電再生離子交換技術在氫電導率在線測量中的應用

顧振洋，李利民，何宇寧，孫繼輝，李承浩，董為虎，戴鑫，楊杰利

(1.國能(惠州)熱電有限責任公司，廣東 惠州 516000；2.浙江西熱利華智能傳感技術有限公司，浙江 海寧 314400；3.西安西熱水務環保有限公司，陜西 西安 710018)

0 引言

氫電導率是表征電廠水汽純度及陰離子總量的最關鍵指標，文獻[1]規定氫電導率是熱力設備防腐防垢的關鍵指標，該指標也是發電廠水汽控制指標中監測數量最多的，其測量結果的連續性和準確性對控制熱力系統腐蝕性雜質和防止熱力設備腐蝕起到重要作用。

一般電廠每臺機組都配有6～10臺氫電導率表，每臺氫電導率表都裝有一根陽離子交換樹脂(以下簡稱“陽樹脂”)柱，陽樹脂柱中的樹脂失效后需要人工再生后才能再次使用，陽樹脂再生時使用的鹽酸，對儀表維護人員的眼睛和呼吸道粘膜有強烈的刺激作用，廢棄的再生液和樹脂的排放會帶來一系列后續處理問題。另外，再生樹脂上一般有氯離子殘留，裝回交換柱后需要在線沖洗一段時間氫電導率表才能穩定測量，不利于連續監測氫電導率指標，給化學運行及監督帶來隱患[2-3]。

1 電再生離子交換技術介紹

1.1 氫電導率測量前處理技術比較

為提高氫電導率的測量準確性，對已有將陽離子轉化為氫離子的技術研發，國外曾制定了標準ASTM D6504《氫電導率的測量》，對氫電導率測量的陽離子交換柱內徑和高度、水樣流速、樹脂選用等測量條件進行詳細規定。部分電廠為了最大程度實現氫電導率連續測量，采用雙氫交換柱切換法，該方法系統較復雜，占用空間大，樹脂仍需定期更換或再生，再生后的樹脂需要長時間沖洗后才可使用。國內為了提高氫電導率的測量準確性也制定了氫電導率測定的電力標準，研制了在線化學儀表校驗裝置對氫電導率表進行在線校驗[4-5]；研制了樹脂動態再生裝置，解決靜態再生法下樹脂再生不徹底的問題[6]；研制了變色型陽樹脂以直觀表征樹脂是否失效，便于及時更換樹脂。但這些研究工作受傳統陽樹脂柱的設計所限，并沒有實質上解決氫電導率測量過程中需要再生或更換陽離子交換樹脂的問題，也未真正實現氫電導率連續在線測量。文獻[7]中提出可以利用電再生陽離子交換器替代傳統的陽樹脂交換柱用于氫電導率在線測量。這種新的氫電導率測量前處理技術相較于傳統技術有著明顯技術優勢，表1是氫電導率在線測量中各種前處理技術的性能比較。

表1 氫電導率在線測量各種前處理技術的比較

1.2 電再生離子交換技術原理

電再生離子交換技術是一種將離子交換技術、膜交換技術、離子電遷移技術結合起來的陽離子處理技術，通過對少量的特種離子交換樹脂進行持續再生，以替換傳統的離子交換樹脂柱。如圖1所示，當待檢測水樣流入電再生離子交換器后，陽離子在陽樹脂交換作用下交換成為氫離子，陽離子交換膜僅允許陽離子透過，電解產生的氫離子在電場作用下對陽離子交換樹脂進行再生，陽離子交換樹脂再生中產生的雜質離子隨電解后的水樣排出[8]；處理后的水樣進入電導池測量電導率，測量后的水樣可以再次循環通入電再生離子交換器并進行電解。陽極和陰極極板采用24 V直流供電，并帶有自動恒定電流功能，能為電解反應提供穩定的電流。根據此原理設計出的電再生離子交換器體積小，安裝簡單。

圖1 電再生離子交換技術原理

1.3 氫電導率測量流路

電再生離子交換器相較于傳統陽樹脂柱多了一路再生流路，如圖2所示。水樣通過電再生離子交換器處理后進入電導率電極，電導率電極測量氫電導率并將信號傳送給電導率變送器。測量后的水樣再回收用于電再生離子交換器再生，再生后的廢液集中排放。整個測量流程無需添加任何化學試劑，因此不產生任何酸堿廢液，并且設備內部的陽離子交換樹脂在電場作用下可始終保持氫型狀態，無需人工維護，真正實現了水樣氫電導率的連續監測。

圖2 采用電再生離子交換器的氫電導率 測量流路

2 電再生離子交換器實驗室性能試驗

2.1 電再生離子交換器實驗室性能試驗設備及材料

1)電導率儀表:配0.01級電極；

2)離子色譜儀:DIONEX-ICS-2000型；

3)超純水儀:制備電導率小于0.06 μS/cm的試驗用純水；

4)氨標準溶液:濃度100 mg/L母液；

5)氯化鈉標準溶液:濃度1 mg/L母液。

2.2 電再生離子交換器處理陽離子能力測試

為了檢驗電再生離子交換器的陽離子處理性能，在實驗室配制含氨的除鹽水模擬電廠水汽系統水樣，將水樣同時通過電再生離子交換器和陽樹脂柱，控制流量在150～200 mL/min。通過離子色譜分析比較儀表的陽離子處理能力，試驗數據見表2。

表2 電再生離子交換器處理陽離子能力實驗室試驗

從表2試驗數據可知，水樣中僅含有約2 mg/L的銨根離子，無其他陽離子，此時電再生離子交換器和樹脂柱出水中檢測的銨根離子分別為0.65 μg/L和0.86 μg/L，去除率分別為99.97%和99.96%。一般電廠水汽系統pH控制在9.6以內，此時對應的加氨量約2 mg/L。從試驗結果分析可知，電再生離子交換器能夠較好地處理水樣中的銨根離子，并且出水中也未檢測出其他陽離子，無溶出釋放其他陽離子的現象。

