三代工業(yè)在線專用離子色譜分析測量裝置應(yīng)用及改進(jìn)

孫利強(qiáng)，趙麟徵

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.東北大學(xué)秦皇島分?？刂乒こ虒W(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

二代工業(yè)在線專用離子色譜分析測量裝置（以下簡稱二代色譜測量裝置）已研制完成并應(yīng)用于現(xiàn)場，對火電廠機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行起到了積極的作用；但在使用過程中，發(fā)現(xiàn)存在產(chǎn)品體積大、質(zhì)量大，現(xiàn)場安裝不方便，測量過程中需要水樣量大，溫度控制不精確及樹脂再生繁瑣等問題[1-2]。針對以上問題，對產(chǎn)品進(jìn)行升級改造，研發(fā)出三代工業(yè)在線專用離子色譜分析測量裝置（以下簡稱三代色譜測量裝置）。

1 二代色譜測量裝置存在的主要問題

1.1 水樣消耗量大

二代色譜測量裝置采用的是水樣連續(xù)進(jìn)入傳感器進(jìn)行檢測的方式，因此裝置在測量過程中水樣消耗量大。部分電廠水汽取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，測量用水樣量不足，出現(xiàn)裝置與現(xiàn)場其他表計(jì)爭搶水樣的問題，有的電廠甚至發(fā)生斷樣的情況，影響裝置正常使用。而水樣量充足的電廠也存在因水樣處理量大而造成離子分離器頻繁失效，需要再生的問題，增加了現(xiàn)場的維護(hù)量；同時水樣量消耗量大，也造成了裝置冷卻系統(tǒng)龐大。

1.2 測量穩(wěn)定性差

實(shí)驗(yàn)室離子色譜儀使用強(qiáng)電解質(zhì)作為淋洗液，由于在線色譜儀需要連續(xù)運(yùn)行，淋洗液消耗量大，需要不斷補(bǔ)充，并且強(qiáng)電解質(zhì)溶液中含有大量離子會縮短抑制柱的壽命。因此二代色譜測量裝置取消了淋洗液，使用高精度電導(dǎo)傳感器直接對經(jīng)過抑制器處理的水樣進(jìn)行測量并計(jì)算離子質(zhì)量濃度。這種方法造成裝置測量的穩(wěn)定性差，影響了二代色譜測量裝置的測量精度。

1.3 測量指標(biāo)不全

二代色譜測量裝置只能測量水樣中離子的總質(zhì)量濃度和陰離子總質(zhì)量濃度，不能測量單個離子的質(zhì)量濃度，而GB/T 12145—2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》對鍋爐水汽中Cl-的質(zhì)量濃度有單獨(dú)的要求[3]，因此二代色譜測量裝置不能完全滿足現(xiàn)場需求。

2 三代色譜測量裝置的結(jié)構(gòu)和工作過程

2.1 結(jié)構(gòu)組成

三代色譜測量裝置可分為4個部分，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，第1部分為在線超純水系統(tǒng)，可以連續(xù)不斷地提供分析所用的超純水；第2部分為全自動在線取樣系統(tǒng)，可以對各流路的水樣進(jìn)行連續(xù)取樣；第3部分為在線連續(xù)陰陽離子分析系統(tǒng)；第4部分為控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖1 三代色譜測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 在線超純水系統(tǒng)

在線超純水系統(tǒng)的主要功能為連續(xù)不斷地制備儀器所需的超純水，并確保所制得的超純水能夠滿足儀器分析要求。該系統(tǒng)的取水來自電廠本身的除鹽水，自帶一定的壓力。系統(tǒng)主要包括儲罐、增壓泵、電導(dǎo)及溫度傳感器和串聯(lián)的陰陽離子交換樹脂柱，在儲罐上還配備了水位報(bào)警系統(tǒng)，以保證儲罐內(nèi)有充足的超純水，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，整個在線超純水系統(tǒng)由一個電路板控制。

圖2 在線超純水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 全自動在線取樣系統(tǒng)

全自動在線取樣系統(tǒng)是三代色譜測量裝置的自動進(jìn)樣器，能夠?qū)崿F(xiàn)電廠水樣的實(shí)時采集。取樣系統(tǒng)包含進(jìn)樣系統(tǒng)（3個流路）和自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。進(jìn)樣系統(tǒng)分別采集不同的水樣，每1路都包括溢流系統(tǒng)和電磁閥系統(tǒng)；自動校準(zhǔn)系統(tǒng)定時抽取標(biāo)液罐中的標(biāo)液進(jìn)行檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)。

圖3 全自動在線取樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2.1 溢流系統(tǒng)

為保證實(shí)時取樣，取樣管始終保持開通狀態(tài)，系統(tǒng)通過電磁閥周期性抽取一定量水樣檢測。取樣管的內(nèi)部加裝篩板，可以過濾大顆粒雜質(zhì)，防止堵塞儀器系統(tǒng)；在溢流管上加裝電導(dǎo)溫敏元件，實(shí)時監(jiān)測電廠水樣的電導(dǎo)率和溫度。

2.1.2.2 電磁閥系統(tǒng)

電磁閥系統(tǒng)用于控制采集哪一路的水樣，由五通閥、緩沖管和三通閥構(gòu)成。五通閥中一閥流出樣品，一閥進(jìn)純水，另外三閥連接不同的樣品；緩沖管用來緩沖樣品；三通閥將樣品引入注射進(jìn)樣泵。

2.1.3 在線陰陽離子分析系統(tǒng)

