智能氢电导率表在凝汽器检漏装置上的应用

陈建忠，林楚伟，陈裕忠，朱晨亮，刘佳杰，戴 鑫

（1.华能国际海门电厂，广东 汕头515132；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安710054）

0 引言

随着电力工业的迅速发展，大容量高参数超临界、超超临界机组不断出现，电厂对水汽质量提出了更高的要求。由于冷凝管制造过程中的不良工艺、机组运行中的振动、热涨冷缩、循环水中固体颗粒的磨擦和化学腐蚀等现象的影响，会造成凝汽器换热管胀接处松动，管壁腐蚀穿孔或异物砸伤等故障，造成凝汽器泄漏［1-5］。凝汽器泄漏时，如何快速准确地检测出凝汽器泄漏点的位置，并采取有效隔离措施，排除凝汽器泄漏故障，是电厂汽机和化学专业的一项重要技术课题。经常有电厂在凝汽器泄漏时，由于氢电导率测量准确性问题，没有及时准确隔离凝汽器泄漏侧，延误了事故处理，造成汽水品质严重污染，甚至造成汽轮机大面积积盐和停机的事故［6］。

为了判断凝汽器是否存在泄漏故障，很多电厂都安装了凝汽器检漏装置来检查判断凝汽器泄漏位置，氢电导率是判断凝汽器汽机侧或发电机侧泄漏的重要依据［7］，同时氢电导率指标也是电厂水汽系统的关键监测指标之一［8-10］。本文介绍了一种采用电再生离子交换技术和非线性温度补偿技术的智能氢电导率表，探讨了其在凝汽器检漏装置中的应用。相较于传统方法，该技术实现了无需人工再生更换树脂即可保证氢电导率的连续准确测量，避免了因氢电导率检测不准确导致的凝汽器检漏装置错误诊断现象。

1 电再生离子交换技术介绍

1.1 氢电导率测量中阳离子交换柱存在的问题

目前电厂通过在常规电导率表前加装阳离子交换树脂柱监测水汽的氢电导率，由于交换柱需定期对树脂进行再生或更换，增加了现场运行维护人员的工作量，另外这种传统的测量方法还存在一些无法避免的测量干扰［11-14］，如：

1）树脂无法彻底交换阳离子，会降低测定腐蚀性污染物的灵敏度，导致测量结果产生或正或负的偏差；

2）有些阳离子交换树脂释放低分子聚合物杂质，增加了背景电导率，导致氢电导率检测灵敏度降低；

3）当树脂冲洗不充分或再生不完全时，释放出痕量的杂质离子会引起测量正误差；

4）树脂失效时没有及时发现并更换再生，造成测量误差。

氢电导率表作为凝汽器检漏装置中最重要的必备仪表，测量值长期偏小会导致检漏装置检测灵敏度下降，无法及时发现系统漏点；如测量值长期偏大检漏装置会误报给出错误的检漏结果，因此提高氢电导率表测量准确性，保证仪表在免人工维护条件下长期稳定运行对于凝汽器检漏装置尤为重要。

国外为提高氢电导率的测量准确性做了很多研发，通过制定ASTM D6504《氢电导率的测量》标准对氢电导率测量的阳离子交换柱内径和高度、水样流速、树脂选用等测量条件进行了详细规定［15］；为了最大程度实现氢电导率连续测量，采用双氢交换柱切换法，但该系统较复杂，占用空间大，关键是树脂仍需定期更换或再生，再生后的树脂需要长时间冲洗才可使用。国内为了提高氢电导率的测量准确性也制定了氢电导率测定的电力标准［16］，为解决氢电导率表在线校验，研制了在线化学仪表校验装置对氢电导率表进行在线校验［17-21］；研制了树脂动态再生装置，解决树脂再生不彻底的问题［22］；研制了变色氢型树脂以直观表征树脂是否失效，便于及时更换树脂。但这些研究工作受传统阳离子交换柱的设计所限，并没有实质上解决氢电导率测量过程中需要再生更换阳离子交换树脂的问题，也未真正意义上实现氢电导率连续在线监测。

