氢型电除盐技术连续测量氢电导率的应用研究

牛兴伟，库国亮，路 珊，王 宁,成 云

(1. 北京京能高安屯燃气热电有限责任公司， 北京 100024；2. 北京欧林特技术咨询有限公司，北京 100070)

自20世纪50年代初，国外一些蒸汽发电厂开始测定样水阳离子交换后的电导率，即氢电导率，以期更精细控制水汽质量[1]。氢电导率可以快速灵敏反映电厂水汽循环系统腐蚀性离子含量，连续准确测量氢电导率对电厂防止热力设备腐蚀、汽轮机叶片积盐至关重要[2-3]。由于氢电导率监测快速有效，在电厂的应用极其广泛[4-5]。

但由于一定体积的阳树脂柱工作容量限制，阳树脂在运行一段时间后氢离子交换基团即被消耗掉，氨水等碱化试剂穿透，从而造成氢电导率失效。失效后的阳树脂应及时更换处理，否则导致水汽氢电导率测量中断，发电机组存在一定的防腐监控盲区。在给水pH值较高的电厂，如燃气-余热锅炉联合循环电厂，仪用阳树脂需要频繁更换、再生。水汽循环系统高pH值运行时，氢电导率不连续测量问题引起水汽循环系统氢电导率监控不连续，热力设备发生腐蚀风险不可控，表计频繁维护管理难度大，失效指标虚假报警化学监督平台等问题，影响了机组正常生产秩序。

近年来，随着能源供给两侧改革不断深化，我国联合循环电厂的投运量呈逐年上升态势。在该类型机组中，在线氢电导率表的维护和使用已成为共性难题。基于连续电除盐(electrodeionization，EDI)工作原理的氢型电除盐(post electrodeionization，PEDI)技术，作为阳离子交换单元替代传统阳树脂柱，可提供连续可靠的氢电导率测值，从本质上解决这一难题。本文以北京地区某电厂为研究对象，深入开展氢电导率分析仪使用传统树脂柱和氢型电除盐技术的对比研究工作。

1 电厂概况

某电厂为2台9F级燃机组成的“二拖一”燃气-蒸汽联合循环发电供热机组，供电负荷设计845 MW，供热负荷大于596 MW，供热面积约1200万m2。汽水循环系统如图1所示，低压汽包采用全挥发处理作为中高压给水，中高压汽包采用炉水混合磷酸盐处理。

图1 某电厂水汽循环系统

2台锅炉的汽水取样系统分析仪表集中布置，设置氢电导率的测点覆盖包括凝结水、低压省煤器(低省)、中压省煤器(中省)、高压省煤器(高省)、低压饱和蒸汽(低饱)、低压过热蒸汽(低过)、中压饱和蒸汽(中饱)、中压过热蒸汽(中过)、再热蒸汽(再热)、高压饱和蒸汽(高饱)、高压过热蒸汽(高过)。

2 传统树脂柱存在问题

a.更换频率高

GB/T 12145—2016《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》中规定，根据机组不同及是否加氧，给水pH值控制在8.5～9.6[6]。应用传统树脂柱氢导分析仪的传统火电厂，由于给水pH值控制较低，当氢导分析仪样水控制流量较低时，可使树脂更换频率降低至1～2月/次。而联合循环电厂中给水、蒸汽pH值偏高，因此树脂更换频率明显增高，甚至1～2天树脂就失效，成为仪表维护的难题。王仁雷等通过对35台联合循环机组共776台在线化学仪表的检验结果统计，氢电导率合格率仅达到41.4%[7]。

该电厂2号机组树脂更换记录如表1所示。由表1可知，2018年1—12月，低省、中省及高省的氢导树脂柱更换频率平均为13.6天/次，低饱和低过蒸汽的更换频率平均高达3.3天/次。

表1 树脂更换记录

b.试剂消耗量大及运行成本高

传统阳树脂柱通常采用下进上出的筒状安装方式，如图2所示，具有更换树脂程序复杂、没有自动排气功能、容易冲出一条水路造成树脂未失效时氢导测值偏高、更换频率高、试剂消耗量大、运行成本高、造成大量的数据缺失时间等缺点[8-9]。

图2 传统阳树脂柱安装方式

DL/T 677—2018《发电厂在线化学仪表检验规程》中指出，标准氢离子交换柱要使用再生度大于98%的氢型阳离子交换树脂[10]，为保证树脂再生度达到要求，再生剂用量需为树脂交换容量的3倍以上，再生剂用量大，树脂消耗过快，需频繁再生更是大大增加了再生剂用量和其成本投入。且复苏过程需充分搅拌，再生后需大量除盐水进行冲洗，工作量繁重。在电厂实际运行中，化学实验室人员配置少且日常工作繁忙，高频率树脂再生往往很难保证再生效果，进而影响后续氢电导有效测量。

c.测量数据时间缺失

根据该电厂人员实际运行维护情况，每次更换树脂柱约10 min，由于树脂再生后含有大量盐酸，需样水冲洗1～2 h方可降至氢电导率真值，按照合计2 h统计，2018年1—12月，2号机组低省、中省及高省由于更换树脂带来的数据缺失时间约50 h，低饱和低过蒸汽由于更换树脂带来的数据缺失时间约90 h。

