汽包鍋爐爐水品質及自動化排污控制技術研究

＊李世強 袁振 吳中平 李海 劉曉娜 袁慧超

（山東海化能源有限公司熱力電力分公司 山東 261000）

科學技術的發展不僅僅影響著人類自身，同樣也影響著全球的氣候變化。就目前而言，全球每年排放出的溫室氣體約有510億噸，為避免氣候危機，低碳減排行動至關重要。2020年，國家提出雙碳政策，為中國經濟社會高質量發展提供方向的同時，也對化工行業的高能耗生產過程，提出了節能創新與變革的要求。鍋爐作為化工行業重要的供能設備，給環境帶來的影響無法被忽視，鍋爐節能技術的進一步提升和發展十分重要。

作為化工工藝中蒸汽產出的重要設備，鍋爐通過燃燒煤產生蒸汽以及熱量，為化工工藝提供熱源，用于必要的加熱過程，以及用于自備發電的設備發電。目前化工廠基本為汽包鍋爐，由于加入汽包的給水總是帶有一定的鹽分，鍋內進行加藥處理后，鍋水的結垢性物質轉變為水渣，此外鍋水腐蝕金屬也要產生一些腐蝕產物。因此，在鍋水中含有各種可溶性和不溶性的雜質，在鍋爐運行中，這些雜質部分會被蒸汽帶走，絕大部分留在鍋水中，隨著鍋水的不斷蒸發，這些雜質濃度逐漸增大。鍋爐爐水雜質濃度過高，不僅影響蒸汽品質，而且還可造成受熱面的結垢與腐蝕，影響鍋爐安全運行。為了控制鍋水品質，必須進行鍋爐排污，以排出部分被鹽質和水渣污染的鍋水，并以清給水進行補充[1]。鍋爐爐水需要對總含鹽量、二氧化硅、氯離子、磷酸根、pH值、電導率進行控制。研究表明，鍋爐水汽質量的好壞將影響到設備和裝置是否可以在長周期下安全運行[2]。實踐中，定期檢測水質可以有效反映鍋爐設備的健康情況[3]。但是，僅關注爐水的品質控制，容易造成排污過量的問題。從汽包排出的污水是熱力學的飽和水，經過管路系統和節流裝置時，部分介質會發生相變，形成了氣水混合物（即氣液兩相狀態）[4]。常規測量方法及設備（轉子流量計等），對于氣液兩相狀態的爐水難以準確地測量，因而鍋爐爐水排污長期依靠人工化驗與判斷，自動化程度低，導致排污量準確度不高。

為解決鍋爐排污測量不準確和連續性差的問題，本文首先通過使用化學成分在線測控模塊得出汽包鍋爐爐水品質的四個關鍵性指標，即二氧化硅（化學式SiO2）、磷酸根（化學式PO4，化合價-3）、電導率與酸堿值（pH值）；其次借助排污流量測量與控制模塊工具，并自動排污并測量出準確排污量，將爐水指標穩定在某一平穩值中。在DCS（Distributed Control System）分布式控制系統下控制指標，根據爐水溶解固形物的多少及酸堿度可以設定鍋爐的排污量，使其保證爐水質量，提高鍋爐運行的安全性以及經濟效益，降低成本，提升運行效率并減少排放量起到環保作用。本文的創新之處在于將水質和排污量數字化，便于日后鍋爐設備的管理維護。

1.研究方法

(1)改造前設備狀況

現場為240t/H循環流化床鍋爐，汽包壓為9.8MPa，溫度設定為320℃，連排為甲乙雙側排污。排污管在進入連排擴容器前合并為一根連排管進入連排擴容器，擴容器壓力為0.6MPa，連排水進入連排擴容器后進行閃蒸，閃蒸成蒸汽的部分通過連通除氧器管道進入除氧器，剩余沒有閃蒸的不合格爐水排放到定排擴容器。目前連排排放方式為化學化驗人員根據爐水化驗值情況通知運行人員調節連排調整門，爐水數值依靠人工化驗獲得，每班化驗兩次。該過程沒有對連排流量進行監測。基于目前鍋爐的運行狀況，如下幾個方面存在改造的必要性：

①爐水在線化學化驗儀表存在不穩定現象，全部依靠人工調整連排調整門，會產生連排調整不及時的問題。

②鍋爐連排流量無法準確測量，排污率為粗略估算值，數據不精確。

③鍋爐連排調整門的啟合無詳細數據支撐，無法精準開到合適大小，以致出現排污不足或者排污過量的問題。

(2)改造后設備情況

改造后增加的爐水品質控制系統，以爐水品質控制軟件為核心，以化學在線儀表及氣液兩相流量測量模塊為數據輸入端、根據爐水品質要求設定參數，自動控制連排閥門開度。主要分為化學在線測控模塊和排污流量測量與控制模塊兩部分。

