電再生離子交換技術(shù)在氫電導(dǎo)率在線測(cè)量中的應(yīng)用

顧振洋，李利民，何宇寧，孫繼輝，李承浩，董為虎，戴鑫，楊杰利

(1.國(guó)能(惠州)熱電有限責(zé)任公司，廣東 惠州 516000；2.浙江西熱利華智能傳感技術(shù)有限公司，浙江 海寧 314400；3.西安西熱水務(wù)環(huán)保有限公司，陜西 西安 710018)

0 引言

氫電導(dǎo)率是表征電廠水汽純度及陰離子總量的最關(guān)鍵指標(biāo)，文獻(xiàn)[1]規(guī)定氫電導(dǎo)率是熱力設(shè)備防腐防垢的關(guān)鍵指標(biāo)，該指標(biāo)也是發(fā)電廠水汽控制指標(biāo)中監(jiān)測(cè)數(shù)量最多的，其測(cè)量結(jié)果的連續(xù)性和準(zhǔn)確性對(duì)控制熱力系統(tǒng)腐蝕性雜質(zhì)和防止熱力設(shè)備腐蝕起到重要作用。

一般電廠每臺(tái)機(jī)組都配有6～10臺(tái)氫電導(dǎo)率表，每臺(tái)氫電導(dǎo)率表都裝有一根陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(以下簡(jiǎn)稱“陽(yáng)樹(shù)脂”)柱，陽(yáng)樹(shù)脂柱中的樹(shù)脂失效后需要人工再生后才能再次使用，陽(yáng)樹(shù)脂再生時(shí)使用的鹽酸，對(duì)儀表維護(hù)人員的眼睛和呼吸道粘膜有強(qiáng)烈的刺激作用，廢棄的再生液和樹(shù)脂的排放會(huì)帶來(lái)一系列后續(xù)處理問(wèn)題。另外，再生樹(shù)脂上一般有氯離子殘留，裝回交換柱后需要在線沖洗一段時(shí)間氫電導(dǎo)率表才能穩(wěn)定測(cè)量，不利于連續(xù)監(jiān)測(cè)氫電導(dǎo)率指標(biāo)，給化學(xué)運(yùn)行及監(jiān)督帶來(lái)隱患[2-3]。

1 電再生離子交換技術(shù)介紹

1.1 氫電導(dǎo)率測(cè)量前處理技術(shù)比較

為提高氫電導(dǎo)率的測(cè)量準(zhǔn)確性，對(duì)已有將陽(yáng)離子轉(zhuǎn)化為氫離子的技術(shù)研發(fā)，國(guó)外曾制定了標(biāo)準(zhǔn)ASTM D6504《氫電導(dǎo)率的測(cè)量》，對(duì)氫電導(dǎo)率測(cè)量的陽(yáng)離子交換柱內(nèi)徑和高度、水樣流速、樹(shù)脂選用等測(cè)量條件進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。部分電廠為了最大程度實(shí)現(xiàn)氫電導(dǎo)率連續(xù)測(cè)量，采用雙氫交換柱切換法，該方法系統(tǒng)較復(fù)雜，占用空間大，樹(shù)脂仍需定期更換或再生，再生后的樹(shù)脂需要長(zhǎng)時(shí)間沖洗后才可使用。國(guó)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)，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)[4-5]；研制了樹(shù)脂動(dòng)態(tài)再生裝置，解決靜態(tài)再生法下樹(shù)脂再生不徹底的問(wèn)題[6]；研制了變色型陽(yáng)樹(shù)脂以直觀表征樹(shù)脂是否失效，便于及時(shí)更換樹(shù)脂。但這些研究工作受傳統(tǒng)陽(yáng)樹(shù)脂柱的設(shè)計(jì)所限，并沒(méi)有實(shí)質(zhì)上解決氫電導(dǎo)率測(cè)量過(guò)程中需要再生或更換陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的問(wèn)題，也未真正實(shí)現(xiàn)氫電導(dǎo)率連續(xù)在線測(cè)量。文獻(xiàn)[7]中提出可以利用電再生陽(yáng)離子交換器替代傳統(tǒng)的陽(yáng)樹(shù)脂交換柱用于氫電導(dǎo)率在線測(cè)量。這種新的氫電導(dǎo)率測(cè)量前處理技術(shù)相較于傳統(tǒng)技術(shù)有著明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，表1是氫電導(dǎo)率在線測(cè)量中各種前處理技術(shù)的性能比較。

