脫氣氫電導率在電廠水汽品質異常診斷中的應用

王 浩

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中電力試驗研究院，河南 鄭州 450000）

0 引言

氫電導率是水樣連續地流過氫型強酸陽離子交換樹脂后測得的電導率，可直接反映雜質陰離子的綜合含量［1］。對于火力發電機組而言，氫電導率是水汽品質監

督的一項重要指標，GB／T 12145—2016《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》 對給水、蒸汽、凝結水等水汽氫電導率的運行控制標準值進行了規定［2］。然而，當水汽系統中存在一定量的CO2時，將會引起氫電導率值升高，此時氫電導率反映的是雜質陰離子和CO2溶解產物的總含量，運行人員無法分辨氫電導率升高是危害較大的雜質污染物 （如引起的，還是相對無害的雜質（如CO2）含量升高引起的［3］，影響實際水汽品質的評估。而脫氣氫電導率（DGCC）利用物理化學方法將水樣中的CO2、H2CO3、等干擾因素去除，可真正反映雜質陰離子的實際含量，為水汽品質的正確評估提供依據。由于脫氣氫電導率與氫電導率之間存在差異，可反映相關系統設備運行狀況，因此脫氣氫電導率可用于部分水汽品質異常問題的診斷。

1 脫氣氫電導率測量原理

脫氣氫電導率是水樣先經過氫型強酸陽離子交換柱，再通過脫氣裝置除去水樣中的CO2后測得的電導率［4］，其測量原理如圖1 所示。

目前采用的脫氣方法有以下3 種［5-7］：1）沸騰法，包括加熱沸騰法和真空沸騰法，采用加熱或者減壓的方法去除溶解的CO2；2） 氣體吹掃法，將N2或者He 通過噴嘴逆向噴入水樣中，達到脫氣效果，脫氣原理是亨利定理；3）膜脫氣法，其原理為半透膜組件（如聚砜膜氣體交換器）對氣體具有選擇透過性從而去除CO2，應用時結合真空脫氣法提升脫氣效果，當樣品從膜內流過時，膜外由真空泵產生真空區間，使CO2氣體能順利透過膜而進入真空區排去，而水分子不能透過膜，經膜內通道隨出水管流出。

圖1 脫氣氫電導率的測量原理

2 脫氣氫電導率的優勢

根據脫氣氫電導率的測量原理可知，脫氣氫電導率去除了CO2相關因素（CO2、H2CO3、對氫電導率的影響，脫氣過程對水樣中的雜質陰離子沒有去除作用［4］，可真實反映有害雜質陰離子含量的高低，對于監督水汽品質具有更實際的意義。

對于燃氣-蒸汽聯合循環機組而言，氫電導率的“虛高” 影響機組啟動進程和水汽品質監測的可靠性。脫氣氫電導率監測技術應用于該類型機組，冷態啟動階段蒸汽指標達到啟動要求的邊界條件所需時間會大幅度縮短，可加快余熱鍋爐的啟動進程，同時燃氣輪機在低負荷（低效率）下運轉的等待時間也會隨之縮短，可降低啟動成本，增加經濟效益［8］。此外，脫氣氫電導率能更加靈敏、真實地反映機組調峰運行、頻繁啟停等運行方式帶來的水汽品質波動，有助于有效控制余熱鍋爐的腐蝕結垢風險［9］。

脫氣氫電導率對直接空冷機組的汽水品質監督具有重要意義，特別對于空冷島面積大、真空嚴密性較差的直接空冷機組，凝結水溶解CO2較多，氫電導率受影響較大，監測水樣的脫氣氫電導率可避免CO2干擾導致的對水質惡化的誤判，對指導機組正常運行、減小鍋爐排污、加快機組啟動速度具有顯著的現實意義［10］。

3 脫氣氫電導率在水汽品質異常診斷中的應用

脫氣氫電導率可真實反映有害雜質陰離子含量，氫電導率與脫氣氫電導率的差值可反映出CO2溶入量或者含量的高低。通常，機組正常運行時，水汽氫電導率與脫氣氫電導率的數值無明顯差異。結合電導率、氫電導率、脫氣氫電導率3 個指標，能夠更加準確地評價水汽品質狀況，分析水汽品質異常原因。采用Digox 602 dac 型除氣電導率分析儀，對下列幾種水汽品質異常問題進行分析診斷。

