智能氫電導(dǎo)率表在凝汽器檢漏裝置上的應(yīng)用

陳建忠，林楚偉，陳裕忠，朱晨亮，劉佳杰，戴 鑫

（1.華能國際海門電廠，廣東 汕頭515132；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安710054）

0 引言

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，大容量高參數(shù)超臨界、超超臨界機(jī)組不斷出現(xiàn)，電廠對(duì)水汽質(zhì)量提出了更高的要求。由于冷凝管制造過程中的不良工藝、機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)、熱漲冷縮、循環(huán)水中固體顆粒的磨擦和化學(xué)腐蝕等現(xiàn)象的影響，會(huì)造成凝汽器換熱管脹接處松動(dòng)，管壁腐蝕穿孔或異物砸傷等故障，造成凝汽器泄漏［1-5］。凝汽器泄漏時(shí)，如何快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出凝汽器泄漏點(diǎn)的位置，并采取有效隔離措施，排除凝汽器泄漏故障，是電廠汽機(jī)和化學(xué)專業(yè)的一項(xiàng)重要技術(shù)課題。經(jīng)常有電廠在凝汽器泄漏時(shí)，由于氫電導(dǎo)率測(cè)量準(zhǔn)確性問題，沒有及時(shí)準(zhǔn)確隔離凝汽器泄漏側(cè)，延誤了事故處理，造成汽水品質(zhì)嚴(yán)重污染，甚至造成汽輪機(jī)大面積積鹽和停機(jī)的事故［6］。

為了判斷凝汽器是否存在泄漏故障，很多電廠都安裝了凝汽器檢漏裝置來檢查判斷凝汽器泄漏位置，氫電導(dǎo)率是判斷凝汽器汽機(jī)側(cè)或發(fā)電機(jī)側(cè)泄漏的重要依據(jù)［7］，同時(shí)氫電導(dǎo)率指標(biāo)也是電廠水汽系統(tǒng)的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一［8-10］。本文介紹了一種采用電再生離子交換技術(shù)和非線性溫度補(bǔ)償技術(shù)的智能氫電導(dǎo)率表，探討了其在凝汽器檢漏裝置中的應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)方法，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無需人工再生更換樹脂即可保證氫電導(dǎo)率的連續(xù)準(zhǔn)確測(cè)量，避免了因氫電導(dǎo)率檢測(cè)不準(zhǔn)確導(dǎo)致的凝汽器檢漏裝置錯(cuò)誤診斷現(xiàn)象。

1 電再生離子交換技術(shù)介紹

1.1 氫電導(dǎo)率測(cè)量中陽離子交換柱存在的問題

目前電廠通過在常規(guī)電導(dǎo)率表前加裝陽離子交換樹脂柱監(jiān)測(cè)水汽的氫電導(dǎo)率，由于交換柱需定期對(duì)樹脂進(jìn)行再生或更換，增加了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員的工作量，另外這種傳統(tǒng)的測(cè)量方法還存在一些無法避免的測(cè)量干擾［11-14］，如：

1）樹脂無法徹底交換陽離子，會(huì)降低測(cè)定腐蝕性污染物的靈敏度，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生或正或負(fù)的偏差；

2）有些陽離子交換樹脂釋放低分子聚合物雜質(zhì)，增加了背景電導(dǎo)率，導(dǎo)致氫電導(dǎo)率檢測(cè)靈敏度降低；

3）當(dāng)樹脂沖洗不充分或再生不完全時(shí)，釋放出痕量的雜質(zhì)離子會(huì)引起測(cè)量正誤差；

4）樹脂失效時(shí)沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換再生，造成測(cè)量誤差。

氫電導(dǎo)率表作為凝汽器檢漏裝置中最重要的必備儀表，測(cè)量值長(zhǎng)期偏小會(huì)導(dǎo)致檢漏裝置檢測(cè)靈敏度下降，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)漏點(diǎn)；如測(cè)量值長(zhǎng)期偏大檢漏裝置會(huì)誤報(bào)給出錯(cuò)誤的檢漏結(jié)果，因此提高氫電導(dǎo)率表測(cè)量準(zhǔn)確性，保證儀表在免人工維護(hù)條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于凝汽器檢漏裝置尤為重要。