①化學在線測控模塊

化學水在線儀表實時測量與采集二氧化硅、磷酸根、電導率、pH值信號，并發送至控制模塊；控制模塊采用約束條件下的人工智能模糊控制方法，根據排污控制算法，將二氧化硅作為主控量、磷酸根、pH值與電導率為約束控制變量，在保證爐水指標的前提下，自動調整閥門開度，最大限度減少污染排放；考慮到故障情況，若二氧化硅信號異常，電導率將作為主控量的替代，pH值和磷酸根作為約束控制變量；當本系統所有輸入信號異常，則自動轉為手動控制，并輸出故障信號給運行人員。

A.采用硅酸根和硅酸根分析儀，利用化學比色法將樣水中的硅酸根、磷酸根轉換成黃色或藍色絡合物，采用光度計測量其吸光度，自動消除色濁度干擾，實時準確測量爐水中兩者的含量。

B.當爐水濃縮后，其電導率會升高，通過電導率可以間接地表示出水中溶解鹽類的含量，其計算公式如下：

式中，Q為溶液的電導；A為測量電極的面積；σ為溶液的電導率；k為電極常數。

C.pH值與爐水中氫離子濃度有關，當氫離子影響到還原物活性或者氧化物活性的時候，會影響電極電勢，根據能斯特方程可反映爐水pH值的酸堿度，其計算公式如下：

式中，Ex為預測電勢；E0為標準電勢；R為氣體常量（8.314J/kmol）；T為絕對溫度（273+T·C）；F為法拉第常數；fx為活度系數；cx為濃度。

②排污流量測量與控制模塊

鍋爐排污是保證鍋爐正常安全運行的重要步驟之一，排污方式主要有分為連續排污和定期排污。連續排污的主要目的是讓部分溶解鹽通過蒸發排出，保證爐水的含鹽量以及堿度。定期排污是通過聯箱排出爐水中的不溶性水渣，排污時間是間斷性的，需要根據水汽質量具體設置排污間隔和排污量。

鍋爐排污流量測量系統包括專用節流閥、變送器和兩相流流量算法軟件。當被測介質（氣液兩相爐水）流經節流元件時，在節流元件前后產生壓差ΔP，該壓差通過變送器轉換成4～20mA DC標準電流信號，送至排污流量測量模塊，與此同時，差壓變送器高壓側收集來流壓力信號，鍋爐分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）收集汽包壓力信號，二者同時將這兩個信號送入排污流量測量模塊中，運用多相流測量原理計算被測介質的瞬時流量和累計流量[5]。

DCS系統又稱集散控制系統，在實現集中控制的同時，還可以實現分散控制，作為一種新型微機控制系統，DCS主要借助于計算機來實現，具有高可靠性、靈活性、協調性以及開放性的特點，是控制功能齊全的綜合型設備控制裝置，在熱電廠機中的應用效果良好[6]。DCS系統可以實現數據采集，模擬量控制以及順序控制，為鍋爐排污提供信息，實現實時監測，因此使用DCS系統可以大幅度提升排污準確度，起到保證爐水質量和降低環境污染的作用。

多相流指同時存在兩種或多種不同相的物質流動，兩相流一般分為氣液兩相、氣固兩相、液液兩相以及液固兩相，多存在于能源化工領域。兩相流應用過程中的主要參數有6類，分別為流型、分項含率、流量、速度、壓力降和密度。本實驗計算氣液兩相狀態下流量大小。

多相流測量流量公式如下：

其中，O表示流量；c為速度修正系數；ρ1為兩相流的平均密度；△P為形成的局部壓力差；S1為管道橫截面面積。

(3)設備布置

①化學自動化及控制模塊

汽包鍋爐爐水品質及自動化排污控制系統采用專用自適應爐水pH值表，爐水硅表、磷表、電導率表各一塊。安裝位置定于化水取樣間，從原手工取樣處取一分支進行化學儀表的在線取樣，并將信號送入控制柜。控制系統及軟件控制柜布置在化學取樣間，將調節門信號和流量信號一同送入DCS系統中，其他化學數據均在設備終端體現。

從低溫儀表架上端分支處取樣，保留原測量方式，新的取樣管路連接到新安裝的分析儀表，并將信號送入控制柜，控制系統和計算模塊布置在化水取樣間連排控制內部，經過核心軟件計算后的執行信號，將調節門信號和流量信號一同送入DCS系統中。

②連排流量排污模塊

排污介質流經標準孔板時會產生分離，并在其上游側沉積，因而原有的流量測量系統壓差信號失真，且不穩定，采用非標節流裝置解決了差壓信號測量的穩定性問題[4]。本系統布置的非標異型節流裝置安裝特點如下：首先，在鍋爐汽包下方、連續排污擴容器前的一段水平管道上安裝排污節流裝置，節流裝置安裝在排污調節閥后。其次，節流件前后直管段內壁光滑平整，無影響介質流動的粗焊等缺陷。最后，節流閥上標注的“介質流向”與水流方向一致。

