自動加氨控制技術的探討

　　摘　要：分別對給水pH值、電導率、流量相關控制信號在測量中存在的技術問題進行了詳細的分析，并采用將給水電導率換算成pH值的技術，提出了一種提高自動控制加氨準確性的方法。

　　關鍵詞：火電廠;給水加氨;pH值;自動控制

　　0概述

　　隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，大容量、高參數(shù)、亞臨界、超臨界機組相繼投產(chǎn)，高參數(shù)機組對化學水汽品質(zhì)、加藥控制技術水平的要求越來越高，因此提高水汽監(jiān)督水平，提高分析測量的準確性，提高化學加藥控制水平，使機組在最佳水汽品質(zhì)工況下運行，是保證水汽系統(tǒng)防腐、防垢和防止積鹽的重要環(huán)節(jié)，這對機組的安全經(jīng)濟運行起到重要作用。

　　在以除鹽水為補充水的高參數(shù)、大容量汽包鍋爐中，采用加氨調(diào)節(jié)給水pH值方法已成為我國火力發(fā)電廠汽包鍋爐調(diào)節(jié)給水pH值最廣泛使用的方法。在GB/T 121451999《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質(zhì)量》中規(guī)定：汽包爐中，鍋爐蒸汽壓力12.7～18.3 MPa，要求給水氫電導率(氫離子交換后，25 ℃)≤0.3 μS/cm，pH值為8.8～9.3(25 ℃，有銅系統(tǒng))，或pH值為9.0～9.5(25 ℃，無銅系統(tǒng))。加氨的多少直接影響給水pH值的大小，因此用給水pH值控制加氨最直接、效果最好，但在實際運行中，發(fā)現(xiàn)用給水pH值直接控制加氨，受許多因素的影響。

　　1給水pH值在實際測量中存在的問題

　　1.1純水pH值測量的靜電荷問題

　　在實際中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)給水pH值在測量時會產(chǎn)生明顯的誤差，很難保證測量的準確性，原因在于：高參數(shù)汽包鍋爐給水水質(zhì)較純，當電導率≤5μS/cm時，水樣接近于絕緣體，水樣流動與電極表面摩擦類似于絕緣體之間摩擦，可產(chǎn)生靜電荷，使玻璃電極電位Eb和參比電極電位Ec均發(fā)生變化，由于靜電荷的作用，在測量電池中產(chǎn)生與測量水樣pH值無關的△Er，△Er被疊加到測量信號上，一起送入儀表輸入端，其結果造成pH值測量誤差。在25 ℃時，這種靜電荷產(chǎn)生的電位差每變化5.916 mV，pH值就會造成0.1的誤差，在實際運行中，有時靜電荷造成的電位差可達幾十毫伏，由此造成很大的pH值測量誤差。

　　這種由于純水流動摩擦引起的靜電荷問題，可以采取測量池可靠接地，并將摩擦產(chǎn)生的部分靜電荷通過地線排走，以減少摩擦靜電產(chǎn)生的誤差。同時在保證儀表正常測量用水的情況下，盡可能降低測量池流速并且使流速穩(wěn)定。采用以上方法只能減少純水靜電引起的誤差，但很難完全消除。

　　1.2溫度對pH值測量的影響

　　pH值的測量基于電位式分析法，在非標準狀態(tài)下測量給水pH值，測量電池的測量電位可以用能斯特方程來表示：

　　E=E0+0.198 4 T lg a/n (1)

　　式中E――測量電池的測量電位，mV;

　　E0――電極膜電位、內(nèi)充液電位、內(nèi)外參比電極電位等綜合電位，mV;

　　0.198 4 T lg a/n――與溶液pH值有對應關系的電位，mV。

　　將能斯特方程對溫度T求導：

　　dE/dT=dE0/dT+ 0.198 4lga/n+0.198 4Td lga/n dT (2)

　　dE/dT為溫度每變化1華氏度所引起電位的變化，dE0/dT為電極的標準電位溫度系數(shù)項，它表示電極特性項，與電極的膜材料、內(nèi)充液、內(nèi)外參比電極等的溫度特性有關，可以通過儀器進行補償。

　　0.198 4lga/n為溫度系數(shù)斜率項。當n=1時，溫度每變化1 ℃，則斜率變化0.198 4 mV;當n=2時，則斜率變化0.099 2 mV，該項可以通過儀器進行完全補償。