3.1 凝結水負壓系統漏入空氣

凝結水負壓系統包括凝汽器真空負壓系統和凝汽器熱井水平面至凝結水泵的管路。如果負壓系統存在漏點而吸入空氣，由于CO2的溶解會使凝結水氫電導率上升，但脫氣氫電導率則不會發生明顯變化。由于凝汽器抽真空系統本身具有除氧作用，真空負壓系統漏空氣不一定會造成凝結水溶解氧濃度超標，但凝汽器熱井水平面至凝結水泵的管路如果漏入空氣，凝結水溶解氧濃度通常升高較明顯且易超標。

某330 MW 機組凝結水在線氫電導率表的示值短期內升高至約0.24 μS／cm，并隨負荷變化在0.20～0.25 μS／cm 之間波動，在線化學儀表檢驗裝置確認該在線儀表測試準確。查閱歷史數據，該機組凝結水氫電導率均低于0.15 μS／cm，溶解氧質量濃度低于16 μg／L。經不同時段檢測（如表1 所示），凝結水脫氣氫電導率無明顯變化，均低于0.15 μS／cm，且明顯低于氫電導率，溶解氧濃度在控制上限值左右波動，這說明凝結水中含有CO2氣體，溶解氧濃度有所升高，而腐蝕性陰離子含量正常。由此推斷，凝結水負壓系統存在泄漏而吸入空氣，其中的CO2與堿性凝結水接觸生成，導致氫電導率升高，由于泄漏點較小，溶解氧濃度未升高至連續性超標。經排查，凝結水泵入口濾網法蘭處存在漏點，緊固后凝結水氫電導率和溶解氧濃度恢復至正常水平。

3.2 水冷凝汽器泄漏

凝結水氫電導率是反映凝汽器是否泄漏的一項重要指標，尤其對于蒸汽采用直流冷卻、敞開式循環水冷卻方式的機組，凝汽器泄漏會引起凝結水氫電導率明顯升高甚至超標，同時脫氣氫電導率會以相同趨勢隨之波動，與凝結水負壓系統漏入空氣有所不同。基于兩種情況的差異，借助脫氣氫電導率可區分兩種原因。

表1 某330 MW 機組凝結水水質數據

某600 MW 機組冷卻方式為敞開式循環冷卻，運行時凝結水在線氫電導率表的示值3 h 內由0.12 μS／cm 升高至0.51 μS／cm 左右，已超標，但給水、蒸汽合格。通過初步排查，確認在線氫電導率表準確，且無不合格疏水排至凝汽器。經檢測（如表2所示），凝結水溶解氧質量濃度不超標，但氫電導率和脫氣氫電導率均超標，且相差較明顯。根據以上數據可確定循環冷卻水漏入凝結水系統導致氫電導率升高；由于循環水中含有，故凝結水脫氣氫電導率稍低于氫電導率；漏入蒸汽側的循環水所含溶解氧在凝汽器真空負壓環境下被除去，故凝結水溶解氧濃度無明顯變化。對凝汽器投加鋸末堵漏后，凝結水水質恢復正常。之后，利用機組停機機會進行了查漏，發現多根凝汽器管存在腐蝕穿孔問題，證實了上述結論。

表2 某600 MW 機組凝結水水質數據

在排查凝結水水質異常期間，同時對給水、過熱蒸汽、凝結水進行了離子色譜分析，數據如表3 所示。由表3 可知，凝結水硬度和Na+質量濃度均超標，其常見陽離子（Na+、Ca2+、Mg2+）和腐蝕性陰離子（Cl-、的質量濃度均高于蒸汽，表明凝結水受到了其他水體污染，與脫氣氫電導率結論一致。相對于離子色譜分析，采用脫氣氫電導率診斷更加便捷。

表3 離子色譜分析結果

3.3 取樣管路不嚴密吸入空氣

某300 MW 汽包爐給水在線氫電導率表的示值在短期內升高至約0.28 μS／cm，且呈繼續上升趨勢，更換氫離子交換柱內的樹脂后無改善。經檢測（如表4 所示），給水手工取樣口水樣的氫電導率和溶解氧濃度均遠低于控制上限值，且脫氣氫電導率與氫電導率相近，說明實際給水水質正常；給水在線氫電導率表流通池入口水樣的氫電導率和溶解氧質量濃度均超標，但脫氣氫電導率合格，說明水樣中有CO2溶入。據此可推斷，氫電導率升高是由取樣管道不嚴密吸入空氣所致。經檢查發現，在線氫電導率表離子交換柱前的浮子流量計不嚴密，間斷性出現小氣泡，更換浮子流量計后，在線表的示值恢復正常。

