一种氢电导率测量新技术的研究及应用

王彩霞 1，王振宇 1，朱亚飞 1，董静梅 1，钟 杰 *，刘 玮 ，张龙明

（1.华能平凉发电有限责任公司，甘肃 平凉 744000；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

0 引言

氢电导率是水汽系统腐蚀监控最关键的控制指标之一，反映了水汽中腐蚀性阴离子的总量，对水汽系统中杂质阴离子进行连续监测，保证了发电机组安全经济运行，达到间接监测水汽系统热力设备腐蚀情况的目的［1-14］。《GB/T 12145-2016火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》对各水样的氢电导率有严格的规定，一旦氢电导率超标，热力系统发生腐蚀的风险极高，影响机组的安全运行［15-21］。

目前，电厂测量水汽氢电导率都是在常规电导率表前加装一种阳离子交换树脂柱，但传统阳离子交换柱需定期更换、再生树脂，树脂更换较为频繁，影响氢电导率连续在线监测。此外，还存在以下问题［22-24］。

1）更换树脂或停机后启机，需要长时间对离子交换树脂进行冲洗，影响氢电导率的正常测量。

2）部分电厂氢电导率测量中使用非变色阳离子交换树脂，主要通过监测氢电导率值是否超过控制值作为更换阳离子交换树脂的标准，当氢电导率值超出控制指标时，即认为阳离子交换树脂失效，更换再生好的树脂。但这种判断方式存在以下问题：氢电导率升高不仅由树脂失效引起，水质恶化也会造成氢电导率升高，当水汽品质恶化时，氢电导率测量值会升高，超出控制指标，工作人员将此作为树脂失效的判断依据而更换、再生树脂，再生后的树脂由于有再生酸液的残存，短时间内冲洗不干净，导致氢电导率偏高，不能反映水质真实情况，对化学监督和控制造成不利影响。

3）目前，我国大部分电厂采用5%盐酸溶液静态浸泡法对阳离子交换树脂进行再生，但由于存在离子交换平衡，再生后阳离子交换树脂不可能为100%氢型，而是氢型和铵型（或其他阳离子型）的混合型态。因此，盐酸静态浸泡再生方式最大的缺陷就是树脂再生不彻底，造成氢电导率测量结果偏低，导致水汽品质异常时不能被及时发现。

4）该方式还存在运维工作量大、运行成本高、再生废酸排放等问题。

受以上因素干扰，氢电导率测量中会出现误差，不能反映真实水汽品质状况，对化学监督人员造成误导，严重时导致电厂发生重大腐蚀事故［25-28］。

基于氢电导率测量中存在的问题，本文提出了一种氢电导率测量新技术，无需更换或再生树脂，实现了氢电导率的快速、准确、连续测量，对推动电站化学监督技术的提升及综合防治水汽系统设备腐蚀具有重要意义。

1 氢电导率测量新技术

1.1 技术原理

本技术核心在于利用电再生阳离子交换装置替换传统用阳离子交换柱对氢电导率进行测量，该装置主要采用电再生技术实现对阳离子交换树脂的实时动态再生，技术原理如图1所示。当水样通过电再生阳离子交换装置后，水样中阳离子与特种树脂进行离子交换变为氢离子，处理后水样进入电导池对氢电导率进行测量；同时，在电极两端提供一定电压，利用电解水产生的氢离子对其中极少量的特种树脂进行实时动态再生，使其中的树脂始终保持氢型状态，无需更换再生树脂［29］。该装置可在不同测试水流条件下常压运行，能够直接替换电厂测量氢电导率的常规离子交换柱，实现氢电导率的连续在线测量。

图1 电再生技术原理Fig.1 Schematic diagram of the electric regeneration technology

目前电再生技术主要应用于制水系统，因电再生装置的操作压力很高，在分析仪器领域并未发现电站使用电再生式氢电导率测定仪等相关技术，因此，将电再生技术应用于氢电导率测量是国内外一个新的发展方向。

1.2 采用电再生阳离子交换装置的氢电导率测量系统

电再生阳离子交换装置可直接替换传统阳离子交换柱，使用现场电导率电极和变送器实现对氢电导率测量，具体测量系统见图2所示。采用该测量系统测量氢电导率，无需更换和再生树脂，可实现真正意义的水汽系统氢电导率的连续测量。

图2 采用电再生阳离子交换装置的氢电导率测量系统Fig.2 Flow chart of the intelligent cation conductivity measurement system

2 测量准确性试验

2.1 阳离子去除率研究

用优级纯氨水配制不同浓度的氨水溶液，通过电再生阳离子交换装置，采用离子色谱仪对电再生阳离子交换装置进水及出水中的NH4+浓度进行测量，测试该装置对阳离子的去除效果，试验结果见表1。由表1试验结果可知，在一般发电厂水汽中氨水浓度小于5 000μg/L情况下，流速在10～100 mL/min范围内变化时，电再生阳离子交换装置出水NH4+浓度均小于1μg/L，不同流速试验条件下电再生阳离子交换装置对NH4+的去除率均能达到99%以上，满足电厂水汽氢电导率的测量要求。

表1 电再生装置对NH4+的去除效果Table 1 The removal effect of NH4+by electric regeneration device

2.2 与标准表测量结果比对试验

根据图3所示试验流程图，用优级纯氨水配制不同浓度的氨水溶液，分别通过电再生阳离子交换装置和试验电导率表、标准氢离子交换树脂柱和标准电导率表测量同一水样的氢电导率值，通过比较试验电导率表和标准电导率表的测量值，测试电再生氢电导率测量技术的准确性。试验过程中进入标准电导率表的流量保持300 mL/min，调整试验电导率表流量，测试流量对测量结果的影响，试验结果见表2。