來流壓力變送器與差壓變送器于節流裝置下方現場就近布置，進廠壓力變送器取壓管可與差壓變送器取壓管正壓側的三通管連接，一路與進廠壓力變送器連接，另一路與差壓變送器連接，信號送至連續排水控制柜。

汽包壓力信號來自DCS系統（4～20mA DC），整體系統流程圖如圖1所示。

圖1 整體系統流程

(4)數據采集與存儲

系統自動采集及存儲相關數據，爐水品質數據、連排流量瞬時量以及累計量數據，可為后續輸入數字化電廠管理系統提供數據平臺，可視化數據便于進一步對汽包鍋爐進行管理及維護，在降低損耗和保證環保的同時，提升行業的經濟效益。

(5)運行安全性評價

本系統在運行過程中不會對鍋爐系統產生影響，內置多重保護，當受控信號故障或遇到斷電情況時，系統將自動切換為手動控制狀態，并附有信號故障的提示。如果故障點沒有恢復，人工無法將其強制切換為自動控制，因此系統安全性很高，十分可靠。

2.結果與分析

本系統通過在線儀表實現實時監測鍋爐爐水的電導率、pH值、二氧化硅以及磷酸根，監測到的數據引入至控制系統，其系統具有歷史數據追憶功能，可對以往時間進行記錄數據，改進后的鍋爐排污流量監測到的數據如圖2所示。

圖2 實時趨勢圖

從上圖可以看出，彩色曲線為監測到的數據，通過曲線的持續變換顯示數值與不同趨勢，表明該工藝可在現場對工藝參數進行檢查和故障分析。

改進后的流量排污模塊測量瞬時流量、累計流量和排污調整門的控制狀態，情況如圖3所示。

從圖3可以看出，通過流量排污模塊可實時觀測瞬時流量和累計流量值，顯示閥門控制狀態，解決了對爐水排污量不準確的問題。

圖3 每月排污量統計

改進后的排污流量測量與控制模塊測量的流量情況如表1所示。

表1 每月排污量統計

本項目經濟效益分兩項計算，一部分為節能量，一部分為節水量。

減少熱量損失的效益公式如下：

其中，C為擴容系數（取值0.6）；G為降低的排污量（取值4.5t/h）；hq為汽包內飽和水焓值（額定工況下，汽包壓力為9.8MPa，汽包水溫316℃）；hgs為補給水焓值（取值125.8kJ/kg）；n為年利用小時（7200h）；q為標準煤低熱值（29300kJ/kg）；Q為年減少的熱量損失；XB為減少熱量損失帶來的經濟效益；JB為標準煤的價格（取1099元/t）；B為年減少的熱量損失折合為標準煤量，t。

減少排污節省除鹽水的效益計算公式如下：

其中，XD為減少水量損失后帶來的經濟效益；JW為化學除鹽軟水的價格（11.04元/t）。

一臺鍋爐改造后的經濟效益計算公式如下：

其中，Xm為鍋爐改造后的經濟效益。

從上表可以看出，240t/h鍋爐實施爐水測控技術改造后，實現了爐水水質的在線分析，爐水連排系統投用前排污率約為2.5%，改造后汽包連續排污率平均下降至0.5%，根據減少熱量損失效益計算公式得出，減少排污量B=823.78t/年，減少水量帶來的經濟效益XD=22.16萬元，表明該技術可以控制排污量，降低成本，從而提高整體經濟效益。

3.結論

本系統運用爐水品質關聯曲線，采用主控下的約束控制方法，有依據地控制連排調整門，精準控制連排量，對爐水進行及時控制，可有效實現汽包鍋爐循環水品質自動化測量、控制目標，保證設備運行安全；采用自適應化學儀表，實現了溫度補償、壓力補償、流量補償功能，給連排控制系統提供了可靠穩定且準確的數據，并且提供了爐水品質參數及排放參數。

研究結果證明，鍋爐排污量每增加1%，循環水損失1%。同時，鍋爐排污每增加1%，將導致鍋爐燃料消耗增加0.12%～0.18%。系統解決了“氣液兩相狀態下”，鍋爐爐水測量不精準的問題，實現鍋爐爐水自動化適量排放，實現節能節水目標；系統內置多重保護措施，在信號故障或斷電情況時，系統將自動切換為手動狀態，并將信號故障信息顯示，提醒系統問題，在保證安全性的前提下達到環保作用。

本文的不足之處在于只解決了汽包鍋爐連續排污的自動化測量與控制部分，針對鍋爐定期排污，由于測量難度的問題，未能提出有效解決方案，依然需要人工操作。但相對連續排污而言，定期排污量一般較小，可留待后續解決。