表1 氫電導(dǎo)率在線測(cè)量各種前處理技術(shù)的比較

1.2 電再生離子交換技術(shù)原理

電再生離子交換技術(shù)是一種將離子交換技術(shù)、膜交換技術(shù)、離子電遷移技術(shù)結(jié)合起來(lái)的陽(yáng)離子處理技術(shù)，通過(guò)對(duì)少量的特種離子交換樹(shù)脂進(jìn)行持續(xù)再生，以替換傳統(tǒng)的離子交換樹(shù)脂柱。如圖1所示，當(dāng)待檢測(cè)水樣流入電再生離子交換器后，陽(yáng)離子在陽(yáng)樹(shù)脂交換作用下交換成為氫離子，陽(yáng)離子交換膜僅允許陽(yáng)離子透過(guò)，電解產(chǎn)生的氫離子在電場(chǎng)作用下對(duì)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行再生，陽(yáng)離子交換樹(shù)脂再生中產(chǎn)生的雜質(zhì)離子隨電解后的水樣排出[8]；處理后的水樣進(jìn)入電導(dǎo)池測(cè)量電導(dǎo)率，測(cè)量后的水樣可以再次循環(huán)通入電再生離子交換器并進(jìn)行電解。陽(yáng)極和陰極極板采用24 V直流供電，并帶有自動(dòng)恒定電流功能，能為電解反應(yīng)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器體積小，安裝簡(jiǎn)單。

圖1 電再生離子交換技術(shù)原理

1.3 氫電導(dǎo)率測(cè)量流路

電再生離子交換器相較于傳統(tǒng)陽(yáng)樹(shù)脂柱多了一路再生流路，如圖2所示。水樣通過(guò)電再生離子交換器處理后進(jìn)入電導(dǎo)率電極，電導(dǎo)率電極測(cè)量氫電導(dǎo)率并將信號(hào)傳送給電導(dǎo)率變送器。測(cè)量后的水樣再回收用于電再生離子交換器再生，再生后的廢液集中排放。整個(gè)測(cè)量流程無(wú)需添加任何化學(xué)試劑，因此不產(chǎn)生任何酸堿廢液，并且設(shè)備內(nèi)部的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂在電場(chǎng)作用下可始終保持氫型狀態(tài)，無(wú)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2 采用電再生離子交換器的氫電導(dǎo)率 測(cè)量流路

2 電再生離子交換器實(shí)驗(yàn)室性能試驗(yàn)

2.1 電再生離子交換器實(shí)驗(yàn)室性能試驗(yàn)設(shè)備及材料

1)電導(dǎo)率儀表:配0.01級(jí)電極；

2)離子色譜儀:DIONEX-ICS-2000型；

3)超純水儀:制備電導(dǎo)率小于0.06 μS/cm的試驗(yàn)用純水；

4)氨標(biāo)準(zhǔn)溶液:濃度100 mg/L母液；

5)氯化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液:濃度1 mg/L母液。

2.2 電再生離子交換器處理陽(yáng)離子能力測(cè)試

為了檢驗(yàn)電再生離子交換器的陽(yáng)離子處理性能，在實(shí)驗(yàn)室配制含氨的除鹽水模擬電廠水汽系統(tǒng)水樣，將水樣同時(shí)通過(guò)電再生離子交換器和陽(yáng)樹(shù)脂柱，控制流量在150～200 mL/min。通過(guò)離子色譜分析比較儀表的陽(yáng)離子處理能力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 電再生離子交換器處理陽(yáng)離子能力實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

