發(fā)電廠水汽取樣裝置運(yùn)行現(xiàn)狀及改進(jìn)方向研究

楊裕民 崔 銳 哈燕萍 汪思華 胡振華

（1. 西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2. 華能蘭州西固熱電有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

在線化學(xué)儀表是發(fā)電廠水汽化學(xué)監(jiān)督與控制的關(guān)鍵手段[1,2]，隨著我國大容量、高參數(shù)機(jī)組的不斷發(fā)展[3]，對水汽控制指標(biāo)的要求也不斷提高[4]。確保在線化學(xué)儀表的準(zhǔn)確測量對于發(fā)電廠安全運(yùn)行至關(guān)重要。然而，當(dāng)前我國在線化學(xué)儀表普遍存在“兩高”現(xiàn)象，即水汽監(jiān)測的合格率很高，但是水汽系統(tǒng)熱力設(shè)備的腐蝕結(jié)構(gòu)速率也很高[5,6]。劉詳亮等[7]對我國9省11個電廠的695臺在線化學(xué)儀表進(jìn)行檢驗(yàn)分析，結(jié)果表明：我國電廠在線化學(xué)儀表的測量準(zhǔn)確率普遍不高。趙素紅[8]對在線儀表“兩高”現(xiàn)象出現(xiàn)的原因進(jìn)行了分析，除開儀表選型不合理、儀表維護(hù)工作不到位外，水汽取樣裝置的設(shè)計(jì)不合理也是重要因素之一。

水汽取樣裝置由高溫取樣架、恒溫裝置和低溫取樣架三部分組成，通過水汽取樣裝置，對進(jìn)入在線化學(xué)儀表的水樣溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，對取樣系統(tǒng)中的雜質(zhì)進(jìn)行排污，確保進(jìn)入儀表的水樣滿足測量要求[9]。如果水汽取樣裝置運(yùn)行出現(xiàn)故障，將會對儀表準(zhǔn)確測量產(chǎn)生巨大影響[10,11]。

1 水汽取樣裝置運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 高溫取樣架運(yùn)行現(xiàn)狀

高溫取樣架是水汽取樣裝置的首道關(guān)口，主要承擔(dān)著對來自水汽系統(tǒng)取樣點(diǎn)的高溫高壓水汽樣品的降溫降壓及排污功能。高溫取樣架通常由高溫高壓截止閥、排污閥、冷卻器、調(diào)壓閥等閥門及相關(guān)部件組成。高溫取樣架在運(yùn)行過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)如下故障：

（1）高溫取樣架高溫截止閥及排污閥內(nèi)漏

閥門作為輸送流體的控制部件,具有截止、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防逆流、穩(wěn)壓、分流等功能。對于高溫取樣架而言，高溫截止閥在運(yùn)行過程中處于完全開啟或關(guān)閉狀態(tài)。不同機(jī)組對應(yīng)的水汽參數(shù)各有差異。當(dāng)前我國以高效低碳的超（超）臨界機(jī)組為主，其蒸汽溫度在22MPa以上，溫度可達(dá)570℃，給水溫度也在280℃以上。從系統(tǒng)直接取樣的水汽溫度、壓力等參數(shù)很高，會對高溫截止閥產(chǎn)生巨大沖擊，同時熱應(yīng)力也會加速閥門失效，最終導(dǎo)致閥門由于密封面損壞[12]、空化[13]、填料磨損[14]、溫度壓力變化時閥瓣偏斜等因素導(dǎo)致閥門內(nèi)漏，失去截流作用[15]。

高溫排污閥同樣存在上述問題。部分電廠采用未經(jīng)冷卻就直接排污的控制方式，導(dǎo)致排污閥內(nèi)流體介質(zhì)溫度、壓力很高，高溫高壓流體給排污閥造成嚴(yán)重的沖刷腐蝕，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏[16]。有的電廠采取初級冷卻后再排污的方案，沖刷腐蝕現(xiàn)象雖有減緩，但是閥門內(nèi)漏現(xiàn)象仍然存在。這是因?yàn)椴糠炙畼訙囟取毫芨?，?jīng)初級冷卻后仍然會對排污閥造成巨大沖擊而導(dǎo)致閥門失效。