2.3 氫電導率表的整機工作性能測試

將電再生離子交換器安裝在一套已校準過的氫電導率表上組成1號氫電導率表，進一步檢驗氫電導率表的整機工作性能。另有一套已校準過的2號氫電導率表作為標準表用于對比試驗，試驗的流程如圖3所示。用基準氯化鈉配制0～200 μg/L的氯離子標準溶液(氯化鈉標準溶液在線加入純水系統配制)，控制進水流量為150～200 mL/min，水溫為23～27℃。待兩套儀表運行穩定后分別記錄兩套儀表的氫電導率數據進行比較，檢測兩套儀表的準確度。

圖3 氫電導率表整機工作性能測試

用水管連接取樣口，控制水樣流量在儀表要求范圍內，用標準電導率表和待測電導率表同時測量同一水樣氫電導率，計算得到被檢儀表示值誤差、相對誤差及整機工作誤差。

示值誤差計算式為:

相對誤差計算式為:

整機工作誤差計算式為:

式中，Δk為被檢表示值誤差，μS/cm；δX為被檢表相對誤差，%；δJ為整機工作誤差，%；kJ為被檢電導率表示值，μS/cm；kZ為標準電導率表示值，μS/cm；M為量程范圍內的最大值，μS/cm。M取值:被檢表計是氫電導率表時，M取1.0；氫電導率表示值大于1時，M取10.0[9]。

通過以上試驗方法測試兩套氫電導率表的試驗數據見表3。

表3 氫電導率表整機工作性能測試數據

由表3試驗數據可知，在0.059～2.070 μS/cm電導率測量范圍內，采用電再生離子交換器作為前處理的1號氫電導率表的示值誤差均在0.002 μS/cm以內，相對誤差小于2%，整機工作誤差不大于0.2%。整機工作性能試驗表明，使用電再生離子交換器的氫電導率表具有較好的整機工作性能。

3 電再生離子交換技術現場改造應用

3.1 氫電導率測量系統改造應用

傳統的在線氫電導率表在日常維護過程中需定期更換、再生、裝填樹脂，在這些工作過程中氫電導率測量數據是間斷的。如果采用靜態再生方法，即在桶內利用鹽酸浸泡樹脂再攪動樹脂再生，那么在更換樹脂后會給在線氫電導率表引入交換柱附加誤差，影響在線氫電導率表的準確性[10-15]。

某300 MW機組汽水取樣間在線氫電導率表一直采用傳統的陽樹脂柱進行前處理，陽樹脂采用靜態再生法再生，效果較差，樹脂失效較快。另外，每次更換再生樹脂均需要拆卸樹脂柱，樹脂柱和不銹鋼水管接口處已經嚴重磨損，每次換完樹脂后樹脂柱接口處經常微滲，影響氫電導率表的測量，且現場傳統的陽樹脂柱運行方式消耗大量人工。因此，按照最新的氫電導率測量標準更換電再生離子交換器，以解決現場氫電導率在線測量維護工作量大的問題。現場的設計改造方案如圖4所示。

圖4 某300 MW機組氫電導率在線測量改造方案

圖4中每一個氫電導率測點裝設一臺電再生離子交換器，原陽離子交換柱保留部分管道備用。水樣先通過過濾器過濾后經流量計調節流量，利用三通閥將水樣分為兩路流入電再生離子交換器，一路水樣經處理后流入電導率電極完成氫電導率測量；另外一路水樣用于電再生離子交換器的再生，整體進樣流量控制在150～200 mL/min范圍內。所有電再生離子交換器的控制電源引入配電柜，每臺電再生離子交換器可以實時顯示再生度等參數，運行維護人員定期檢查設備的工作狀態即可。

3.2 現場試驗數據分析

圖5是改造前20天省煤器入口和主蒸汽的氫電導率儀表在線監測數據，此時氫電導率使用的是傳統的陽樹脂柱前處理方式。

圖5 改造前氫電導率在線數據

從圖5數據可知，現場省煤器入口和主蒸汽的氫電導率儀表整體數據較平穩，其中省煤器入口測點在第3日和第8日進行了樹脂更換，主蒸汽測點在第17日進行了樹脂更換。樹脂更換期間會關閉流量計，此時氫電導率表沒有水樣傳輸給上位機的信號，因此為最小值，從歷史趨勢圖上看，這幾天的氫電導率表數值為測量中斷點。

圖6是改造后的20天省煤器入口和主蒸汽的氫電導率儀表在線監測數據，此時氫電導率表已改造為電再生離子交換器的前處理方式。

圖6 改造后氫電導率在線數據

從圖6數據可知，此時間段內現場省煤器入口和主蒸汽的氫電導率儀表整體數據較平穩，和圖5的數據比較，因為現場的電再生離子交換器一直保持工作狀態，無需更換樹脂，所以沒有儀表測量中斷的情況發生。

4 結語

目前部分機組的氫電導率表使用年限較長，盡管電導率電極的壽命很長，但氫電導率表的前處理裝置陽樹脂柱需要定期拆卸更換樹脂，長期拆卸樹脂柱導致的接口處漏氣和漏水都會影響日常的化學監督工作。在電廠的應用實踐表明，與傳統的氫電導率在線測量前處理方法相比，電再生離子交換器測量數據連續穩定可靠，設備運行期間無需更換或再生樹脂，減少了運維人員的工作量和廢樹脂處理量，并且該技術可適應目前機組頻繁啟動的情況，尤其對于停機和啟動頻繁的聯合循環機組非常適用。