3 氢型电除盐技术

3.1 基本原理

氢型电除盐技术基于电除盐EDI技术发展起来，如图3所示，其基本原理：样水进入氢型电除盐模块前测量比电导率(specific conductivity，SC)，样水经过氢型电除盐模块时，其阳离子经过只允许阳离子穿透的阳离子透过膜进入阴极室；此时阳极电离出氢离子来补充阳离子缺失带来的离子失衡，阴极电离出氢氧根离子来补充阳离子进入带来的离子冗余；最后所有除氢离子外的阳离子全部进入阴极室，样水中仅剩下阴离子及氢离子，进入氢电导率电极完成氢电导率的测量。电解产生的微量氢气及氧气则随着仪表排水排入废水池。

图3 氢型电除盐模块原理

3.2 CACE分析仪结构

阳离子交换后的电导率 (conductivity after cation exchanger，CACE)分析仪结构如图4所示。SWAN

Monitor AMI CACE在线PEDI计算型pH/氢电导率分析仪是以氢型电除盐为核心技术的氢电导率在线测量表计。氢型电除盐模块需要考虑流量及样水氨浓度，以自动调节其电压、电流，并给予样水流量报警、树脂失效报警等相关维护信息。基于氢型电除盐模块的氢电导率分析仪需带有比电导率电极及精确的流量计。

图4 CACE分析仪结构

3.3 现场安装

根据该电厂现场运行情况及应用安装的便利性，选取1号机组低压饱和蒸汽作为应用点，安装如图5所示。

图5 氢电导率分析仪现场安装

安装配置了具有稳压稳流功能的背压阀，可稳定输出50 kPa压力的样水进入仪表，防止因机组负荷变化时，由于主管道压力变化带来的样水压力变化及流量变化对氢电导率测量带来的影响。

4 2种测量方法对比

a.测量数据对比

在该点位同时运行了安装传统树脂柱的氢电导率分析仪，对比数据如图6和图7所示。

图6 氢导与比导数据对比

图7 氢导与机组负荷数据对比

由图6和图7可知，在3月28日传统树脂柱进行了树脂更换，更换树脂前传统树脂柱测量的氢导值为0.3 μS/cm，而氢型电除盐测量的氢导值为0.8 μS/cm(阶段1)；在机组负荷变化时传统树脂柱与氢型电除盐测量的氢导趋于相近(阶段2)；传统树脂柱连续运行了5天出现了树脂失效，而氢型电除盐测量的氢导则趋于稳定(阶段3)。

在阶段1，阳树脂柱更换树脂前的氢导测量值并非真值，而是由于树脂再生次数过多、树脂再生度过低、造成漏钠等问题带来的氢导测量值“假低”现象。该现象影响运行人员判断机组运行状态，误判低压饱和蒸汽状态，在有污染时不能及时反应，从而延误处理。而氢型电除盐可连续自动再生，并保证阳离子交换率达到最佳，避免因再生度问题带来负面影响。

在阶段2，随着机组负荷变化，比导及2个氢导均相应波动，该阶段由于传统树脂柱更换了全新的阳树脂(冲洗阶段约2 h)，在冲洗完成后，其测量值与氢型电除盐测量值有比较好的符合性。

在阶段3，随着机组在低负荷稳定运行，氢型电除盐测量的氢导值趋于稳定，且在比导有小的波动峰值时，可实时反映氢导相应的状态，并因氢型电除盐模块所用树脂量极少，从而可减少树脂长期渗漏阴离子带来的测值影响；而传统树脂柱在运行5天后失效，并导致氢导测量值大幅度波动，其树脂失效带来的大量维护及氢导数据缺失，给运行及维护人员带来极大困难。

由以上分析可得，氢型电除盐测量的电导率更符合氢导真值。而该测点由于二氧化碳引起的氢导并不影响氢型电除盐的测量有效性。为排除二氧化碳带来的影响，低饱和低过的氢电导率建议采用脱气氢电导率分析仪来进行测量[11-12]。

b.运行成本对比

按照该次应用数据进行核算，按照5天再生1次树脂(再生及更换树脂人工成本50元/次)，每次树脂更换或再生2 L(30元/L)，3次再生需更换新树脂进行折算，得出运行成本数据如图8所示。

图8 运行成本对比

由图8可见，由第3年起，氢型电除盐带来的成本节约开始显而易见。

5 结论

a.使用氢型电除盐装置作为阳离子交换单元可以替代传统阳树脂柱，提供氢电导率的连续测量。基于氢型电除盐的氢电导率分析仪在长期运行时可免除传统树脂柱带来的氢导测量数据缺失，降低树脂柱维护、更换和再生成本，且其自身的树脂交换率自动检测可保证氢导测量值的真实性，为运行人员根据真实数据进行化水处理提供有效保障。

b.基于氢型电除盐的氢电导率分析仪能更快达到稳定测量值，且测量需要的水流量较小，可适应机组频繁启动的情况，尤其适用于联合循环机组[13]。