電廠化學(xué)分析綜合試驗(yàn)裝置研究

林琳 張婷

摘 要：本文首先介紹虛擬儀器技術(shù)及其在試驗(yàn)仿真方面的發(fā)展概況，然后論述了pH計(jì)的測(cè)定原理、pNa的測(cè)定原理、硅和磷離子的測(cè)定原理、濁度的測(cè)定原理和電導(dǎo)率的測(cè)定原理。其間根據(jù)各測(cè)量要求選擇相應(yīng)的傳感器，對(duì)由傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過(guò)LabVIEW對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本研究包含了基于虛擬儀器平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法。本文設(shè)計(jì)的電廠化學(xué)水質(zhì)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便操作，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境沒(méi)有特殊要求。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;電廠化學(xué)試驗(yàn);綜合分析裝置

中圖分類號(hào)：TQ534;TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）32-0124-03

Abstract： This paper first introduced the virtual instrument technology and its development in experimental simulation， and then discussed the measurement principle of pH meter， the measurement principle of pNa， the measurement principle of silicon and phosphorus ions， the measurement principle of turbidity and the measurement principle of conductivity. In the meantime， the corresponding sensor was selected according to the measurement requirements， the signal output by the sensor was converted， and the measured data was processed through LabVIEW. This research included implementation methods based on virtual instrument platform. The power plant chemical water quality parameter measurement system designed in this paper was simple in structure， easy to operate， and had no special requirements for the test environment.

Keywords： virtual instrument;power plant chemical test;comprehensive analysis device

20世紀(jì)60年代以來(lái)，電廠化學(xué)分析手段不斷發(fā)生變化，新的分析技術(shù)和新型分析儀器被引入現(xiàn)代化電廠生產(chǎn)的化學(xué)監(jiān)督工作中，使之發(fā)生耳目一新的變化。電廠化學(xué)儀表主要應(yīng)用在水處理系統(tǒng)，而現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集的準(zhǔn)確性是水處理過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)，因此本文研究了電廠化學(xué)分析綜合試驗(yàn)裝置，特別是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

當(dāng)前，大型機(jī)組的水汽循環(huán)系統(tǒng)都設(shè)有化學(xué)監(jiān)控的采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)要檢測(cè)的化學(xué)參數(shù)不一樣，因此不同采樣點(diǎn)需要設(shè)置不同的采樣儀表。比如，在高壓加熱器疏水出口，為監(jiān)測(cè)加熱器是否被腐蝕，要測(cè)定化學(xué)水樣的濁度;在發(fā)電機(jī)冷卻水入口，為監(jiān)測(cè)水質(zhì)污染，要測(cè)定化學(xué)水樣的電導(dǎo)率。在循環(huán)冷卻水入口，為監(jiān)控硫酸或鹽酸的添加量，需要測(cè)定水樣的pH等。

目前，電廠的化學(xué)分析儀器系統(tǒng)分散，操作復(fù)雜，客觀條件要求高，不利于提高工作效率。最常見(jiàn)的分立式化學(xué)分析儀器有電導(dǎo)儀、pH計(jì)、濁度儀、pNa計(jì)、溫度計(jì)和壓力計(jì)等。在水蒸氣循環(huán)系統(tǒng)中，化學(xué)監(jiān)測(cè)儀表負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)水蒸氣質(zhì)量、化學(xué)添加劑用量、污染源、設(shè)備運(yùn)行狀況和腐蝕速率等，并對(duì)給水、凝結(jié)水、爐水、蒸汽進(jìn)行監(jiān)測(cè)。冷卻水的水質(zhì)必須保持良好，防止結(jié)垢和鹽的形成，減緩系統(tǒng)中金屬部件的腐蝕，使得系統(tǒng)安全運(yùn)行，延長(zhǎng)熱力設(shè)備的檢修周期和使用壽命。

2 分析方向

針對(duì)電廠化學(xué)分析儀器系統(tǒng)分散、操作復(fù)雜的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了電廠化學(xué)分析綜合試驗(yàn)裝置，其可完成pH、pNa、濁度、電導(dǎo)率以及硅和磷離子含量等多個(gè)水質(zhì)參數(shù)的綜合測(cè)量。其間需要解決的主要問(wèn)題如下：電廠化學(xué)分析綜合試驗(yàn)裝置的總體設(shè)計(jì);pH、pNa、濁度、電導(dǎo)率等參數(shù)測(cè)量裝置的傳感器選擇及轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì);pH、pNa、濁度、電導(dǎo)率等參數(shù)測(cè)量程序的編制。其中，程序設(shè)計(jì)部分采用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是由美國(guó)NI公司的LabVIEW軟件，采用圖形化的編程方式完成測(cè)量程序的編制[1]。

3 虛擬儀器——LabVIEW語(yǔ)言

目前有兩類虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具。一是文本編輯語(yǔ)言，如Visual C++，Visual Basic，LabWindows/CVI。二是圖形編輯語(yǔ)言，如LabVIEW、HPVEE。本文采用LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。LabVIEW程序也被稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱VI。LabVIEW采用基于流程圖的圖形化編程方式，因此也被稱為G語(yǔ)言。LabVIEW語(yǔ)言的基本特點(diǎn)如下。

3.1 圖形儀器編程環(huán)境

LabVIEW使用“所見(jiàn)即所得”的G語(yǔ)言可視化技術(shù)，允許用戶針對(duì)測(cè)量、監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔煌I(lǐng)域和行業(yè)構(gòu)建具有個(gè)性特點(diǎn)的人機(jī)界面。

3.2 豐富的函數(shù)庫(kù)

