发电厂在线溶解氢监测设备的研究与应用

于洪涛 刘 忠

（1. 浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江 宁波 315722；2. 北京蕊奥博科技开发有限任公司，北京 100095）

0 引言

随着高参数大容量火力发电机组的不断投入运行，发电厂锅炉“四管”（省煤器、水冷壁、过热器、再热器）长期在高温、高压、腐蚀、磨损等特殊工作环境中运行，“四管”腐蚀泄漏事故在电力生产安全事故中占相当比例。据资料统计，近20年我国共记录了40533次发电厂锅炉“四管”腐蚀泄漏事故。其中，40%发生在水冷壁管，30%发生在过热器，15%发生在再热器，10%发生在省煤器，5%发生在旋风燃烧器。80%的事故造成了发电机组非计划停机，给发电厂运行经济性和安全性带来极大隐患，成为发电厂增加经济效益最关键的障碍。

目前常见的水汽系统监督手段主要是通过在线仪表的数据和定期测定水汽中腐蚀性离子和铁离子浓度的方法进行运行中监督，再结合大小修的垢量分析进行金属设备高温氧化或腐蚀的事后评价。但设备管道腐蚀产物的氧化物绝大部分沉积在金属表面，较少量腐蚀产物溶解在水汽中，因此上述方法不能连读表征腐蚀的进展情况，且实验室手工化验数据的间断性，未做到实时监督。目前全行业化学监督的调查研究显示存在水汽质量合格率高和沉积率（垢量）高的“两高”矛盾。

设备金属表面具有优越的耐腐蚀性能是由于其表面致密氧化膜的生成，良好地隔绝了铁与水的反应。当保护膜遭到腐蚀被破坏时，铁与水在高温条件下发生反应生成铁的氧化物与氢气，氧化物沉积在管道表面，而氢气溶于水汽中，直接导致水汽中的溶解氢含量增加。因此，通过水汽系统溶解氢含量的在线连续监测，可评价设备的腐蚀程度。

1 研究背景及意义

在高温环境下，水蒸汽管道表面水分子与金属元素发生反应，生成铁氧化物的过程，称为蒸汽氧化。反应式如下：3Fe+4H2O（g）→Fe3O4+4H2

从上述反应式可看出，金属表面形成了Fe3O4后，阻挡了Fe和水汽的接触，反应速度就取决于氢和铁离子的扩散速度，随着Fe3O4膜的增厚，扩散速度便随着降低，氢的析出量就随着降低。因此可根据氢的析出量变化，间接地检测Fe3O4膜的形成情况。本项目研制的在线溶解氢表可应用于发电厂热力系统的腐蚀监测，其通过监测饱和蒸汽、过热蒸汽中的微量溶解氢含量及变化趋势，实时监控热力系统的腐蚀状况。

2 研究的现状

热力系统溶解氢含量的监测技术在国外已有应用，尤其在大容量机组上的应用比较广泛，对于保障大容量机组的安全稳定运行起到了关键作用。目前，国内火力发电厂水汽系统应用的溶解氢分析仪大多为进口产品（如哈希3655，瑞士），其测量都采用膜电极法。膜电极法受氧气的干扰较大，主要原因是膜对氧气也较敏感，且膜电极法测量仪表的校验过程也比较复杂，需采用标准气体进行离线校验，这种离线的校验方法应用于微量氢的在线测量时，误差较大。因此这种类型的溶解氢表准确性不高，难以满足高参数大容量机组对蒸汽中微量溶解氢在线监测的要求。

热导式分析仪器是一种结构简单、性能稳定、价格低廉、技术上较为成熟的仪器，可用于氢气气体浓度的在线测量上（如火力发电厂给水、汽水分离器、过热蒸汽、再热蒸汽中溶解氢含量的测量）。本项目基于热导测量原理，开发研制了溶解氢含量在线监测装置，它可以把这些样水中的氢从水中分离出来，并进行在线监测，以达到检测发电厂汽水系统腐蚀的目的。

3 研究的主要内容

本项目依据气相色谱分析仪检测器的热导测量原理，设计研制了电厂水汽系统微量溶解氢在线脱气及分析检测系统，并在国内某电厂进行了溶解氢检测仪表的应用。

测量原理如下：当被测气体以恒定的流速流入分析仪器时，热导池内的铂金丝的阻值会因被测氢气浓度的变化而变化，运用惠斯顿电桥将阻值信号转换成电信号，通过电路处理将信号放大、温度补偿、线性化、使其转换为氢气浓度。

3.1 溶解氢在线监测系统设计

图1所示为本项目设计的在线溶解氢测量系统流程图，整个测量系统由水样恒压稳流单元、法拉第电解和水样恒温单元、调零单元、分离器单元、检测单元、数据处理和显示单元组成。

图1 在线溶解氢测量系统流程图

3.1.1 水样恒压稳流单元

水样恒压稳流单元包括水样恒压、稳流、流量调节等部分，不同测点的样水 ，经取样架恒温25℃处理后，从进样口（1）进样，流经三通阀（2）进入流路，一路去流量计（4），另一路去恒压槽（3），去恒压槽的水样利用恒压槽出水管封头重力来恒定水压，完成系统稳流作用，稳压可以使样水进水压力变化时，样水流量基本保持不变，从而达到稳定样水流量的目的。由于对样水进行了恒压处理，电子流量计（4）调节阀可以精细调整至仪器所需的流量。