图3 测量准确性试验流程图Fig.3 Flow chart of measurement accuracy test

表2 测量准确性试验结果Table 2 Test results of measurement accuracy

由表2试验结果可知，试验流量为10 mL/min时，试验表的氢电导率值都没有达到理论纯水电导率值，流量提高到50 mL/min时，试验表的氢电导率值可达到理论纯水电导率值。根据现场实际情况，控制电再生离子交换装置流量为100 mL/min，此时试验表和标准表电导率值基本吻合，满足《DL/T 677-2018发电厂在线化学仪表检验规程》中整机工作误差小于±10%的要求，采用电再生氢电导率测量技术可满足发电厂氢电导率测量要求。

3 电厂工业应用

甘肃某电厂1号、2号机组为300 MW燃煤发电机组，水汽取样间和精处理系统原采用传统氢电导率测量系统对氢电导率进行测量，该测量系统在使用过程中需对树脂进行定期更换或再生，容易引发许多测量干扰问题，导致氢电导率无法测量准确，并给现场运行人员增加维护工作量。本次工业应用试验将电再生氢电导率测量技术应用于该电厂水汽系统氢电导率测量中，将传统阳离子交换树脂柱更换为电再生阳离子交换装置，并对电再生阳离子交换装置测量稳定时间、电再生阳离子交换装置对阳离子的去除效果以及电再生阳离子交换装置的稳定运行状况进行研究，通过相关试验研究，验证电再生氢电导率技术在现场应用的可行性。

3.1 测量稳定时间试验研究

将1号、2号机组省煤器入口、过热蒸汽和精处理混床出口母管6台氢电导率表的传统阳离子交换树脂柱更换为电再生阳离子交换装置，记录氢电导率表测量值达到稳定阶段所用时间；同时将饱和蒸汽氢电导率表的阳离子交换树脂柱更换新的阳离子交换树脂，记录氢电导率表测量值达到稳定阶段所用时间，与采用电再生离子交换装置的氢电导率表测量稳定时间进行比对，结果见图4、图5。

图4 1号机组氢电导率表监测数据Fig.4 Cation conductivity instrument monitoring data of No.1 unit

图5 2号机组氢电导率表监测数据Fig.5 Cation conductivity instrument monitoring data of No.2 unit

根据试验结果，更换阳离子交换柱后，应用普通阳离子交换柱（饱和蒸汽）的氢电导率表测量值达到稳定阶段所用时间约为60 min，而应用电再生阳离子交换装置的氢电导率表测量值达到稳定测量值仅需要约10 min左右，大大缩短了稳定时间。

3.2 阳离子去除效果试验

取电再生阳离子交换装置的进出水水样，通过离子色谱对水样中阳离子含量进行检测，计算对阳离子的去除率，试验结果见表3。由于水汽系统中阳离子主要为NH4+，其他阳离子含量非常低，因此通过NH4+去除率来表示电再生阳离子交换装置对阳离子的去除效果。根据试验结果可知，装置对水中NH4+等阳离子去除率均可达到99%以上，满足测试要求。

表3 电再生阳离子交换装置对NH4+去除率Table 3 The removal effect of NH4+by electric regeneration device

3.3 稳定运行状况

对更换为电再生阳离子交换装置的氢电导率表测量数据进行监测，同时以标准表与在线氢电导率表测量数据进行比对，观察电再生阳离子交换装置的稳定运行状况，判断在线氢电导率表测量准确性和稳定性，监测数据见图6～图9。

图6 1号机组在线氢电导率表监测数据Fig.6 On-line cation conductivity instrument monitoring data of No.1 unit

图7 1号机组标准氢电导率表监测数据Fig.7 Standard cation conductivity instrument monitoring data of No.1 unit

图8 2号机组在线氢电导率表监测数据Fig.8 On-line cation conductivity instrument monitoring data of No.2 unit

图9 2号机组标准氢电导率表监测数据Fig.9 Standard cation conductivity instrument monitoring data of No.2 unit

试验结果表明，除1号机组凝结水泵出口和2号机组凝结水泵出口氢电导率变化波动较大，其他6台氢电导率表测量值均比较稳定，且与标准氢电导率表测量数据基本吻合。试验期间1号机组和2号机组凝结水泵出口氢电导率变化波动较大，但在线氢电导率表的测量值与标准氢电导率表的测量值基本一致，表明氢电导率表测量准确，而氢电导率波动较大的原因为凝结水泵出口水质异常变化，这也充分说明采用再生阳离子交换装置的在线氢电导率表可准确反映水质的变化情况，而且试验期间连续电再生阳离子交换装置一直保持稳定运行状态，测量数据连续、稳定、可靠。

4 结语

本文针对目前氢电导率测量中存在的问题，提出了一种氢电导率测量新技术，本技术核心在于利用电再生阳离子交换装置替换传统氢电导率测量用阳离子交换柱实现对氢电导率测量，该装置主要采用电再生技术实现对阳离子交换树脂的实时动态再生，测量过程中无需更换树脂、无需化学试剂再生，实现真正意义水汽系统氢电导率的连续测量。

将该技术应用于电厂，在氢电导率测量中不需要再生或更换树脂，在机组启动、负荷变化较大的情况下，能准确快速达到稳定测量值，实现了氢电导率的快速、准确、连续测量。该技术可满足生产需要，稳定性和准确性优于传统方法，对提高氢电导率测量准确性以及提高水汽化学监督与控制可靠性具有重要意义。