國外為提高氫電導(dǎo)率的測(cè)量準(zhǔn)確性做了很多研發(fā)，通過制定ASTM D6504《氫電導(dǎo)率的測(cè)量》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氫電導(dǎo)率測(cè)量的陽離子交換柱內(nèi)徑和高度、水樣流速、樹脂選用等測(cè)量條件進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定［15］；為了最大程度實(shí)現(xiàn)氫電導(dǎo)率連續(xù)測(cè)量，采用雙氫交換柱切換法，但該系統(tǒng)較復(fù)雜，占用空間大，關(guān)鍵是樹脂仍需定期更換或再生，再生后的樹脂需要長(zhǎng)時(shí)間沖洗才可使用。國內(nèi)為了提高氫電導(dǎo)率的測(cè)量準(zhǔn)確性也制定了氫電導(dǎo)率測(cè)定的電力標(biāo)準(zhǔn)［16］，為解決氫電導(dǎo)率表在線校驗(yàn)，研制了在線化學(xué)儀表校驗(yàn)裝置對(duì)氫電導(dǎo)率表進(jìn)行在線校驗(yàn)［17-21］；研制了樹脂動(dòng)態(tài)再生裝置，解決樹脂再生不徹底的問題［22］；研制了變色氫型樹脂以直觀表征樹脂是否失效，便于及時(shí)更換樹脂。但這些研究工作受傳統(tǒng)陽離子交換柱的設(shè)計(jì)所限，并沒有實(shí)質(zhì)上解決氫電導(dǎo)率測(cè)量過程中需要再生更換陽離子交換樹脂的問題，也未真正意義上實(shí)現(xiàn)氫電導(dǎo)率連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

1.2 電再生離子交換技術(shù)原理

電再生離子交換技術(shù)采用電化學(xué)方法對(duì)少量的特種離子交換樹脂進(jìn)行持續(xù)再生，以替換傳統(tǒng)的離子交換樹脂柱。當(dāng)待檢測(cè)水樣流入電再生式離子交換裝置后水中陽離子在陽樹脂交換作用下變?yōu)闅潆x子，處理后的水樣進(jìn)入電導(dǎo)池測(cè)量電導(dǎo)率，測(cè)量后的水樣再次循環(huán)通入電再生式離子交換裝置并進(jìn)行電解，電解產(chǎn)生的氫離子在電場(chǎng)作用下對(duì)陽離子交換樹脂進(jìn)行再生，陽離子交換樹脂再生產(chǎn)生的雜質(zhì)離子隨電解后的水樣排出［23］。電解供電系統(tǒng)采用24 V直流供電設(shè)計(jì)，并帶有自動(dòng)恒定電流功能，可根據(jù)需要給樹脂提供穩(wěn)定的電流。根據(jù)此原理設(shè)計(jì)出的電再生離子交換裝置體積小，安裝簡(jiǎn)單，圖1和圖2是傳統(tǒng)陽離子交換樹脂柱和電再生離子交換裝置的安裝實(shí)物圖比較。

圖1 陽離子交換樹脂柱安裝圖Fig.1 Installation picture of cation exchange resin column

圖2 電再生離子交換裝置安裝圖Fig.2 Installation picture of electric regeneration ion exchange device

電再生離子交換裝置不僅可以直接替換現(xiàn)場(chǎng)的離子交換柱實(shí)現(xiàn)氫電導(dǎo)率測(cè)量，還可以與電導(dǎo)率表組裝設(shè)計(jì)成一體化的氫電導(dǎo)率表。電再生離子交換裝置整個(gè)測(cè)量流程無需添加任何化學(xué)試劑，因此設(shè)備測(cè)量完后不產(chǎn)生任何酸堿廢液，并且設(shè)備內(nèi)部的陽離子交換樹脂在電場(chǎng)作用下可始終保持氫型狀態(tài)，無需人工維護(hù)，真正實(shí)現(xiàn)了水樣氫電導(dǎo)率的連續(xù)監(jiān)測(cè)。圖3和圖4是傳統(tǒng)氫電導(dǎo)率表與智能氫電導(dǎo)率表測(cè)量流程對(duì)比圖。