1.2 电再生离子交换技术原理

电再生离子交换技术采用电化学方法对少量的特种离子交换树脂进行持续再生，以替换传统的离子交换树脂柱。当待检测水样流入电再生式离子交换装置后水中阳离子在阳树脂交换作用下变为氢离子，处理后的水样进入电导池测量电导率，测量后的水样再次循环通入电再生式离子交换装置并进行电解，电解产生的氢离子在电场作用下对阳离子交换树脂进行再生，阳离子交换树脂再生产生的杂质离子随电解后的水样排出［23］。电解供电系统采用24 V直流供电设计，并带有自动恒定电流功能，可根据需要给树脂提供稳定的电流。根据此原理设计出的电再生离子交换装置体积小，安装简单，图1和图2是传统阳离子交换树脂柱和电再生离子交换装置的安装实物图比较。

图1 阳离子交换树脂柱安装图Fig.1 Installation picture of cation exchange resin column

图2 电再生离子交换装置安装图Fig.2 Installation picture of electric regeneration ion exchange device

电再生离子交换装置不仅可以直接替换现场的离子交换柱实现氢电导率测量，还可以与电导率表组装设计成一体化的氢电导率表。电再生离子交换装置整个测量流程无需添加任何化学试剂，因此设备测量完后不产生任何酸碱废液，并且设备内部的阳离子交换树脂在电场作用下可始终保持氢型状态，无需人工维护，真正实现了水样氢电导率的连续监测。图3和图4是传统氢电导率表与智能氢电导率表测量流程对比图。

图3 传统氢电导率表测量流程Fig.3 Measurement process of traditional hydrogen conductivity instrument

图4 智能氢电导率表测量流程Fig.4 Measuring process of intelligent hydrogen conductivity instrument

1.3 电再生离子交换装置的智能调节系统

常规氢电导率表的阳离子交换树脂柱失效速率主要由样水的含氨量、流速、水质状况等因素综合决定，样水的含氨量越高、流速越高、水质状况越差，树脂柱失效越快。电再生离子交换装置为适应现场不同样水的使用条件，在自动再生时采用了一套智能调节系统。其原理是当树脂在不同含氨量、流速、水质状况下的水样浸泡下其电阻会发生变化，根据电阻变化自动调整电压变化实现恒定电流控制，以确保在以上条件改变时电再生离子交换装置均可以正常工作。这套智能调节系统在机组启动时尤为重要，一般机组启动初期，样水水质状况较差，常规的阳离子交换树脂柱很快就会失效，然后需要人工介入再生更换树脂，此时氢电导率表的数据有较长的不稳定期进而影响机组启动时氢电导率数据的判断；而加装电再生离子交换装置的智能氢电导率表根据水质条件智能的自动调节再生速率，始终保持氢电导率表稳定读数，无需人工干预。

2 非线性温度补偿技术介绍

2.1 氢电导率测量中温度补偿方式存在的问题

电导率测量时通常以25 ℃作为其基准温度，当溶液温度偏离基准温度时需将其补偿为基准温度的电导率值。纯水电导率与温度呈非线性关系，不同温度下溶液具有不同的温度-电导率变化曲线。国外氢电导率表进行温度补偿时使用非线性温度补偿曲线，通过不同温度下电导率值、温度计算特定温度补偿系数以获得准确的电导率测量结果。国内大部分氢电导率表对电导率进行温度补偿时均使用线性温度补偿曲线进行补偿（温度补偿系数一般取2%），如果样品温度偏离25 ℃时测量准确性较差。

凝汽器系统来水经凝汽器检漏装置处理后样水温度一般仍高于25 ℃，有些样水温度可达40 ℃。凝汽器检漏装置上的氢电导率表如采用线性温度补偿方式将会影响氢电导率测量的准确性，进而影响凝汽器检漏装置对系统泄漏情况的判断。因此，在凝汽器检漏装置上的氢电导率表必须采用非线性温度补偿方式进行温度补偿。

