炉水取样分析监测提质节能系统在高压锅炉的应用

江磊 高迎熙

1中国石油化工股份有限公司长岭分公司 2西安况能电力设备有限公司

1 背景

为保证锅炉热力系统长周期平稳运行，一般同时采取排污和加药两种方式改善炉水水质，减缓结垢。排污是指用定期排污和连续排污的形式排出一定量水质变差的炉水并补充新水以降低浓缩倍数。加药则是定量加入阻垢剂以防结垢，磷酸三钠是应用最广泛的阻垢剂，一些无磷配方的阻垢剂也有所应用但因效果、经济性等多方面原因尚未能全面取代磷酸三钠。

在锅炉炉水质量控制领域已经开发了多种自动加药和排污控制系统，但由于采样分析的代表性和准确性、算法等原因，自动加药和排污控制系统运行的稳定性不尽人意。目前多数锅炉仍以人工调整的模式控制排污和加药，操作上为保险起见一般都会有意加大排污量和加药量。一方面排污量居高不下，影响能耗，另一方面磷酸三钠的加入量凭经验调整，炉水质量不稳定，同时也容易造成排放污水中磷含量超高，带来环保问题。

某炼化公司热电部两台260t/h 循环流化床锅炉（CFB），CFB锅炉产生的高压蒸汽（9.8MPa）主要作为工业热源（3.5MPa或1.0MPa）输送到下游各用热单元，同时在降压过程中推动汽轮机装置发电。相对中压锅炉而言，高压锅炉对炉水品质要求更为严格。若炉水品质不佳不仅会加剧锅炉结垢影响热效率，而且可能造成汽轮机本体叶片积盐，降低汽轮机的出力效率，并可能因为影响了叶片动平衡而产生安全隐患。另外送至各用热单元的蒸汽品质不佳，长时间累积会造成设备腐蚀、结垢堵塞等负面影响，甚至形成安全隐患。

CFB锅炉原配置有汽水取样架和汽水分析在线仪表，取样水经过冷却器冷却后由汽水仪表自动取样化验。炉水加药系统由现场控制柜人工现场启动两台计量泵进行加药。但运行过程中存在以下问题：

①汽水取样架换热效果差，炉水样品携带蒸汽，一方面严重影响在线仪分析的准确性，另一方面由于汽水相平衡变化，炉水样品的代表性也受到影响。

②在线分析仪表无法正常投用，炉水水质检测为人工定点取样化验检测，并根据人工分析结果判断调整排污，分析结果严重滞后，排污或加药等调整措施对炉水水质的影响严重失真。而且人工定点取样化验为每4h一次，分析频次大，也造成了分析成本高。

③加药系统根据经验人工调整加药量，炉水质量不可控因素多，波动大。

为确保炉水水质，生产上牺牲了一定的排污量和加药量，尽管水质达标率100%，但综合汽水损耗率高达5%～8%，单台锅炉满负荷运行时排污量多达5.5t/h以上，节能减排压力大。

鉴于炉水取样分析监测提质节能系统（简称“炉水自控系统”，下同）在该炼化公司制氢装置中压锅炉（3.5MPa）的成功应用，在提高炉水质量、缓解锅炉结垢的同时降低排污量70%，2022年CFB锅炉新增了一套炉水自控系统，包含炉水、过热蒸汽、饱和蒸汽、除氧水、省煤器入口汽水取样装置，水质在线分析系统、排污电动调整阀门，智能分析提质节能控制系统，磷酸盐自动加药控制系统等。该炉水自控系统通过独特设计的高低温取样架降温降压保障炉水取样的代表性，分析系统连续分析炉水化学（pH值、电导率、硅酸根浓度、磷酸盐浓度）指标，应用自适应PID算法，综合积分分离、抗积分饱和、带超限死区和不完全微分等算法，自动调整排污和加药，实现炉水各项化学指标保持稳定，达到保证炉水水质并减少排污量的目的。2022年5月6日炉水自控系统调试完毕，5月7日正式投运，平稳运行至今。

2 应用效果

2.1 炉水自控系统投用前炉水质量情况

以2020~2022年数据为例，炉水自控系统投用前炉水质量基本统计如表1所示，以增加水质分析频次、加大排污量和加药量为代价，保证了水质100%合格率。但从实际误差分析，水质各项指标的波动不容乐观。

表1 2020～2022年炉水自控系统投用前炉水质量统计表

2.2 炉水自控系统投用后炉水质量情况

2022年5月炉水自控系统投用运行，至2023年1月炉水水质基本情况如表2所示。运行数据表明炉水水质继续保持了100%合格率，而且炉水中pH值、磷酸盐和电导率的平均偏差和标准偏差均低于炉水自控系统投用前，表明炉水水质控制更平稳；炉水中磷酸盐和电导率平均值均低于炉水自控系统投用前，反映了磷酸三钠加入量的有效降低，而且较低的磷酸盐浓度反而让炉水结垢趋势更低。这些分析指标的变化充分表明了炉水自控系统投用后炉水水质实质上得到了提高，进而也获得了品质更优的蒸汽。

表2 2022-2023年炉水自控系统投用后炉水质量统计表

2.3 排污量的变化

炉水自控系统投用前，由于是采样分析水质结果滞后，人工加药导致炉水水质控制水平较低，不得已只能加大排污以保障水质平稳，单台锅炉满负荷运行时排污量高达5.5t/h以上。炉水自控系统投用后，根据炉水水质变化情况调整CFB锅炉汽包连续排污量和定期排污量，单台锅炉满负荷运行时排污量已降至1.7t/h左右，相比投用前排污总量减少69%。

锅炉排污水实际上就是锅炉汽包内的饱和态炉水，而CFB锅炉的原料水为二级除盐水，每吨10余元，另外汽包内的饱和态炉水要变成排污水，从高压到低压，从高温到低温，最后还带走大量余热焓值，浪费的能耗和成本还是非常可观的。自炉水自控系统投用后，CFB锅炉的综合汽水损耗率从炉水自控系统投用前5%～8%降到了2%以下，还有更进一步的优化空间。由此可见，该系统的节水和节能效果卓有成效，具体经济效益会随着锅炉运行负荷和时间而变化。

2.4 磷酸三钠用量的变化

炉水自控系统投用前后单台锅炉满负荷运行时磷酸三钠消耗量分别约为2.72kg/d和2.18kg/d，即炉水自控系统投用后磷酸三钠消耗量减少了20%，尽管磷酸三钠价格比较低廉，但药剂成本的节约还是非常明显的。更重要的是减少了磷酸盐的污水外排，锅炉排污水中含有一定量的磷酸盐，必须经过污水处理之后才能排放外环境。而锅炉排污水的减量和其中磷酸盐浓度的降低，都有利于污水处理的后续处理和磷含量的达标排放，环保意义显著。

3 结语

在保证炉水质量合格率100%的前提下，炉水取样分析监测提质节能系统在CFB高压锅炉（9.8MPa）上成功应用。2022年5月投用以来，该系统的稳定运行在获得品质更优的炉水基础上，降低了排污量69%，磷酸三钠消耗量减少了20%，取得了显著的节能、降本和减排效果，经济效益和社会效益凸显。