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自动加氨控制技术的探讨
发布时间:2009/6/2  阅读次数:1408  字体大小: 【】 【】【
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自动加氨控制技术的探讨  

Discussion  on  Automatic  Control  of  Ammonia  Injection  

  摘 要:分别对给水pH值、电导率、流量相关控制信号在测量中存在的技术问题进行了详细的分析,并采用将给水电导率换算成pH值的技术,提出了一种提高自动控制加氨准确性的方法。
  关键词:火电厂;给水加氨;pH值;自动控制  

  Abstract:This  paper  respectively  analyzes  the  technological  problems  related  to  control  signals  in  measurements  of  pH  value,  conductivityand  flow  rate  of  feed  water,also  proposes  a  method  to  improve  the  control  accuracy  of  automatic  ammonia  injection,  using  technology  converting  conductivity  into  pH  value  of  feed  water.
  Keywords:fossil  power  plant;ammonia  injecting  feed  water;pH  value;automatic  control  


0概述
  随着电力工业的飞速发展,大容量、高参数、亚临界、超临界机组相继投产,高参数机组对化学水汽品质、加药控制技术水平的要求越来越高,因此提高水汽监督水平,提高分析测量的准确性,提高化学加药控制水平,使机组在最佳水汽品质工况下运行,是保证水汽系统防腐、防垢和防止积盐的重要环节,这对机组的安全经济运行起到重要作用。
  在以除盐水为补充水的高参数、大容量汽包锅炉中,采用加氨调节给水pH值方法已成为我国火力发电厂汽包锅炉调节给水pH值最广泛使用的方法。在GB/T  121451999《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》中规定:汽包炉中,锅炉蒸汽压力12.7~18.3  MPa,要求给水氢电导率(氢离子交换后,25  ℃)≤0.3  μS/cm,pH值为8.8~9.3(25  ℃,有铜系统),或pH值为9.0~9.5(25  ℃,无铜系统)。加氨的多少直接影响给水pH值的大小,因此用给水pH值控制加氨最直接、效果最好,但在实际运行中,发现用给水pH值直接控制加氨,受许多因素的影响。

