电厂化学分析综合试验装置研究

林琳 张婷

摘 要：本文首先介绍虚拟仪器技术及其在试验仿真方面的发展概况，然后论述了pH计的测定原理、pNa的测定原理、硅和磷离子的测定原理、浊度的测定原理和电导率的测定原理。其间根据各测量要求选择相应的传感器，对由传感器输出的信号进行转换，并通过LabVIEW对所测數据进行处理。本研究包含了基于虚拟仪器平台的实现方法。本文设计的电厂化学水质参数测量系统结构简单，方便操作，对试验环境没有特殊要求。

关键词：虚拟仪器;电厂化学试验;综合分析装置

中图分类号：TQ534;TM621 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）32-0124-03

Abstract： This paper first introduced the virtual instrument technology and its development in experimental simulation， and then discussed the measurement principle of pH meter， the measurement principle of pNa， the measurement principle of silicon and phosphorus ions， the measurement principle of turbidity and the measurement principle of conductivity. In the meantime， the corresponding sensor was selected according to the measurement requirements， the signal output by the sensor was converted， and the measured data was processed through LabVIEW. This research included implementation methods based on virtual instrument platform. The power plant chemical water quality parameter measurement system designed in this paper was simple in structure， easy to operate， and had no special requirements for the test environment.

Keywords： virtual instrument;power plant chemical test;comprehensive analysis device

20世纪60年代以来，电厂化学分析手段不断发生变化，新的分析技术和新型分析仪器被引入现代化电厂生产的化学监督工作中，使之发生耳目一新的变化。电厂化学仪表主要应用在水处理系统，而现场参数采集的准确性是水处理过程中最重要的环节，因此本文研究了电厂化学分析综合试验装置，特别是数据采集系统。

1 国内外现状

当前，大型机组的水汽循环系统都设有化学监控的采样点，各采样点要检测的化学参数不一样，因此不同采样点需要设置不同的采样仪表。比如，在高压加热器疏水出口，为监测加热器是否被腐蚀，要测定化学水样的浊度;在发电机冷却水入口，为监测水质污染，要测定化学水样的电导率。在循环冷却水入口，为监控硫酸或盐酸的添加量，需要测定水样的pH等。

目前，电厂的化学分析仪器系统分散，操作复杂，客观条件要求高，不利于提高工作效率。最常见的分立式化学分析仪器有电导仪、pH计、浊度仪、pNa计、温度计和压力计等。在水蒸气循环系统中，化学监测仪表负责监测水蒸气质量、化学添加剂用量、污染源、设备运行状况和腐蚀速率等，并对给水、凝结水、炉水、蒸汽进行监测。冷却水的水质必须保持良好，防止结垢和盐的形成，减缓系统中金属部件的腐蚀，使得系统安全运行，延长热力设备的检修周期和使用寿命。

2 分析方向

针对电厂化学分析仪器系统分散、操作复杂的现状，本文设计了电厂化学分析综合试验装置，其可完成pH、pNa、浊度、电导率以及硅和磷离子含量等多个水质参数的综合测量。其间需要解决的主要问题如下：电厂化学分析综合试验装置的总体设计;pH、pNa、浊度、电导率等参数测量装置的传感器选择及转换电路设计;pH、pNa、浊度、电导率等参数测量程序的编制。其中，程序设计部分采用的开发平台是由美国NI公司的LabVIEW软件，采用图形化的编程方式完成测量程序的编制[1]。

3 虚拟仪器——LabVIEW语言

目前有两类虚拟仪器软件开发工具。一是文本编辑语言，如Visual C++，Visual Basic，LabWindows/CVI。二是图形编辑语言，如LabVIEW、HPVEE。本文采用LabVIEW作为软件开发平台。LabVIEW程序也被称为虚拟仪器程序，简称VI。LabVIEW采用基于流程图的图形化编程方式，因此也被称为G语言。LabVIEW语言的基本特点如下。

3.1 图形仪器编程环境

LabVIEW使用“所见即所得”的G语言可视化技术，允许用户针对测量、监控、远程数据传输等不同领域和行业构建具有个性特点的人机界面。

3.2 丰富的函数库

LabVIEW提供了大量的函数供用户使用，如底层数据采集模块的控制/驱动子程序，设备驱动子程序，用于数值计算、数据分析和处理的数学函数库以及用于网络通信和信息数据传输的数据库。