LabVIEW提供了大量的函數(shù)供用戶使用，如底層數(shù)據(jù)采集模塊的控制/驅(qū)動(dòng)子程序，設(shè)備驅(qū)動(dòng)子程序，用于數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和處理的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)以及用于網(wǎng)絡(luò)通信和信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)庫(kù)。

3.3 靈活的程序調(diào)試方法

用戶可以通過(guò)設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行等方法調(diào)試源代碼程序。

3.4 開(kāi)放式開(kāi)發(fā)平臺(tái)

LabVIEW具有強(qiáng)大的外部接口能力，可以實(shí)現(xiàn)與外部應(yīng)用軟件、C語(yǔ)言、Windows API、MATLAB和HiQ等編程語(yǔ)言的通信。LabVIEW提供的外部接口包括DDE、CIN、DLL、MATLAB腳本和HiQ腳本等。

3.5 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能

LabVIEW支持TCP/IP協(xié)議、UDP協(xié)議等，此外，LabVIEW還開(kāi)發(fā)了DataSocket技術(shù)，大大簡(jiǎn)化甚至消除了網(wǎng)絡(luò)通信編程。利用該技術(shù)，用戶可以方便地在Internet上實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。此外，LabVIEW還具有遠(yuǎn)程面板訪問(wèn)技術(shù)，用戶可以直接控制互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程服務(wù)器上的VI面板。

4 電廠水質(zhì)分析參數(shù)測(cè)量原理

4.1 pH的測(cè)量原理

pH電極測(cè)量實(shí)際上是測(cè)量一個(gè)自發(fā)電池的平衡電動(dòng)勢(shì)[E][2-3]。將鋅片插入ZnSO4溶液中，將銅片插入CuSO4溶液中，用biskue將兩種溶液分開(kāi)，使兩種溶液不混溶，但離子可以遷移。用兩根導(dǎo)線分別連接銅片和鋅片，另一端連接到電流表的兩個(gè)端子上，如圖1所示。從電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)方向可以看出，電流從銅電極流向鋅電極。同時(shí)，鋅片繼續(xù)向溶液中溶解并轉(zhuǎn)變?yōu)閆n2+，溶液中的Cu2+繼續(xù)變成銅并沉淀在銅電極上。有關(guān)化學(xué)反應(yīng)如下：

這種裝置把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。具有此功能的設(shè)備被稱為原電池。該裝置是一種原電池，被稱為銅鋅電池或丹尼爾電池。原電池由兩個(gè)電極和連接兩個(gè)電極的電解質(zhì)溶液組成。當(dāng)外部電路未連接時(shí)，兩個(gè)電極之間的電位差等于原電池的電動(dòng)勢(shì)。正是因?yàn)檫@種電動(dòng)勢(shì)的存在，當(dāng)外部電路連接時(shí)，電流在內(nèi)部和外部電路中流動(dòng)。

一個(gè)原電池是由兩個(gè)半電池組成的。由于兩電極的電極電位不同，原電池就有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。例如，在銅鋅電池中，鋅和鋅鹽溶液組成一個(gè)半電池，銅和銅鹽溶液組成另一個(gè)半電池，由于銅極電位高于鋅極電位，就形成電動(dòng)勢(shì)，且銅電極為正極，鋅電極為負(fù)極。原電池可以用符號(hào)來(lái)表示，習(xí)慣上負(fù)極寫在左邊，正極寫在右邊，即Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu。其中，符號(hào)“|”表示固相和液相之間的接界，“‖”表示溶液之間用鹽橋隔開(kāi)。

如果將某金屬放入該金屬的鹽溶液中，在金屬離子的濃度為1 mol/L且溫度為250 ℃的條件下，由金屬電極和標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成的原電池的電動(dòng)勢(shì)被稱為金屬電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電位。顯然，它只與金屬類型有關(guān)，而常見(jiàn)的金屬電極電位可以在相關(guān)資料中找到[4-5]。人們可以用能斯特方程描述了標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電極電位與溶液中離子活度和溫度的關(guān)系，若電極反應(yīng)為式（3），則電極電位由能斯特方程表示，如式（4）所示。

4.2 pNa測(cè)量原理

當(dāng)鈉離子選擇性電極（pNa電極）與甘汞參比電極同時(shí)浸入水溶液后，即組成測(cè)量電池。其中，pNa電極的電極電位隨溶液中的鈉離子濃度的變化而變化，用一臺(tái)高輸入阻抗的毫伏計(jì)測(cè)量可獲得同水溶液中的鈉離子濃度相對(duì)應(yīng)的電極電位，以pNa值表示：

5 結(jié)論

本文首先論述了虛擬儀器技術(shù)及其在試驗(yàn)仿真方面的發(fā)展概況，特別是基于虛擬儀器平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法，然后分析了pH計(jì)、pNa、硅和磷離子、濁度和電導(dǎo)率的測(cè)定原理。其間根據(jù)各測(cè)量要求選擇相應(yīng)的傳感器，對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過(guò)LabVIEW對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。研究表明，本文設(shè)計(jì)的電廠化學(xué)水質(zhì)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)勢(shì)，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境沒(méi)有特殊要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅光坤，楊昊，黃惟公.基于LabVIEW與單片機(jī)串口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002：20-21.

[2]宋學(xué)平，王杰，趙武.火力發(fā)電廠化水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制[J].火力發(fā)電廠水處理，2002（1）：5-6.

[3]吳永生，方可人.熱工測(cè)量及儀表[M].北京：中國(guó)電力出版社，1981：46-48.

[4]程萬(wàn)里.化工儀表及自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)講義[Z].2009.

[5]承慰才，王中甲，孫墨杰，等.電廠化學(xué)儀表[M].北京：中國(guó)電力出版社，1998：75-78.