3.1.2 法拉第电解和水样恒温单元

法拉第电解和水样恒温单元由法拉第电解池和恒温水套组成，稳流后的水样经过电子流量计（4）流经法拉第电解池（5），进入恒温水套（12）。

当仪表需要量程校准时，开启法拉第电解池，电解池电解出氢气的浓度计算公式如下：

µg/L(氢) =法拉第电解常数/样水流量×电解电流

例：氢气的法拉第电解常数为630，当水样流量为210mL/min时，电解电流为2mA。

其计算方法为：

3.1.3 热导测量系统

热导测量系统由测量侧和参比侧两部分组成，其由以下部件组成:

热导池、玻璃钟罩、运行文丘利管、分离钟罩、仪表调零阀、调零文丘利管、密封流通池、饱和湿空气蕊、饱和湿空气蕊储水瓶、热导池连通管、空气连通管平衡滤芯等组成。图2为其组成示意图。

图2 热导测量系统图

测量侧热导系统测量流程如下：被测水样在恒温水套内循环后，进入运行文丘里管，此时水样中的溶解氢则通过运行文丘利管析出，进入分离钟罩和测量侧热导池，并由热导元件对其进行测量。参比侧热导系统组成部件包括：零点校正阀、空气饱和器、饱和湿空气蕊、饱和湿空气蕊储水瓶、热导池连通管、空气连通管平衡滤芯、参比侧热导元件。

参比侧热导系统部件虽然不多，但它的作用却很大，它不仅要为热导池的参比侧提供稳定湿度的空气（参比气），还要为运行侧提供微量的可调整的载气，载气量的调整不能大也不能小，载气量大了仪器的灵敏度会降低，载气量小了灵敏度提高了，而仪器的调零时间又会很长，所以载气量的调整既要兼顾仪器的灵敏度又要兼顾仪器的调零时间。

饱和湿空气蕊储水瓶为饱和湿空气蕊提供了源源不断的水份，由于测量侧热导元件工作在微负压状态，通过热导池连通管、空气连通管和平衡蕊，使空气在穿过饱和湿空气蕊时，进行了充分地加湿，把空气变成了饱和湿度下的空气，为测量池及参比池提供恒定湿度的载气。

3.2 在线溶解氢测量装置运行调试

对仪器各部分进行分步研发后，开始进行仪器的整体安装调试，仪器安装调试包括

以下试验内容：

（1）通水试验：通过通水试验可以鉴定一下仪器整体工作的状况，各个部件位置安装的合理性，以及进行部件的合理调整，从而使仪器达到最佳的运行状态；

（2）流速稳定试实验：在流速稳定不变的情况下，进行长时间的运行考核，观察仪器的稳定性，找出最佳的运行值；

（3）法拉第电解试验：法拉第电解池是仪器的关键，它为仪器产生已知溶解氢浓度的标准水样，它是仪器的标准及建立，并在任何情况下输出一稳定的溶解氢浓度校验值，对仪表进行运行标定；

（4）仪器的整体标定：仪器的整体标定很重要，通过对仪器的标定，制定一套简便可行的标定程序，并提供给使用者使用。使经校验后的仪器达到统一标准，达到仪器部件的互换使用时，都在误差范围内。

3.3 溶解氢在线检测系统应用研究

本项目研制的溶解氢在线检测系统已成功应用于国内某电厂600WM机组水汽系统溶解氢的在线检测上，测量数据真实地反映了机组运行期间的腐蚀状态。表1为国内某电厂3号机组溶解氢仪表运行记录。

表1 某电厂#3机组溶解氢仪表运行记录

表1为国内某电厂600MW机组水汽系统主蒸汽与过热蒸汽安装溶解氢监测仪表后运行记录数据，自2021年5月仪表调试成功投运后测量主蒸汽溶解氢（准确值）最小值1.255µg/L，主蒸汽溶解氢（准确值）最大值2.623µg/L，汽水分离器溶解氢（准确值）最小值1.504µg/L，汽水分离器溶解氢（准确值）最大值2.549µg/L，表2为新增再热器出口溶解氢监测设备之后的运行记录数据，经过一段时间的设备运行，运行人员依据水中溶解氢的数据进行加氨和加氧操作，主蒸汽溶解氢（准确值）最小值已下降至0.689µg/L，分离器汽溶解氢（准确值）最小值0.132µg/L，同时给水加氧量也降低，给水氧与过热氧的差值也降低到10µg/L左右。以上数据表明，过热器腐蚀得到有效抑制，氧化皮的生成速率大大降低，过热器得到有效保护。

表2 某电厂#3机组溶解氢仪表运行记录

图3是三号机2022年2月9日～2月12日的历史曲线，从图中可以看到通过不断的工况调整与参数优化，汽水分离器溶解氢含量维持在0.2～0.5之间，过热蒸汽中的溶解氢含量维持在0.06～0.56之间，与机组负荷变化正相关，说明溶解氢监测仪测量精度和稳定性完全满足设计要求。

图3 三号机历史曲线

4 结语

（1）本项目开发研制的热导式微量溶解氢在线监测仪，其分辨率达到 0.01µg/L，可以准确测量火力发电厂水汽系统中微量氢的含量；

（2）溶解氢表在国内某600MW机组电厂的应用研究表明，电厂水气系统有腐蚀发生时，除在线氢表以外的其它在线仪表的指示值（如硅、磷、铜、铁、钠、氧、联胺、导电度、pH表）尚处在正常值时，溶解氢仪表就已经监测到相应的腐蚀信息，并将其转换成氢气浓度从仪表上显示出来；

（3）溶解氢测量比铁离子测量更具有取样代表性、实时性、准确性；

（4）通过监测水汽系统中的微量溶解氢含量及变化趋势，可以实时监控热力系统的腐蚀状况；可以指导运行人员对运行参数及时调整减少腐蚀的产生。