1给水pH值在实际测量中存在的问题
1.1纯水pH值测量的静电荷问题
  在实际中经常发现给水pH值在测量时会产生明显的误差,很难保证测量的准确性,原因在于:高参数汽包锅炉给水水质较纯,当电导率≤5μS/cm时,水样接近于绝缘体,水样流动与电极表面摩擦类似于绝缘体之间摩擦,可产生静电荷,使玻璃电极电位Eb和参比电极电位Ec均发生变化,由于静电荷的作用,在测量电池中产生与测量水样pH值无关的△Er,△Er被叠加到测量信号上,一起送入仪表输入端,其结果造成pH值测量误差。在25  ℃时,这种静电荷产生的电位差每变化5.916  mV,pH值就会造成0.1的误差,在实际运行中,有时静电荷造成的电位差可达几十毫伏,由此造成很大的pH值测量误差。
  这种由于纯水流动摩擦引起的静电荷问题,可以采取测量池可靠接地,并将摩擦产生的部分静电荷通过地线排走,以减少摩擦静电产生的误差。同时在保证仪表正常测量用水的情况下,尽可能降低测量池流速并且使流速稳定。采用以上方法只能减少纯水静电引起的误差,但很难完全消除。
1.2温度对pH值测量的影响
  pH值的测量基于电位式分析法,在非标准状态下测量给水pH值,测量电池的测量电位可以用能斯特方程来表示:
  E=E0+0.198  4  T  lg  a/n                                    (1)
式中E——测量电池的测量电位,mV;
  E0——电极膜电位、内充液电位、内外参比电极电位等综合电位,mV;
  0.198  4  T  lg  a/n——与溶液pH值有对应关系的电位,mV。
  将能斯特方程对温度T求导:
  dE/dT=dE0/dT+  0.198  4lga/n+0.198  4Td  lga/n  dT        (2)
  dE/dT为温度每变化1华氏度所引起电位的变化,dE0/dT为电极的标准电位温度系数项,它表示电极特性项,与电极的膜材料、内充液、内外参比电极等的温度特性有关,可以通过仪器进行补偿。
  0.198  4lga/n为温度系数斜率项。当n=1时,温度每变化1  ℃,则斜率变化0.198  4  mV;当n=2时,则斜率变化0.099  2  mV,该项可以通过仪器进行完全补偿。
  0.198  4Td  lga/n  dT为溶液温度系数项。它与溶液的离子活度、电解平衡常数等有关。溶液的离子活度、电解平衡常数不仅随温度变化,而且随水中不同物质组成而变化,是无法确定的,因而不能通过仪器进行补偿。
  综上所述,用温度补偿的方法无法完全消除温度对水样pH值测量造成的误差。在实际运用中,水汽控制指标是25  ℃时的pH值,在偏离25  ℃时,测量值会产生一定的误差,因此必须严格控制水样温度在25℃±2  ℃范围内。
1.3校正对pH值测量的影响
  pH计的标定一般采用两点法:先在一种pH6.86(或pH9.18;pH4.01,25  ℃)标准溶液中定位,然后在另一种pH9.18(或pH6.86、pH4.01,25  ℃)标准溶液中标定斜率。测量电极放入一种标准溶液中,稳定一段时间后,测量电极与标准溶液产生一个稳定的电极电位,但这个电极电位不是立即达到的,而是经过一定时间,逐渐达到稳定的电极电位。对于手动标定的仪表,在标定时,电极放在标准溶液中可以时间稍长些,使电极电位稳定后再标定仪表。对于自动标定的仪表,第2点标定的时间有固定限制(或根据电位变化情况自动选取第2点的读数),这对于响应快的电极不会产生很大误差,但对于响应时间较长的电极,电极电位未稳定就进行读数标定,会产生很大的误差。
1.4测量电极质量的影响
  目前测量pH值时大多采用玻璃电极,由于电极的膜材料、厚度、绝缘性、制造工艺等因素的影响,同一批生产的电极性能也不完全相同,这也是影响给水pH值测量准确性的因素之一。
1.5给水pH值测量不准造成的影响
  由于给水pH值受纯水静电荷、温度、外界干扰、校正、玻璃电极质量等许多因素的影响,尤其是纯水静电荷的影响难以完全排除,因此很难保证给水pH值测量的准确性。
  汽包炉中,锅炉蒸汽压力为12.7~18.3  MPa,对于有铜合金的给水系统,要求控制给水的pH值在8.8~9.3(25  ℃)范围内。给水pH值控制范围为±0.5,在25  ℃时,测量电池只要产生5.916  mV的误差,在pH值控制范围内就会产生20%的误差,因而用给水pH值作为加氨控制信号尽管最直接、效果最好,但实际应用有一定的难度。
  如果测量出现误差,实际给水水样的pH值超过9.3,而测量值小于9.3,长期运行,会造成铜加热器(如铜制低压加热器、轴封加热器)和铜管凝汽器的腐蚀溶解,腐蚀产物进入蒸汽系统会加剧汽轮机的积盐,造成汽轮机出力和效率的降低。pH值过高还会造成凝汽器空抽区附近铜管的氨蚀,使凝汽器发生泄漏。反之,实际给水水样的pH值小于8.8,而测量值大于8.8,长期运行,会造成给水系统钢设备和管道的腐蚀溶解加剧,其腐蚀产物进入锅炉会加剧水冷壁的沉积和腐蚀,结果造成管道损坏,甚至出现严重事故。  