圖3 傳統(tǒng)氫電導(dǎo)率表測(cè)量流程Fig.3 Measurement process of traditional hydrogen conductivity instrument

圖4 智能氫電導(dǎo)率表測(cè)量流程Fig.4 Measuring process of intelligent hydrogen conductivity instrument

1.3 電再生離子交換裝置的智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

常規(guī)氫電導(dǎo)率表的陽離子交換樹脂柱失效速率主要由樣水的含氨量、流速、水質(zhì)狀況等因素綜合決定，樣水的含氨量越高、流速越高、水質(zhì)狀況越差，樹脂柱失效越快。電再生離子交換裝置為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)不同樣水的使用條件，在自動(dòng)再生時(shí)采用了一套智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其原理是當(dāng)樹脂在不同含氨量、流速、水質(zhì)狀況下的水樣浸泡下其電阻會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)電阻變化自動(dòng)調(diào)整電壓變化實(shí)現(xiàn)恒定電流控制，以確保在以上條件改變時(shí)電再生離子交換裝置均可以正常工作。這套智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)尤為重要，一般機(jī)組啟動(dòng)初期，樣水水質(zhì)狀況較差，常規(guī)的陽離子交換樹脂柱很快就會(huì)失效，然后需要人工介入再生更換樹脂，此時(shí)氫電導(dǎo)率表的數(shù)據(jù)有較長(zhǎng)的不穩(wěn)定期進(jìn)而影響機(jī)組啟動(dòng)時(shí)氫電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的判斷；而加裝電再生離子交換裝置的智能氫電導(dǎo)率表根據(jù)水質(zhì)條件智能的自動(dòng)調(diào)節(jié)再生速率，始終保持氫電導(dǎo)率表穩(wěn)定讀數(shù)，無需人工干預(yù)。

2 非線性溫度補(bǔ)償技術(shù)介紹

2.1 氫電導(dǎo)率測(cè)量中溫度補(bǔ)償方式存在的問題

電導(dǎo)率測(cè)量時(shí)通常以25 ℃作為其基準(zhǔn)溫度，當(dāng)溶液溫度偏離基準(zhǔn)溫度時(shí)需將其補(bǔ)償為基準(zhǔn)溫度的電導(dǎo)率值。純水電導(dǎo)率與溫度呈非線性關(guān)系，不同溫度下溶液具有不同的溫度-電導(dǎo)率變化曲線。國外氫電導(dǎo)率表進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)使用非線性溫度補(bǔ)償曲線，通過不同溫度下電導(dǎo)率值、溫度計(jì)算特定溫度補(bǔ)償系數(shù)以獲得準(zhǔn)確的電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果。國內(nèi)大部分氫電導(dǎo)率表對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)均使用線性溫度補(bǔ)償曲線進(jìn)行補(bǔ)償（溫度補(bǔ)償系數(shù)一般取2%），如果樣品溫度偏離25 ℃時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確性較差。

凝汽器系統(tǒng)來水經(jīng)凝汽器檢漏裝置處理后樣水溫度一般仍高于25 ℃，有些樣水溫度可達(dá)40 ℃。凝汽器檢漏裝置上的氫電導(dǎo)率表如采用線性溫度補(bǔ)償方式將會(huì)影響氫電導(dǎo)率測(cè)量的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響凝汽器檢漏裝置對(duì)系統(tǒng)泄漏情況的判斷。因此，在凝汽器檢漏裝置上的氫電導(dǎo)率表必須采用非線性溫度補(bǔ)償方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2.2 智能氫電導(dǎo)率表采用的非線性溫度補(bǔ)償方法