3.3 灵活的程序调试方法

用户可以通过设置断点、单步执行等方法调试源代码程序。

3.4 开放式开发平台

LabVIEW具有强大的外部接口能力，可以实现与外部应用软件、C语言、Windows API、MATLAB和HiQ等编程语言的通信。LabVIEW提供的外部接口包括DDE、CIN、DLL、MATLAB脚本和HiQ脚本等。

3.5 强大的网络通信功能

LabVIEW支持TCP/IP协议、UDP协议等，此外，LabVIEW还开发了DataSocket技术，大大简化甚至消除了网络通信编程。利用该技术，用户可以方便地在Internet上实现高速实时数据交换。此外，LabVIEW还具有远程面板访问技术，用户可以直接控制互联网远程服务器上的VI面板。

4 电厂水质分析参数测量原理

4.1 pH的测量原理

pH電极测量实际上是测量一个自发电池的平衡电动势[E][2-3]。将锌片插入ZnSO4溶液中，将铜片插入CuSO4溶液中，用biskue将两种溶液分开，使两种溶液不混溶，但离子可以迁移。用两根导线分别连接铜片和锌片，另一端连接到电流表的两个端子上，如图1所示。从电流计指针的偏转方向可以看出，电流从铜电极流向锌电极。同时，锌片继续向溶液中溶解并转变为Zn2+，溶液中的Cu2+继续变成铜并沉淀在铜电极上。有关化学反应如下：

这种装置把化学能转换成电能。具有此功能的设备被称为原电池。该装置是一种原电池，被称为铜锌电池或丹尼尔电池。原电池由两个电极和连接两个电极的电解质溶液组成。当外部电路未连接时，两个电极之间的电位差等于原电池的电动势。正是因为这种电动势的存在，当外部电路连接时，电流在内部和外部电路中流动。

一个原电池是由两个半电池组成的。由于两电极的电极电位不同，原电池就有电动势产生。例如，在铜锌电池中，锌和锌盐溶液组成一个半电池，铜和铜盐溶液组成另一个半电池，由于铜极电位高于锌极电位，就形成电动势，且铜电极为正极，锌电极为负极。原电池可以用符号来表示，习惯上负极写在左边，正极写在右边，即Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu。其中，符号“|”表示固相和液相之间的接界，“‖”表示溶液之间用盐桥隔开。

如果将某金属放入该金属的盐溶液中，在金属离子的浓度为1 mol/L且温度为250 ℃的条件下，由金属电极和标准氢电极组成的原电池的电动势被称为金属电极的标准电极电位。显然，它只与金属类型有关，而常见的金属电极电位可以在相关资料中找到[4-5]。人们可以用能斯特方程描述了标准状态下电极电位与溶液中离子活度和温度的关系，若电极反应为式（3），则电极电位由能斯特方程表示，如式（4）所示。

4.2 pNa测量原理

当钠离子选择性电极（pNa电极）与甘汞参比电极同时浸入水溶液后，即组成测量电池。其中，pNa电极的电极电位随溶液中的钠离子浓度的变化而变化，用一台高输入阻抗的毫伏计测量可获得同水溶液中的钠离子浓度相对应的电极电位，以pNa值表示：

5 结论

本文首先论述了虚拟仪器技术及其在试验仿真方面的发展概况，特别是基于虚拟仪器平台的实现方法，然后分析了pH计、pNa、硅和磷离子、浊度和电导率的测定原理。其间根据各测量要求选择相应的传感器，对传感器输出的信号进行转换，并通过LabVIEW对所测数据进行处理。研究表明，本文设计的电厂化学水质参数测量系统具有结构简单、操作方便等优势，对试验环境没有特殊要求。

参考文献：

[1]罗光坤，杨昊，黄惟公.基于LabVIEW与单片机串口的数据采集系统[M].北京：清华大学出版社，2002：20-21.

[2]宋学平，王杰，赵武.火力发电厂化水监测系统的研究与开发计算机测量与控制[J].火力发电厂水处理，2002（1）：5-6.

[3]吴永生，方可人.热工测量及仪表[M].北京：中国电力出版社，1981：46-48.

[4]程万里.化工仪表及自动化实验讲义[Z].2009.

[5]承慰才，王中甲，孙墨杰，等.电厂化学仪表[M].北京：中国电力出版社，1998：75-78.