　　0.198 4Td lga/n dT為溶液溫度系數(shù)項。它與溶液的離子活度、電解平衡常數(shù)等有關。溶液的離子活度、電解平衡常數(shù)不僅隨溫度變化，而且隨水中不同物質(zhì)組成而變化，是無法確定的，因而不能通過儀器進行補償。

　　綜上所述，用溫度補償?shù)姆椒o法完全消除溫度對水樣pH值測量造成的誤差。在實際運用中，水汽控制指標是25 ℃時的pH值，在偏離25 ℃時，測量值會產(chǎn)生一定的誤差，因此必須嚴格控制水樣溫度在25℃±2 ℃范圍內(nèi)。

　　1.3校正對pH值測量的影響

　　pH計的標定一般采用兩點法：先在一種pH?6.86(或pH9.18;pH4.01，25 ℃)標準溶液中定位，然后在另一種pH9.18(或pH6.86、pH4.01，25 ℃)標準溶液中標定斜率。測量電極放入一種標準溶液中，穩(wěn)定一段時間后，測量電極與標準溶液產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電極電位，但這個電極電位不是立即達到的，而是經(jīng)過一定時間，逐漸達到穩(wěn)定的電極電位。對于手動標定的儀表，在標定時，電極放在標準溶液中可以時間稍長些，使電極電位穩(wěn)定后再標定儀表。對于自動標定的儀表，第2點標定的時間有固定限制(或根據(jù)電位變化情況自動選取第2點的讀數(shù))，這對于響應快的電極不會產(chǎn)生很大誤差，但對于響應時間較長的電極，電極電位未穩(wěn)定就進行讀數(shù)標定，會產(chǎn)生很大的誤差。

　　1.4測量電極質(zhì)量的影響

　　目前測量pH值時大多采用玻璃電極，由于電極的膜材料、厚度、絕緣性、制造工藝等因素的影響，同一批生產(chǎn)的電極性能也不完全相同，這也是影響給水pH值測量準確性的因素之一。

　　1.5給水pH值測量不準造成的影響

　　由于給水pH值受純水靜電荷、溫度、外界干擾、校正、玻璃電極質(zhì)量等許多因素的影響，尤其是純水靜電荷的影響難以完全排除，因此很難保證給水pH值測量的準確性。

　　汽包爐中，鍋爐蒸汽壓力為12.7～18.3 MPa，對于有銅合金的給水系統(tǒng)，要求控制給水的pH值在8.8～9.3(25 ℃)范圍內(nèi)。給水pH值控制范圍為±0.5，在25 ℃時，測量電池只要產(chǎn)生5.916 mV的誤差，在pH值控制范圍內(nèi)就會產(chǎn)生20%的誤差，因而用給水pH值作為加氨控制信號盡管最直接、效果最好，但實際應用有一定的難度。

　　如果測量出現(xiàn)誤差，實際給水水樣的pH值超過9.3，而測量值小于9.3，長期運行，會造成銅加熱器(如銅制低壓加熱器、軸封加熱器)和銅管凝汽器的腐蝕溶解，腐蝕產(chǎn)物進入蒸汽系統(tǒng)會加劇汽輪機的積鹽，造成汽輪機出力和效率的降低。pH值過高還會造成凝汽器空抽區(qū)附近銅管的氨蝕，使凝汽器發(fā)生泄漏。反之，實際給水水樣的pH值小于8.8，而測量值大于8.8，長期運行，會造成給水系統(tǒng)鋼設備和管道的腐蝕溶解加劇，其腐蝕產(chǎn)物進入鍋爐會加劇水冷壁的沉積和腐蝕，結果造成管道損壞，甚至出現(xiàn)嚴重事故。?

　　2給水電導率的測量及電導率與pH值的關系

　　2.1給水電導率的測量

　　溶液導電是依靠離子在電場作用下定向遷移實現(xiàn)的。將被測溶液看作一個導體，在電極兩端加一定的交流電壓，產(chǎn)生的電流信號經(jīng)放大處理，得到測量溶液的電導率。電導率表征被測溶液的導電能力時，是指水中各種正、負離子導電能力的總和。電導電極是2塊金屬板(在線儀表測量電極大多數(shù)為不銹鋼筒套式結構)，比較穩(wěn)定，也不受其他外界因素的干擾。