目前，在電導(dǎo)率與溫度關(guān)系公式上，最為常用的線性溫度補(bǔ)償擬合公式為

式（1）中：K（25）為25 ℃時(shí)實(shí)際測(cè)量電導(dǎo)率值，單位為μS/cm；K（t）為t℃時(shí)實(shí)際測(cè)量電導(dǎo)率值，單位為μS/cm；σ為溫度補(bǔ)償系數(shù)；T為溫度，單位為℃。

該線性溫度補(bǔ)償方法在通常測(cè)量中的補(bǔ)償效果是理想的。但對(duì)于純水樣品，這種補(bǔ)償方式在溫度偏離25 ℃時(shí)會(huì)偏離真值。純水體系下非25 ℃電導(dǎo)率測(cè)量的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地?cái)M合σ與K（t）、T之間的非線性關(guān)系。首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的電導(dǎo)率、溫度試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了一套非線性溫度補(bǔ)償算法并寫入智能氫電導(dǎo)率表中，在實(shí)際在線測(cè)量時(shí)采用回歸擬合的方式計(jì)算出不同溫度下的σ值，實(shí)現(xiàn)氫電導(dǎo)率測(cè)量的非線性溫度補(bǔ)償。表1是智能氫電導(dǎo)率表與標(biāo)準(zhǔn)氫電導(dǎo)率表按照標(biāo)準(zhǔn)方法在不同溫度條件下的測(cè)量比較［24］。兩套儀表均采用非線性溫度補(bǔ)償方法，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

從表1數(shù)據(jù)可知，在（18～40）℃范圍智能氫電導(dǎo)率表與標(biāo)準(zhǔn)氫電導(dǎo)率表測(cè)量的電導(dǎo)率值相對(duì)偏差小于2%。智能氫電導(dǎo)率表使用的非線性溫度補(bǔ)償方法適用于凝汽器檢漏裝置。

3 智能氫電導(dǎo)率表在凝汽器檢漏裝置上的應(yīng)用

表1 不同溫度條件下智能電導(dǎo)率表與標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率表的測(cè)量值比較Table 1 Comparison of the measured values of intelligent conductivity instrument and standard conductivity instrument under different temperature conditions

3.1 某1 000 MW機(jī)組凝汽器檢漏裝置簡(jiǎn)介

某1 000 MW 機(jī)組凝汽器檢漏裝置系統(tǒng)示意圖如圖5。圖5 中凝汽器檢漏裝置共設(shè)有A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4 8 個(gè)取樣點(diǎn)，樣品經(jīng)取樣泵取樣后采用氫電導(dǎo)率表分析樣品氫電導(dǎo)率值，8 個(gè)取樣點(diǎn)管路上設(shè)置電動(dòng)門通過PLC控制定時(shí)切換取樣。同時(shí)裝置設(shè)有人工取樣門可以手工取樣分析樣品。將現(xiàn)場(chǎng)凝汽器檢漏裝置上的人工取樣門上加裝三通閥門后分流至智能氫電導(dǎo)率表，監(jiān)測(cè)對(duì)比傳統(tǒng)氫電導(dǎo)率表和智能氫電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。智能氫電導(dǎo)率表和在線氫電導(dǎo)率表均使用VHJ-V 型移動(dòng)式化學(xué)儀表校驗(yàn)裝置校驗(yàn)校準(zhǔn)，以確保儀表在應(yīng)用試驗(yàn)過程中的準(zhǔn)確性。