高溫截止閥及排污閥內(nèi)漏會對取樣裝置功能造成巨大影響。在取樣系統(tǒng)故障、部分水樣需要檢修時，如果截止閥關(guān)不嚴(yán)，會導(dǎo)致高溫高壓的水汽進(jìn)入取樣系統(tǒng)，給安全檢修造成巨大隱患。在啟機(jī)過程中，閥門內(nèi)漏，同樣會給取樣系統(tǒng)調(diào)整和運(yùn)行人員投運(yùn)取樣裝置造成安全隱患。

機(jī)組在運(yùn)行過程中，無時無刻不在產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物[17]。由于取樣系統(tǒng)取樣管管徑小，流速低，且在部分管段存在汽液兩相流，因此腐蝕產(chǎn)物容易在取樣管中存留，會導(dǎo)致取樣不具有代表性，最終影響化學(xué)監(jiān)督測量的準(zhǔn)確性。因此，運(yùn)行機(jī)組需要定期進(jìn)行排污[18,19]。但是，由于排污閥性能不穩(wěn)定，經(jīng)常在排污后內(nèi)漏，導(dǎo)致運(yùn)行人員不敢排污和不愿意排污。此外，排污閥內(nèi)漏會導(dǎo)致空氣中的雜質(zhì)和氧氣、二氧化碳等成分進(jìn)入取樣系統(tǒng)，導(dǎo)致在線化學(xué)儀表測量出現(xiàn)偏差，同樣會影響化學(xué)運(yùn)行監(jiān)督控制的效果。

因此，高溫取樣架高溫截止閥及排污閥內(nèi)漏問題，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行，也制約著化學(xué)運(yùn)行監(jiān)督控制水平；

（2）高溫取樣架冷卻器污堵

高溫取樣架冷卻器利用冷卻水對高溫高壓水汽介質(zhì)進(jìn)行降溫降壓。冷卻器多采用不銹鋼材質(zhì)，通常較少出現(xiàn)機(jī)械斷裂，失效原因基本歸因于冷卻器污堵。一般發(fā)電廠受地理?xiàng)l件限制，多使用半開式循環(huán)水系統(tǒng)，冷卻水經(jīng)凝汽器換熱后，通過自然通風(fēng)冷卻塔淋至水池降溫后循環(huán)使用。在此過程中，采用物理和化學(xué)方法進(jìn)行處理，保證水質(zhì)在合格范圍。當(dāng)循環(huán)水水質(zhì)惡化時，水中的雜質(zhì)容易粘連沉積在冷卻器表面，使冷卻水流量降低，同時降低冷卻器熱傳導(dǎo)效率，導(dǎo)致對水汽樣品換熱降溫能力下降，引起進(jìn)入儀表的水樣溫度升高，影響儀表準(zhǔn)確測量。

對于開式循環(huán)水系統(tǒng)和海水直流機(jī)組，通常對于水質(zhì)較少處理，因此水中污泥、微藻、海生物等雜質(zhì)也會在循環(huán)水泵作用下進(jìn)入冷卻器，造成冷卻器污堵。此外，海水中存在的大量氯離子會腐蝕不銹鋼冷卻器，只不過這種腐蝕效果是緩慢的，通常難以對冷卻器性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

當(dāng)循環(huán)水系統(tǒng)處理采用常規(guī)磷處理方案，循環(huán)水中的污垢以磷酸鈣、碳酸鈣等硬度鹽類為主，其溶解度隨溫度升高而減小[20]，因此會在冷卻器進(jìn)口處大量沉積。一般而言，當(dāng)循環(huán)水的流速超過1m/s時，污垢和懸浮物等雜質(zhì)容易被水流沖走[21]。但是如果冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，或者冷卻水流速難達(dá)要求時，就會在冷卻器表面沉積，影響換熱效果。

高溫取樣架冷卻器失效嚴(yán)重影響機(jī)組安全和人員安全。冷卻器失效會導(dǎo)致高溫高壓水汽無法正常降溫降壓，導(dǎo)致調(diào)壓閥及恒溫裝置難以有效正常工作，到達(dá)低溫取樣架的水汽樣品超溫超壓，直接接觸在線化學(xué)儀表會儀損壞表，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。高溫高壓水汽從手工取樣排出，也會給運(yùn)行人員造成巨大傷害。冷卻器失效后，采用降溫后再排污的排污閥將會受到高溫高壓流體的劇烈沖刷，加劇閥門失效速度，影響排污安全。此外，因?yàn)槔鋮s水水質(zhì)普遍較差，如果冷卻器輕微泄漏，會導(dǎo)致進(jìn)入低溫取樣架水樣被污染而不具有代表性，造成測量結(jié)果偏差。