在線陰陽離子分析系統(tǒng)由抑制柱和檢測器組成，抑制柱分為陰抑制柱（用于陰離子分析的樹脂填充抑制柱）和陽抑制柱（用于陽離子分析的樹脂填充抑制柱）。陰抑制柱采用常規(guī)磺酸型陽離子交換樹脂，在分析陰陽離子的混合樣品時，陰抑制柱抑制樣品中的陽離子（吸附），陰離子便到達(dá)電導(dǎo)檢測器進(jìn)行檢測。陽抑制柱采用常規(guī)季銨型陰離子交換樹脂，在分析陰陽離子的混合樣品時，陽抑制柱會抑制樣品中的陰離子（吸附），陽離子便到達(dá)電導(dǎo)檢測器進(jìn)行檢測。該系統(tǒng)采用雙電導(dǎo)檢測器、陰陽雙柱并聯(lián)的方式，實(shí)時分析檢測樣品中陰陽離子質(zhì)量濃度。以NaCl為例見式（（1）和式（2）），R為離子交換樹脂，陰抑制柱為陽離子交換樹脂，將Na+抑制（吸附），檢測Cl-；陽抑制柱為陰離子交換樹脂，將Cl-抑制（吸附），檢測Na+。

2.1.4 控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示各個模塊的狀態(tài)并記錄樣品數(shù)據(jù)，對各樣品中的離子質(zhì)量濃度進(jìn)行分析與計(jì)算。

2.2 工作過程

三代色譜測量裝置采取陰陽離子分別檢測的方式，陰離子檢測系統(tǒng)的工作過程為：多路檢測水樣和標(biāo)準(zhǔn)樣分別接入全自動在線取樣系統(tǒng)，在取樣杯中溢流，自動進(jìn)樣器定時循環(huán)抽取一定量樣品，將樣品混入超純水中帶入測量系統(tǒng)，經(jīng)過陰離子抑制柱（水樣中的陽離子被去除），進(jìn)入電導(dǎo)池中進(jìn)行電導(dǎo)檢測，從而得到只有陰離子的電導(dǎo)數(shù)據(jù)。這些電導(dǎo)數(shù)據(jù)形成一個測量峰，控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對測量峰進(jìn)行積分，從而計(jì)算出水樣中各個陰離子的質(zhì)量濃度。陽離子檢測系統(tǒng)的工作過程與陰離子檢測過程相同。

3 三代色譜測量裝置的技術(shù)特點(diǎn)

3.1 單個離子質(zhì)量濃度的檢測

二代色譜測量裝置為了保證其運(yùn)行的連續(xù)性、實(shí)時性、可靠性，對原有的實(shí)驗(yàn)室離子色譜儀進(jìn)行簡化，只保留抑制柱，取消色譜柱，導(dǎo)致二代色譜測量裝置只能測量水樣中離子的總質(zhì)量濃度和陰離子總質(zhì)量濃度，不能測量單個離子的質(zhì)量濃度。

為了解決這個問題，使用實(shí)驗(yàn)室色譜儀對京隆電廠水樣中的離子成分進(jìn)行長時間監(jiān)測，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)同一流路的水樣中離子的種類及各種離子的質(zhì)量濃度比值基本不變，利用該比值確定不同離子在色譜柱中的校正系數(shù)[4-6]。當(dāng)樣品進(jìn)入三代色譜測量裝置進(jìn)行檢測時，測定的離子質(zhì)量濃度為總陰離子質(zhì)量濃度（或總陽離子質(zhì)量濃度），儀器記錄單個色譜峰，此時利用該流路中單個陰離子的校正系數(shù)將色譜峰拆分，得到單個離子的峰面積，反算出該流路中單個離子的質(zhì)量濃度[7-8]。

3.2 使用超純水作為淋洗液

三代色譜測量裝置使用超純水作為淋洗液，因超純水中離子質(zhì)量濃度基本為零，對抑制柱的壽命不產(chǎn)生影響，可以保證裝置長期免維護(hù)運(yùn)行，所以可以使用實(shí)驗(yàn)室色譜儀專用的檢測器代替二代色譜使用的電導(dǎo)傳感器，從而提高了測量的穩(wěn)定性[9]。

3.3 全自動在線取樣系統(tǒng)

三代色譜測量裝置可以實(shí)現(xiàn)多路水樣的實(shí)時檢測，也可以定時使用標(biāo)液對裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。取樣系統(tǒng)將樣品直接、連續(xù)流過抑制柱的方式改為使用計(jì)量泵定時自動取樣的方式，樣品的需要量變?yōu)樵瓉淼?/5，并由水浴控溫改為電子控溫，質(zhì)量減小了2/3；采用實(shí)驗(yàn)室色譜儀專用的抑制柱代替離子分離器，體積縮小了1/2。

4 應(yīng)用情況

2019年11月三代色譜測量裝置在內(nèi)蒙古京隆發(fā)電公司1號和2號機(jī)爐水上投入運(yùn)行，為了驗(yàn)證三代色譜測量裝置的準(zhǔn)確性，同時抽取水樣，使用實(shí)驗(yàn)室色譜儀進(jìn)行了比對試驗(yàn)，測量數(shù)據(jù)見表1。由表1可以看出，三代色譜測量裝置與實(shí)驗(yàn)室色譜儀的測量數(shù)據(jù)基本吻合，說明三代色譜測量裝置測量準(zhǔn)確性高，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 三代色譜測量裝置與實(shí)驗(yàn)室色譜儀檢測離子質(zhì)量濃度對比 μg/L

5 結(jié)束語

三代色譜測量裝置可以檢測單種陰離子的質(zhì)量濃度和不加氨系統(tǒng)的單種陽離子的質(zhì)量濃度，其精度符合GB/T 12145—2016的要求，可以實(shí)時反映鍋爐水汽系統(tǒng)中陰陽離子質(zhì)量濃度的變化，從而對機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供準(zhǔn)確、及時的服務(wù)。