2给水电导率的测量及电导率与pH值的关系
2.1给水电导率的测量
  溶液导电是依靠离子在电场作用下定向迁移实现的。将被测溶液看作一个导体,在电极两端加一定的交流电压,产生的电流信号经放大处理,得到测量溶液的电导率。电导率表征被测溶液的导电能力时,是指水中各种正、负离子导电能力的总和。电导电极是2块金属板(在线仪表测量电极大多数为不锈钢筒套式结构),比较稳定,也不受其他外界因素的干扰。
  另外,电导率是通过测量溶液阻抗,再转换为电流信号而得到的,因而基本不受纯水静电荷的影响,测量准确率大大提高。
2.2分布电容和温度的影响
  机组正常运行情况下,给水氢电导率≤0.3μS/cm(25  ℃)。加氨后,给水在pH8.8~9.3范围内,电导率通常在1~6μS/cm范围内变化,此时电导率较小,电极表面极化电阻的影响较小,分布电容影响较大,可以采用低频率的测量电流,减少分布电容的影响。
  电导率在1~6  μS/cm范围内变化,电导率随温度的变化基本为直线,故温度补偿可以按式(3)进行补偿:
  X(25  ℃)=Xt  /[1  +β(t-25)]                              (3)
式中X(25  ℃)——水样换算为基准温度25  ℃下的电导率;
  Xt——水样在t  ℃时的电导率;
  β——水样温度补偿系数。
  水样电导率在1~6μS/cm范围内变化时,β可以取0.02/℃。
2.3给水电导率与给水pH值的关系
  25  ℃给水氢电导率≤0.3μS/cm时,水中的杂质对电导率的影响非常小。给水加氨后,氨气溶于水成为弱碱性溶液,增强了溶液的导电能力,使给水电导率示值增大十倍甚至几十倍。因此给水电导率大小主要取决于水中氨的浓度。水中氨浓度与pH值和电导率之间存在确定的关系。给水电导率与pH值的关系见表1。  

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  根据给水电导率与pH值的关系,可以通过测量电导率计算出pH值。
  德国VGB标准和欧洲标准都建议用测量给水电导率反算pH值的方法测量给水pH值。
2.4给水电导率测量精度高,控制范围大
  由表1可以看出,对于有铜合金的给水系统,给水pH值控制在8.8~9.3(25  ℃),则电导率在1.7~5.3  μS/cm范围内变化,电导率控制误差为±3.6  μS/cm,  pH值控制误差为±0.5  ,电导率控制范围比pH值大,另外电导率测量精度比pH值测量精度高,因此用电导率作为控制信号更合理。  

3给水流量与加氨控制的关系
  给水流量也是加氨控制的一个重要指标。锅炉给水流量增大,则补水量增加,为保持给水pH值在控制范围内,加氨量增大;反之流量减少,补水减量,加氨量减少。不同容量的机组、不同的系统给水流量的大小与加氨量的关系不同,但它们都有一定的对应关系。为了使给水pH值在控制范围内运行,可以用给水流量信号控制加氨量,这样就避免出现给水pH值测量不准确、控制范围小、误差大、不易实施的弊端。  

4国内自动加氨控制技术及展望
  通过以上分析可以看出,用给水pH值控制加氨量最直接,但是,给水pH值测量影响因素多、误差大,且pH值控制范围小,仅±0.5,因此用给水pH值控制加氨量实施困难。目前国内通常用流量信号控制加氨,有的用给水流量作为主调节信号,给水电导率或pH值作为辅助信号控制加氨。由于给水流量大小随机组负荷变化和系统运行调节而变化,给水流量与pH值数学模型因机组不同而异,需要在运行中摸索确定,因此用流量信号控制加氨的精度、准确度不高。
  目前有关单位正在研制一种多功能分析仪表,它可以直接测量给水的电导率,在25  ℃、水样稳定、保证电导率测量结果准确的前提下,具有把电导率换算成pH值的功能。在仪表表头上可以同时显示给水电导率值和pH值,这样用给水电导率作为控制信号的同时,还可以监测给水pH值。对于有铜合金的给水系统,电导率一般控制在1.7~5.3  μS/cm范围内,25  ℃给水pH值控制在8.8~9.3范围内,相对于pH值而言,电导率比pH值控制范围要宽。另外,给水电导率的测量较pH值测量影响因素要少,测量准确度高,利用给水电导率和pH值的对应关系,通过测量给水电导率并用其信号控制加氨,使pH值控制在8.8~9.3范围内,控制加药会更及时、准确,其精度和准确度也会大大提高。
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