍵指標的分析監(jiān)測結果如圖4所示。

圖3 B電廠1號混床出水氯離子、鈉離子質量濃度變化趨勢Fig.3 Changes of mass concentration of chloride ion and sodium ion in No.1 mixed bed output water of Power Plant B

圖4 B電廠1號混床出水關鍵指標檢測結果變化趨勢Fig.4 Changes of test results of key indicators of No.1 mixed bed output water of Power Plant B

由圖3和圖4可知：1號混床出水的氯離子、鈉離子質量濃度始終隨著直接電導率的升高而升高；混床出水二氧化硅、鈉離子、氫電導率、總鐵、TOCi等指標均未超標；但最終氯離子質量濃度已達到GB/T 12145—2016標準規(guī)定的上限值，因此停止試驗，將1號混床退出運行。試驗結束時，1號混床共計制水18.34萬t，較氫型運行時的制水量提高約50%，精處理周期為氫型運行時的1.5倍。

2.2.2 2號混床

B電廠的2號混床在氫型運行時制水量為12.8萬t時，氫型運行階段混床出水各項水質指標穩(wěn)定。制水量超過12.8萬t時，該混床出水的直接電導率超過0.2 μS/cm，銨離子質量濃度明顯上升，床體開始轉為銨型運行。制水量增加到24.39萬t時，混床出水的直接電導率和銨離子質量濃度均上升至與凝結水的基本一致，床體完全轉化為銨型運行。圖5為B電廠2號混床運行過程中氯離子和鈉離子質量濃度的監(jiān)測結果與直接電導率相關的趨勢。圖6為B電廠2號混床出水其他關鍵指標的分析監(jiān)測結果。

圖5 B電廠2號混床出水氯離子、鈉離子質量濃度變化趨勢Fig.5 Changes of mass concentrations of chloride ion and sodium ion in No.2 mixed bed output water of Power Plant B

圖6 B電廠2號混床出水關鍵指標檢測結果變化趨勢Fig.6 Changes of test results of key indicators of No.2 mixed bed output water of Power Plant B

由圖5和圖6可知：2號混床出水的氯離子、鈉離子質量濃度一直隨著直接電導率的升高而升高；2號混床出水二氧化硅、氫電導率、總鐵、TOCi等指標均未超標；但是最終氯離子、鈉離子質量濃度已達到GB/T 12145—2016標準規(guī)定的上限值，因此將2號混床退出運行。試驗結束時，B電廠2號混床共計制水30.68萬t，較氫型運行時的制水量提高約139%，精處理周期為氫型運行時的1.8倍。

3 經濟效益分析

3.1 直接經濟效益

使用氯離子在線監(jiān)測技術優(yōu)化精處理系統(tǒng)運行后，可有效監(jiān)控精處理混床出水氯離子質量濃度，使電廠能及時調整精處理的再生及運行工藝條件，在保證熱力設備安全運行的同時，大幅延長精處理運行周期，減少再生次數。以本文優(yōu)化工業(yè)試驗結果延長精處理運行周期2倍估算，1臺機組1年可減少再生次數約50次，以每次再生酸堿耗費用3 000元計算，每年可節(jié)約15萬元。以每次精處理再生用水200 t計算，延長精處理運行周期2倍時，1臺機組每年可節(jié)約10 000 t除鹽水，1 t除鹽水以20元計算，每年可節(jié)約制水費20萬元，節(jié)水效益顯著。同時，還可降低運行人員的勞動強度，減少人工成本。

發(fā)電廠精處理再生1次用鹽酸約1 t，氫氧化鈉約1 t，產生廢酸廢堿約40 t。利用氯離子在線監(jiān)測技術優(yōu)化精處理系統(tǒng)運行后，電廠在延長精處理運行周期、減少再生次數的同時，還可大大減少廢酸、廢堿、廢水的排放處理，產生顯著的環(huán)保經濟效益。

3.2 間接經濟效益

在精處理系統(tǒng)實施氯離子在線監(jiān)測技術，可及時發(fā)現(xiàn)由于凝汽器泄漏、樹脂再生不佳等引起的精處理出水氯離子質量濃度超標現(xiàn)象，有效避免熱力設備由氯離子引起的水冷壁管腐蝕、汽輪機葉片斷裂事故，保證發(fā)電廠的安全經濟運行，減少熱力設備的檢修及維護費用[17-19]。按照避免1臺超（超）臨界發(fā)電機組1次汽輪機低壓缸葉片腐蝕損壞計算，可獲得間接經濟效益3 000萬元以上，避免1臺超（超）發(fā)電機組1次鍋爐爆管事故，可獲得間接經濟效益500萬元以上。

4 結 論

1）本文在發(fā)電廠精處理系統(tǒng)安裝TPRI-TC型痕量在線氯離子分析儀進行精處理系統(tǒng)優(yōu)化，可實現(xiàn)精處理出水氯離子質量濃度的實時在線監(jiān)測，進行精處理混床運行周期的優(yōu)化調整。

2）本文在A、B 2個電廠進行了精處理系統(tǒng)優(yōu)化工業(yè)試驗。A電廠混床可完全銨型運行，制水量較氫型運行時至少可提高2倍，精處理周期至少為氫型運行時的3.3倍；B電廠1號混床可部分銨型運行，制水量較氫型運行時提高約50%，精處理周期為氫型運行時的1.5倍；B電廠2號混床可銨型運行，制水量較氫型運行時提高約139%，精處理周期為氫型運行時的1.8倍。優(yōu)化后，在確保機組安全運行的條件下經濟效益和節(jié)能減排效果顯著。