基于Cygnal技术循环水安定指数在线监测装置的研究与应用

孙墨杰 李 昭 张莉蔷 张 庭 万瑞军

(1.东北电力大学化学工程学院，吉林 吉林 132012；2.贵州省电力试验研究院，贵阳 550000)

工业循环冷却水系统是电力、石油及冶金等行业工业生产过程中必不可少的环节，而循环冷却水的水质将直接影响热力设备的运行工况和安全可靠性。目前，工业循环冷却水的监测还停留在繁杂的手工分析水平，无法谈及实时监测。同时，落后的人工分析技术加剧了热力设备的腐蚀结垢，给系统安全、可靠运行带来了巨大的隐患和损失[1]。

笔者根据工业循环冷却水的特性，基于Cygnal公司的C8051F020单片机[2]开发研制了工业循环冷却水稳定性在线监测装置，解决了工业循环冷却水水质稳定性监测技术落后、不能及时分析水质变化而带来的问题，达到了确保工业生产安全运行、节能节水、延长热力设备使用寿命的目的。

工业循环冷却水水质稳定性的分析方法主要有饱和指数法、稳定指数法、安定指数法、临界pH值结垢指数法、结垢指数和控制ΔA(ΔB)法[3]。通过实验分析，其中，安定指数法适合于在线测定。采用的安定指数测量方法基于电力行业标准DL/T 502[4,5]，该方法是利用水样在通过碳酸钙过滤器前、后的碱度变化来判断水样的安定性。标准方法适用于实验室手动分析，而在工业现场实际运行环境中，会产生碳酸钙过滤器污堵而导致仪器无法正常运行[6～8]。装置采用安定指数反应室来替代标准方法中的碳酸钙过滤器，水样安定指数A按下式计算：

(1)

式中JD入——循环冷却水原水的碱度；

JD出——经过安定指数反应室后的碱度。

2 仪器分析流程

仪器分析流程设计的合理性是提高测量准确性和稳定性的关键。根据安定指数测量要求，循环水稳定性在线监测装置流程设计如图1所示。

图1 循环水稳定性在线监测装置流程

装置前端自清洗过滤器。由于工业循环冷却水水质浊度高，对测量有一定影响，需要前置预处理以达到检测的水质要求。因此需在安定指数反应室前安装自清洗过滤器对循环冷却水进行过滤[9]，前端自清洗过滤器由循环冷却水稳定性在线监测装置控制，以确保待测水样连续、稳定地流入测量装置，并且在测量过程中不出现断流。

安定指数反应室。循环冷却水经过自清洗过滤器过滤后进入安定指数反应室。为确保水样充足，对安定指数反应室设计水样体积为300mL。进样室1为循环冷却水原水室，进样室2为水样反应室，碳酸钙反应室为盒装多层结构，内装有0.5～1.0mm筛选后的碳酸钙颗粒。

装置运行过程。装置在运行过程中，进样阀1打开，将原水引入测量杯中，对测量杯进行清洗以防止残存水样对本次测量的影响，通过虹吸管精确定容50mL水样体积。在安定指数测量过程中，检测水样温度、pH值和加酸量并对数据进行处理储存显示，通过所测得的消耗滴定液计算出JD入。打开进样阀2通过相同控制过程计算出JD出。安定指数分析仪按照式(1)进行计算，将所得结果储存处理并显示。一个测量周期全程大约25min，在实际现场运行中，加入等待时间来延长测量周期，以增加仪器的维护周期，减少所需的成本。

3 安定指数分析仪的硬件设计

3.1 电路设计

仪器的测量电路如图2所示。装置的电路主要包括C8051F020单片机系统、信号转换及放大电路、单线制DS18B20温度传感器、实时时钟电路DS1687、Flash存储器AT45DB081D和RS485接口。C8051F020单片机系统具有高速、高集成度、流水线结构、与MCS-51完全兼容的微控制器内核，完成系统的数据采集计算处理、数据输出控制及流路电磁阀控制等其他功能。DS1687用来实现测量数据的年、月、日、时的功能。DS18B20用于测量实时水样温度，完成装置的温度补偿功能。AD转换电路应用AD7705和LMC6082运算放大器，用来实现测量信号和参比信号的电流电压转换和放大功能，模拟量与数字量高精度转换功能。RS485接口用来实现与PC机之间的通信。AT45DB081D用来存储当前数据和查询历史数据。

图2 测量电路

3.2 AD采集芯片的选择与电路设计

AD转换电路的设计关系到整套仪器的准确性和重现性。笔者采用AD7705作为转换芯片，并配以多重电压隔离电路。AD7705高达16位的转换精度，可以确保仪器设计的高精度要求。图3为AD转换电路。

图3 AD转换电路

3.3 程序设计

程序整体采用模块化设计，用C51语言作为编程语言，各个模块完成相对应的功能。软件系统包括按键子程序、A/D转换子程序、温度测量子程序、时钟子程序、液晶显示子程序、数据储存子程序、初始化子程序、标定子程序、RS485接口子程序、碱度测量子程序及数据处理子程序等，其流程如图4所示。

图4 主程序流程

4 实验结果分析

循环水稳定性在线测量装置完成后，分别对仪器进行了实验室实验与现场实验，实验结果分析如下。

仪器重复性检测。指安定指数分析仪对安定指数相同的同一水样进行重复检测，反映安定指数分析仪的工作漂移。实验用水水质碱度JD=5.65mmol/L，硬度YD=7.3mmol/L，pH=7.52。实验结果见表1。

表1 仪器重复性检测实验数据

对安定指数相同的同一水样测量值的分析，验证仪表测量值的变化区间满足3%的测量误差。

仪器的相对误差检测。相对误差实验是指对安定指数相同的同一水样，安定指数分析仪的在线测量值和实验室手工测量值之间的相对误差，反映了安定指数分析仪的性能指标，手工测量以电力行业标准DL/T 502为指导方法。每组样品取样时间间隔1h，手工测量与装置测量间隔时间小于60s。实验数据见表2。

表2 仪器相对误差检测实验数据

实验结果表明装置在线测定值与手工测定值相对误差满足±5%的测量误差。

循环水稳定性在线监测装置的现场应用。工业循环冷却水稳定性在线监测装置研发成功之后在神华国华三河发电有限责任公司正式投入试运行，图5所示为装置在8～11月3个月期间的安定指数检测曲线。现场运行结果表明，装置在神华国华三河发电有限责任公司连续运行过程中，实时地反映了现场循环冷却水的腐蚀结垢倾向。

图5 安定指数曲线

5 结束语

经过实验室和现场实验运行，循环水稳定性在线监测装置具有设计合理、功耗低、稳定性强和现场维护量小的优点，对人员的安全健康、设备的安全生产起到了至关重要的作用。基于Cygnal技术循环水稳定性在线监测装置的研制，实现了工业循环冷却水的重要状态参数的显示、记录和调节控制，为解决和预测循环冷却水系统腐蚀和结垢问题提供了必要的保障。

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