表4 某300 MW 汽包爐給水水質數據

3.4 熱網加熱器泄漏

某供熱機組1、2 號熱網加熱器在供熱期投入運行10 天后，熱網疏水氫電導率約為0.54 μS／cm，超出GB／T 12145—2016 對回收至除氧器的熱網疏水的水質要求。經檢測（如表5 所示），熱網疏水的氫電導率、脫氣氫電導率均超標，二者差值較大，表明熱網加熱器存在泄漏，且可排除取樣管路不嚴密吸入空氣導致水質超標的可能。由于該機組回收到除氧器的熱網疏水僅占總給水量的15%～20%，所以暫未導致給水水質和蒸汽品質超標。通過交替關閉兩臺熱網加熱器的疏水取樣閥進行排查，確定1 號熱網加熱器存在泄漏，將該熱網加熱器退出運行后，經查漏、堵漏后，熱網疏水氫電導率降至0.122 μS／cm，恢復正常。

表5 某供熱機組熱網加熱器泄漏相關水質 μS／cm

3.5 發電機內冷水系統漏入CO2

目前火力發電機組的內冷水普遍采用堿性處理法，當內冷水系統有CO2漏入時會引起內冷水電導率升高、pH 偏低、小混床使用周期短等系列問題［11-12］。內冷水系統CO2一般有以下幾個來源：1）作為內冷水補水的除鹽水攜帶CO2，通常除鹽水箱密封效果差時，除鹽水中CO2濃度高會導致內冷水水質異常；2）內冷水系統泵和閥門有空氣漏入；3）內冷水箱未采取密封方式運行，直接與空氣接觸的部位也未加裝CO2呼吸器；4） 發電機H2置換過程中殘留在H2中的CO2隨H2漏入內冷水系統［13］，發電機正常運行時，會存在極少量H2微滲到內冷水中的正常情況［14］，但不會明顯影響內冷水水質，如果存在異常漏入，則對內冷水水質影響較大。

某660 MW 機組內冷水系統采用旁路離子交換加堿堿化處理方式，多次出現小混床失效、內冷水pH 突降情況，更換離子交換樹脂后，內冷水水質可滿足要求，但樹脂使用周期僅為3 個月，不到廠內相同機組的一半。采用脫氣氫電導率監測儀表和pH 表對內冷水系統各測點進行檢測，并根據計算模型計算CO2溶入量［15］，數據如表6 所示。發電機回水的氫電導率高于內冷水箱水（發電機進水），內冷水回水CO2濃度較進水高，說明內冷水在發電機內溶入了CO2氣體，應是H2進入內冷水系統攜帶CO2造成。此后檢修、查漏發現，內冷水進水母管波紋補償器波紋管與不銹鋼法蘭接口焊接處存在細小砂眼裂紋，CO2隨H2由此處漏入內冷水系統。補漏處理后運行11 個月未再出現pH 異常降低情況，小混床樹脂的使用周期也恢復正常。

表6 內冷水水質及CO2 濃度

4 結語

脫氣氫電導率可排除CO2因素對氫電導率的影響，可真實反映有害雜質陰離子含量的高低，其與氫電導率的差值可反映CO2溶入量或者HCO3-、CO32-含量的高低，進而反映設備運行狀況。通過脫氣氫電導率，有效地診斷了5 類水汽品質異常問題。由于水汽品質異常通常涉及多方面因素，在采用脫氣氫電導率分析時還需結合系統設備考慮以下3 個方面：在線化學儀表的準確性；水質異常期間與監測水樣相關的疏水或補水水質；相關設備運行參數的變化。對于水冷凝汽器泄漏問題的診斷，脫氣氫電導率比離子色譜能更加便捷地確認原因，有利于電廠更早地采取措施。建議火電廠凝結水系統加裝在線脫氣氫電導率表，可有效識別凝結水系統嚴密性差及凝汽器泄漏的故障。