（3）高溫取樣架調(diào)壓閥堵塞

高溫高壓水汽樣品經(jīng)過冷卻器進(jìn)行減溫減壓后，還需要經(jīng)過調(diào)壓閥進(jìn)一步調(diào)節(jié)壓力，從而確保進(jìn)入在線化學(xué)儀表的水樣流量保持在適宜的測量范圍內(nèi)。調(diào)壓閥也是高溫取樣架多個部件中容易發(fā)生故障的一個。調(diào)壓閥故障主要體現(xiàn)在閥門堵塞。由于水汽流體中不可避免攜帶有機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物和其他雜質(zhì)，容易在調(diào)壓閥過流部位沉積而影響調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性，嚴(yán)重時甚至水樣斷流，從而導(dǎo)致流量不符合在線化學(xué)儀表測量要求，影響化學(xué)監(jiān)督測量結(jié)果。

總之，高溫取樣架截止閥、排污閥、冷卻器和減壓閥如果出現(xiàn)故障，會對化學(xué)監(jiān)督測量帶來巨大影響，應(yīng)該引起運(yùn)行檢修人員的注意。

1.2 低溫取樣架運(yùn)行現(xiàn)狀

水汽樣品經(jīng)高溫取樣架降溫降壓后，經(jīng)過恒溫裝置調(diào)節(jié)溫度后（通常在線化學(xué)儀表要求的適宜測量溫度為25℃），進(jìn)入低溫取樣架。低溫取樣架主要由手工取樣及在線化學(xué)儀表兩部分組成。在日常運(yùn)行中，在線化學(xué)儀表由于維護(hù)不及時、水樣參數(shù)不適宜等多種情況，導(dǎo)致水汽化學(xué)監(jiān)測結(jié)果偏差巨大。

（1）水樣流量不合適導(dǎo)致儀表測量偏差

水樣流量適宜與否嚴(yán)重影響在線化學(xué)儀表測量準(zhǔn)確性。不適宜的水樣流量，會造成儀表電極無法完全接觸水樣、傳感器工作不正常等，從而嚴(yán)重影響了測量的準(zhǔn)確性。目前，水汽取樣裝置的流量調(diào)控依賴于調(diào)壓閥與手工取樣的共同作用。通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)水樣總流量，然后通過調(diào)節(jié)手工取樣流量的大小來控制進(jìn)入儀表的水樣流量。以上操作存在明顯缺陷：當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時，水樣總流量會發(fā)生變化，人工無法及時調(diào)節(jié)手工取樣流量來確保在線化學(xué)儀表流量始終處于適宜狀態(tài)，造成在線化學(xué)儀表斷流或者流量超限，從而帶來在線化學(xué)儀表無水樣可測和水樣參數(shù)不合理的問題；

（2）水樣溫度不合適導(dǎo)致儀表測量偏差

水樣溫度主要受高溫取樣架冷卻器和恒溫裝置調(diào)控，經(jīng)過冷卻器的水樣溫度各不相同，在恒溫裝置的調(diào)控下，統(tǒng)一將水樣溫度控制在25℃，為在線化學(xué)儀表提供友好可靠的測量環(huán)境。恒溫裝置通過控制加熱或冷卻來控制水樣溫度，其控溫原理可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。其中開環(huán)控制根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度范圍來控制加熱或冷卻系統(tǒng)的輸出，而不考慮實(shí)際溫度的變化，因此這種控制方式控制精度較低。閉環(huán)控制方式通過傳感器溫度來實(shí)時監(jiān)測溫度變化，并根據(jù)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之間的差異來調(diào)整加熱或冷卻系統(tǒng)的輸出。這種控制方式可以更準(zhǔn)確地維持設(shè)定的溫度范圍，但是需要更復(fù)雜的控制系統(tǒng)和更高的設(shè)備成本。恒溫裝置在長時間運(yùn)行后，容易出現(xiàn)冷卻效果降低甚至失效的作用，這通常是因?yàn)閴嚎s機(jī)故障造成的。部分電廠在基建時期由于設(shè)備調(diào)試不到位等原因，也會造成恒溫裝置運(yùn)行異?；蚬收?，從而對（氫）電導(dǎo)率、pH等關(guān)鍵參數(shù)準(zhǔn)確測量產(chǎn)生巨大偏差，從而影響化學(xué)加藥防腐效果。雖然目前在線化學(xué)儀表基本都具備溫度補(bǔ)償功能，然而，在實(shí)際運(yùn)行過程中，各個儀表的溫度補(bǔ)償結(jié)果通常是不準(zhǔn)確的，因此，仍需要將水樣溫度保持在25℃以保持儀表測量準(zhǔn)確。