從表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，水樣中僅含有約2 mg/L的銨根離子，無(wú)其他陽(yáng)離子，此時(shí)電再生離子交換器和樹(shù)脂柱出水中檢測(cè)的銨根離子分別為0.65 μg/L和0.86 μg/L，去除率分別為99.97%和99.96%。一般電廠水汽系統(tǒng)pH控制在9.6以內(nèi)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的加氨量約2 mg/L。從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，電再生離子交換器能夠較好地處理水樣中的銨根離子，并且出水中也未檢測(cè)出其他陽(yáng)離子，無(wú)溶出釋放其他陽(yáng)離子的現(xiàn)象。

2.3 氫電導(dǎo)率表的整機(jī)工作性能測(cè)試

將電再生離子交換器安裝在一套已校準(zhǔn)過(guò)的氫電導(dǎo)率表上組成1號(hào)氫電導(dǎo)率表，進(jìn)一步檢驗(yàn)氫電導(dǎo)率表的整機(jī)工作性能。另有一套已校準(zhǔn)過(guò)的2號(hào)氫電導(dǎo)率表作為標(biāo)準(zhǔn)表用于對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)的流程如圖3所示。用基準(zhǔn)氯化鈉配制0～200 μg/L的氯離子標(biāo)準(zhǔn)溶液(氯化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液在線加入純水系統(tǒng)配制)，控制進(jìn)水流量為150～200 mL/min，水溫為23～27℃。待兩套儀表運(yùn)行穩(wěn)定后分別記錄兩套儀表的氫電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，檢測(cè)兩套儀表的準(zhǔn)確度。

圖3 氫電導(dǎo)率表整機(jī)工作性能測(cè)試

用水管連接取樣口，控制水樣流量在儀表要求范圍內(nèi)，用標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率表和待測(cè)電導(dǎo)率表同時(shí)測(cè)量同一水樣氫電導(dǎo)率，計(jì)算得到被檢儀表示值誤差、相對(duì)誤差及整機(jī)工作誤差。

示值誤差計(jì)算式為:

相對(duì)誤差計(jì)算式為:

整機(jī)工作誤差計(jì)算式為:

式中，Δk為被檢表示值誤差，μS/cm；δX為被檢表相對(duì)誤差，%；δJ為整機(jī)工作誤差，%；kJ為被檢電導(dǎo)率表示值，μS/cm；kZ為標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率表示值，μS/cm；M為量程范圍內(nèi)的最大值，μS/cm。M取值:被檢表計(jì)是氫電導(dǎo)率表時(shí)，M取1.0；氫電導(dǎo)率表示值大于1時(shí)，M取10.0[9]。

通過(guò)以上試驗(yàn)方法測(cè)試兩套氫電導(dǎo)率表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 氫電導(dǎo)率表整機(jī)工作性能測(cè)試數(shù)據(jù)

由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在0.059～2.070 μS/cm電導(dǎo)率測(cè)量范圍內(nèi)，采用電再生離子交換器作為前處理的1號(hào)氫電導(dǎo)率表的示值誤差均在0.002 μS/cm以內(nèi)，相對(duì)誤差小于2%，整機(jī)工作誤差不大于0.2%。整機(jī)工作性能試驗(yàn)表明，使用電再生離子交換器的氫電導(dǎo)率表具有較好的整機(jī)工作性能。

3 電再生離子交換技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)改造應(yīng)用

3.1 氫電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)改造應(yīng)用

傳統(tǒng)的在線氫電導(dǎo)率表在日常維護(hù)過(guò)程中需定期更換、再生、裝填樹(shù)脂，在這些工作過(guò)程中氫電導(dǎo)率測(cè)量數(shù)據(jù)是間斷的。如果采用靜態(tài)再生方法，即在桶內(nèi)利用鹽酸浸泡樹(shù)脂再攪動(dòng)樹(shù)脂再生，那么在更換樹(shù)脂后會(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[10-15]。