　　另外，電導率是通過測量溶液阻抗，再轉換為電流信號而得到的，因而基本不受純水靜電荷的影響，測量準確率大大提高。

　　2.2分布電容和溫度的影響

　　機組正常運行情況下，給水氫電導率≤0.3μS/cm(25 ℃)。加氨后，給水在pH8.8～9.3范圍內(nèi)，電導率通常在1～6μS/cm范圍內(nèi)變化，此時電導率較小，電極表面極化電阻的影響較小，分布電容影響較大，可以采用低頻率的測量電流，減少分布電容的影響。

　　電導率在1～6 μS/cm范圍內(nèi)變化，電導率隨溫度的變化基本為直線，故溫度補償可以按式(3)進行補償：

　　X(25 ℃)=Xt /[1 +β(t-25)] (3)

　　式中X(25 ℃)――水樣換算為基準溫度25 ℃下的電導率;

　　Xt――水樣在t ℃時的電導率;

　　β――水樣溫度補償系數(shù)。

　　水樣電導率在1～6μS/cm范圍內(nèi)變化時，β可以取0.02/℃。

　　2.3給水電導率與給水pH值的關系

　　25 ℃給水氫電導率≤0.3μS/cm時，水中的雜質(zhì)對電導率的影響非常小。給水加氨后，氨氣溶于水成為弱堿性溶液，增強了溶液的導電能力，使給水電導率示值增大十倍甚至幾十倍。因此給水電導率大小主要取決于水中氨的濃度。水中氨濃度與pH值和電導率之間存在確定的關系。

　　根據(jù)給水電導率與pH值的關系，可以通過測量電導率計算出pH值。

　　德國VGB標準和歐洲標準都建議用測量給水電導率反算pH值的方法測量給水pH值。

　　2.4給水電導率測量精度高，控制范圍大

　　由表1可以看出，對于有銅合金的給水系統(tǒng)，給水pH值控制在8.8～9.3(25 ℃)，則電導率在1.7～5.3 μS/cm范圍內(nèi)變化，電導率控制誤差為±3.6 μS/cm， pH值控制誤差為±0.5 ，電導率控制范圍比pH值大，另外電導率測量精度比pH值測量精度高，因此用電導率作為控制信號更合理。

　　3給水流量與加氨控制的關系

　　給水流量也是加氨控制的一個重要指標。鍋爐給水流量增大，則補水量增加，為保持給水pH值在控制范圍內(nèi)，加氨量增大;反之流量減少，補水減量，加氨量減少。不同容量的機組、不同的系統(tǒng)給水流量的大小與加氨量的關系不同，但它們都有一定的對應關系。為了使給水pH值在控制范圍內(nèi)運行，可以用給水流量信號控制加氨量，這樣就避免出現(xiàn)給水pH值測量不準確、控制范圍小、誤差大、不易實施的弊端。

　　4國內(nèi)自動加氨控制技術及展望

　　通過以上分析可以看出，用給水pH值控制加氨量最直接，但是，給水pH值測量影響因素多、誤差大，且pH值控制范圍小，僅±0.5，因此用給水pH值控制加氨量實施困難。目前國內(nèi)通常用流量信號控制加氨，有的用給水流量作為主調(diào)節(jié)信號，給水電導率或pH值作為輔助信號控制加氨。由于給水流量大小隨機組負荷變化和系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)而變化，給水流量與pH值數(shù)學模型因機組不同而異，需要在運行中摸索確定，因此用流量信號控制加氨的精度、準確度不高。

　　目前有關單位正在研制一種多功能分析儀表，它可以直接測量給水的電導率，在25 ℃、水樣穩(wěn)定、保證電導率測量結果準確的前提下，具有把電導率換算成pH值的功能。在儀表表頭上可以同時顯示給水電導率值和pH值，這樣用給水電導率作為控制信號的同時，還可以監(jiān)測給水pH值。對于有銅合金的給水系統(tǒng)，電導率一般控制在1.7～5.3 μS/cm范圍內(nèi)，25 ℃給水pH值控制在8.8～9.3范圍內(nèi)，相對于pH值而言，電導率比pH值控制范圍要寬。另外，給水電導率的測量較pH值測量影響因素要少，測量準確度高，利用給水電導率和pH值的對應關系，通過測量給水電導率并用其信號控制加氨，使pH值控制在8.8～9.3范圍內(nèi)，控制加藥會更及時、準確，其精度和準確度也會大大提高。

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