對(duì)于電廠運(yùn)行人員來說，傳統(tǒng)的在線氫電導(dǎo)率表在日常維護(hù)過程中需更換、再生、裝填樹脂，從而導(dǎo)致不能連續(xù)監(jiān)測(cè)氫電導(dǎo)率。如果再生樹脂過程中再生方法不正確、再生不徹底，在更換樹脂后還會(huì)給在線氫電導(dǎo)率表引入交換柱附加誤差，影響在線氫電導(dǎo)率表的準(zhǔn)確性［25-30］。而智能氫電導(dǎo)率表在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)能保證凝汽器檢漏裝置上的氫電導(dǎo)率采樣值可快速達(dá)到穩(wěn)定值，保障凝汽器檢漏裝置在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)正常工作。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖6是2018年8月14至2018年9月2日期間儀表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。從圖6 可知，實(shí)驗(yàn)期間兩套智能氫電導(dǎo)率表和在線氫電導(dǎo)率表運(yùn)行穩(wěn)定，1號(hào)和2號(hào)在線氫電導(dǎo)率表相對(duì)偏差在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)。2018年9月2日現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組停運(yùn)，至2018 年9 月5 日現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組啟動(dòng)。剛啟動(dòng)后取樣水質(zhì)較差，圖7 是機(jī)組啟動(dòng)后一定時(shí)間內(nèi)儀表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖5 某1 000 MW機(jī)組凝汽器檢漏裝置系統(tǒng)示意圖Fig.5 System schematic diagram of condenser leaking detection device for a 1 000 MW thermal power plant

圖6 穩(wěn)定運(yùn)行階段在線氫電導(dǎo)率表和智能氫電導(dǎo)率表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.6 On-line monitoring data of hydrogen conductivity instrument and intelligent hydrogen conductivity instrument in stable operation stage

圖7 機(jī)組啟動(dòng)在線氫電導(dǎo)率表和智能氫電導(dǎo)率表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.7 On-line hydrogen conductivity instrument and intelligent hydrogen conductivity instrument monitoring data for unit start-up

從圖7 數(shù)據(jù)可知，啟機(jī)后智能氫電導(dǎo)率表僅運(yùn)行20 min后已穩(wěn)定讀數(shù)，在線氫電導(dǎo)率表穩(wěn)定速度慢，整體數(shù)據(jù)滯后于智能氫電導(dǎo)率表，并且讀數(shù)時(shí)儀表穩(wěn)定性較差。

在停機(jī)過程中在線氫電導(dǎo)率表并未更換新的離子交換樹脂，啟機(jī)運(yùn)行3天后2號(hào)氫電導(dǎo)率表相對(duì)偏差超標(biāo)，判斷離子交換樹脂失效，現(xiàn)場(chǎng)檢修人員更換在線氫電導(dǎo)率表離子交換柱中樹脂。更換樹脂前后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖8。

圖8 更換樹脂前后在線氫電導(dǎo)率表和智能氫電導(dǎo)率表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.8 On-line hydrogen conductivity instrument and intelligent hydrogen conductivity instrument monitoring data before and after resin replacement

由圖8 數(shù)據(jù)可知，在線氫電導(dǎo)率表更換樹脂前隨著樹脂失效相對(duì)偏差逐漸升高，換樹脂后又恢復(fù)到正常狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，試驗(yàn)期間智能氫電導(dǎo)率表運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)的在線氫電導(dǎo)率表相比，智能氫電導(dǎo)率表在電廠的應(yīng)用實(shí)踐表明測(cè)量數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定可靠，可迅速反映凝結(jié)水等水汽品質(zhì)的變化。應(yīng)用于凝汽器檢漏裝置可準(zhǔn)確測(cè)量凝結(jié)水的氫電導(dǎo)率，在陽離子交換樹脂正常時(shí)，測(cè)量值與理論值基本吻合。在機(jī)組啟動(dòng)期間，智能氫電導(dǎo)率表比常規(guī)氫電導(dǎo)率表能更快達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值，在陽離子交換樹脂部分失效時(shí)，更能準(zhǔn)確反映凝結(jié)水的氫電率。加裝智能氫電導(dǎo)率表的凝汽器檢漏裝置在特定情況下，能更準(zhǔn)確有效判斷凝汽器泄漏位置，為準(zhǔn)確隔離凝汽器泄漏側(cè)爭(zhēng)取了時(shí)間，并且智能氫電導(dǎo)率表運(yùn)行期間無需更換樹脂，減少了工作量和廢樹脂處理量，可適應(yīng)目前機(jī)組頻繁啟動(dòng)的情況，尤其對(duì)于停機(jī)和啟動(dòng)頻繁的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組非常適用。

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