某300 MW機(jī)組汽水取樣間在線氫電導(dǎo)率表一直采用傳統(tǒng)的陽(yáng)樹(shù)脂柱進(jìn)行前處理，陽(yáng)樹(shù)脂采用靜態(tài)再生法再生，效果較差，樹(shù)脂失效較快。另外，每次更換再生樹(shù)脂均需要拆卸樹(shù)脂柱，樹(shù)脂柱和不銹鋼水管接口處已經(jīng)嚴(yán)重磨損，每次換完樹(shù)脂后樹(shù)脂柱接口處經(jīng)常微滲，影響氫電導(dǎo)率表的測(cè)量，且現(xiàn)場(chǎng)傳統(tǒng)的陽(yáng)樹(shù)脂柱運(yùn)行方式消耗大量人工。因此，按照最新的氫電導(dǎo)率測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)更換電再生離子交換器，以解決現(xiàn)場(chǎng)氫電導(dǎo)率在線測(cè)量維護(hù)工作量大的問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)改造方案如圖4所示。

圖4 某300 MW機(jī)組氫電導(dǎo)率在線測(cè)量改造方案

圖4中每一個(gè)氫電導(dǎo)率測(cè)點(diǎn)裝設(shè)一臺(tái)電再生離子交換器，原陽(yáng)離子交換柱保留部分管道備用。水樣先通過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾后經(jīng)流量計(jì)調(diào)節(jié)流量，利用三通閥將水樣分為兩路流入電再生離子交換器，一路水樣經(jīng)處理后流入電導(dǎo)率電極完成氫電導(dǎo)率測(cè)量；另外一路水樣用于電再生離子交換器的再生，整體進(jìn)樣流量控制在150～200 mL/min范圍內(nèi)。所有電再生離子交換器的控制電源引入配電柜，每臺(tái)電再生離子交換器可以實(shí)時(shí)顯示再生度等參數(shù)，運(yùn)行維護(hù)人員定期檢查設(shè)備的工作狀態(tài)即可。

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

圖5是改造前20天省煤器入口和主蒸汽的氫電導(dǎo)率儀表在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，此時(shí)氫電導(dǎo)率使用的是傳統(tǒng)的陽(yáng)樹(shù)脂柱前處理方式。

圖5 改造前氫電導(dǎo)率在線數(shù)據(jù)

從圖5數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場(chǎng)省煤器入口和主蒸汽的氫電導(dǎo)率儀表整體數(shù)據(jù)較平穩(wěn)，其中省煤器入口測(cè)點(diǎn)在第3日和第8日進(jìn)行了樹(shù)脂更換，主蒸汽測(cè)點(diǎn)在第17日進(jìn)行了樹(shù)脂更換。樹(shù)脂更換期間會(huì)關(guān)閉流量計(jì)，此時(shí)氫電導(dǎo)率表沒(méi)有水樣傳輸給上位機(jī)的信號(hào)，因此為最小值，從歷史趨勢(shì)圖上看，這幾天的氫電導(dǎo)率表數(shù)值為測(cè)量中斷點(diǎn)。

圖6是改造后的20天省煤器入口和主蒸汽的氫電導(dǎo)率儀表在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，此時(shí)氫電導(dǎo)率表已改造為電再生離子交換器的前處理方式。

圖6 改造后氫電導(dǎo)率在線數(shù)據(jù)

從圖6數(shù)據(jù)可知，此時(shí)間段內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)省煤器入口和主蒸汽的氫電導(dǎo)率儀表整體數(shù)據(jù)較平穩(wěn)，和圖5的數(shù)據(jù)比較，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的電再生離子交換器一直保持工作狀態(tài)，無(wú)需更換樹(shù)脂，所以沒(méi)有儀表測(cè)量中斷的情況發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

目前部分機(jī)組的氫電導(dǎo)率表使用年限較長(zhǎng)，盡管電導(dǎo)率電極的壽命很長(zhǎng)，但氫電導(dǎo)率表的前處理裝置陽(yáng)樹(shù)脂柱需要定期拆卸更換樹(shù)脂，長(zhǎng)期拆卸樹(shù)脂柱導(dǎo)致的接口處漏氣和漏水都會(huì)影響日常的化學(xué)監(jiān)督工作。在電廠的應(yīng)用實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)的氫電導(dǎo)率在線測(cè)量前處理方法相比，電再生離子交換器測(cè)量數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定可靠，設(shè)備運(yùn)行期間無(wú)需更換或再生樹(shù)脂，減少了運(yùn)維人員的工作量和廢樹(shù)脂處理量，并且該技術(shù)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。