2 水汽取樣裝置改進(jìn)方向

綜上所述，水汽取樣裝置在運(yùn)行過程中，高溫取樣架及低溫取樣架都存在諸多故障問題，從而影響在線化學(xué)儀表測量準(zhǔn)確性。針對以上問題，提出電廠水汽取樣裝置的改進(jìn)方向。

2.1 開展水汽取樣裝置可靠性提升研究

高溫截止閥、排污閥和恒溫裝置是水汽取樣系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備部件，能否長久安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到水汽取樣代表性和在線化學(xué)儀表測量準(zhǔn)確性。應(yīng)開展裝置可靠性研究，通過新材料、新工藝，提升截止閥和排污閥在高溫高壓條件下耐沖刷腐蝕性能，通過增設(shè)傳感器、優(yōu)化恒溫控制邏輯等方式，進(jìn)一步提高恒溫裝置的運(yùn)行可靠性。

2.2 開展水汽取樣裝置自動化研究

高溫取樣架內(nèi)存在高溫高壓工質(zhì)，在排污操作及閥門泄漏等情況下，會對運(yùn)行人員造成極大安全隱患；另一方面，排污閥需要人工操作，會造成排污不及時甚至不排污，從而影響取樣代表性。調(diào)壓閥同樣需要人工調(diào)節(jié)，在機(jī)組負(fù)荷變化時難以保證在線化學(xué)儀表流量適宜。因此，開展水汽取樣裝置自動化研究，實(shí)現(xiàn)排污功能和調(diào)壓功能的自動化，從而實(shí)現(xiàn)定期排污和自動調(diào)壓，有有助于確保取樣代表性和儀表流量穩(wěn)定性，從而確保在線化學(xué)儀表測量準(zhǔn)確。

2.3 開展水汽取樣裝置智能化研究

水汽取樣系統(tǒng)部件種類多、水汽參數(shù)差異大，而在線儀表準(zhǔn)確測量對于取樣裝置可靠運(yùn)行和參數(shù)穩(wěn)定要求均很高。傳統(tǒng)的控制手段和監(jiān)測手段難以有效實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)警、故障診斷、壽命預(yù)測功能，難以實(shí)現(xiàn)水樣關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)字化監(jiān)測和智能調(diào)控，完全無法實(shí)現(xiàn)能耗監(jiān)測、能耗優(yōu)化、控制優(yōu)化，已經(jīng)不符合發(fā)電廠安全穩(wěn)定、綠色低碳運(yùn)行的要求。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，開展水汽取樣裝置智能化研究，實(shí)現(xiàn)對于取樣裝置關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)時監(jiān)控、智能診斷、智能檢修，實(shí)現(xiàn)對于水樣關(guān)鍵參數(shù)的智能監(jiān)控、智能優(yōu)化、智能尋優(yōu)，有助于顯著提升水汽取樣裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行水平和水樣關(guān)鍵參數(shù)平穩(wěn)控制水平，有助于化學(xué)監(jiān)督控制的準(zhǔn)確，從而提高機(jī)組防腐防垢、節(jié)能降耗水平。

3 結(jié)語

發(fā)電廠水汽取樣裝置在運(yùn)行過程中普遍存在諸多問題和缺陷，會給在線化學(xué)儀表準(zhǔn)確測量和人員安全操作帶來影響，影響加藥防腐效果、人員安全工作和機(jī)組可靠運(yùn)行。通過水汽取樣裝置可靠性、自動化和智能化研究，有望解決以上問題，為機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)低碳綠色運(yùn)行提供可靠保障。