2.2 智能氢电导率表采用的非线性温度补偿方法

目前，在电导率与温度关系公式上，最为常用的线性温度补偿拟合公式为

式（1）中：K（25）为25 ℃时实际测量电导率值，单位为μS/cm；K（t）为t℃时实际测量电导率值，单位为μS/cm；σ为温度补偿系数；T为温度，单位为℃。

该线性温度补偿方法在通常测量中的补偿效果是理想的。但对于纯水样品，这种补偿方式在温度偏离25 ℃时会偏离真值。纯水体系下非25 ℃电导率测量的关键在于准确地拟合σ与K（t）、T之间的非线性关系。首先在实验室进行了大量的电导率、温度试验，然后根据试验数据建立了一套非线性温度补偿算法并写入智能氢电导率表中，在实际在线测量时采用回归拟合的方式计算出不同温度下的σ值，实现氢电导率测量的非线性温度补偿。表1是智能氢电导率表与标准氢电导率表按照标准方法在不同温度条件下的测量比较［24］。两套仪表均采用非线性温度补偿方法，试验数据见表1。

从表1数据可知，在（18～40）℃范围智能氢电导率表与标准氢电导率表测量的电导率值相对偏差小于2%。智能氢电导率表使用的非线性温度补偿方法适用于凝汽器检漏装置。

3 智能氢电导率表在凝汽器检漏装置上的应用

表1 不同温度条件下智能电导率表与标准电导率表的测量值比较Table 1 Comparison of the measured values of intelligent conductivity instrument and standard conductivity instrument under different temperature conditions

3.1 某1 000 MW机组凝汽器检漏装置简介

某1 000 MW 机组凝汽器检漏装置系统示意图如图5。图5 中凝汽器检漏装置共设有A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4 8 个取样点，样品经取样泵取样后采用氢电导率表分析样品氢电导率值，8 个取样点管路上设置电动门通过PLC控制定时切换取样。同时装置设有人工取样门可以手工取样分析样品。将现场凝汽器检漏装置上的人工取样门上加装三通阀门后分流至智能氢电导率表，监测对比传统氢电导率表和智能氢电导率数据。智能氢电导率表和在线氢电导率表均使用VHJ-V 型移动式化学仪表校验装置校验校准，以确保仪表在应用试验过程中的准确性。

对于电厂运行人员来说，传统的在线氢电导率表在日常维护过程中需更换、再生、装填树脂，从而导致不能连续监测氢电导率。如果再生树脂过程中再生方法不正确、再生不彻底，在更换树脂后还会给在线氢电导率表引入交换柱附加误差，影响在线氢电导率表的准确性［25-30］。而智能氢电导率表在机组启动时能保证凝汽器检漏装置上的氢电导率采样值可快速达到稳定值，保障凝汽器检漏装置在机组启动时正常工作。

3.2 现场试验数据分析

图6是2018年8月14至2018年9月2日期间仪表监测数据。从图6 可知，实验期间两套智能氢电导率表和在线氢电导率表运行稳定，1号和2号在线氢电导率表相对偏差在标准要求范围之内。2018年9月2日现场机组停运，至2018 年9 月5 日现场机组启动。刚启动后取样水质较差，图7 是机组启动后一定时间内仪表监测数据。

图5 某1 000 MW机组凝汽器检漏装置系统示意图Fig.5 System schematic diagram of condenser leaking detection device for a 1 000 MW thermal power plant

图6 稳定运行阶段在线氢电导率表和智能氢电导率表监测数据Fig.6 On-line monitoring data of hydrogen conductivity instrument and intelligent hydrogen conductivity instrument in stable operation stage

图7 机组启动在线氢电导率表和智能氢电导率表监测数据Fig.7 On-line hydrogen conductivity instrument and intelligent hydrogen conductivity instrument monitoring data for unit start-up

从图7 数据可知，启机后智能氢电导率表仅运行20 min后已稳定读数，在线氢电导率表稳定速度慢，整体数据滞后于智能氢电导率表，并且读数时仪表稳定性较差。

在停机过程中在线氢电导率表并未更换新的离子交换树脂，启机运行3天后2号氢电导率表相对偏差超标，判断离子交换树脂失效，现场检修人员更换在线氢电导率表离子交换柱中树脂。更换树脂前后监测数据见图8。

图8 更换树脂前后在线氢电导率表和智能氢电导率表监测数据Fig.8 On-line hydrogen conductivity instrument and intelligent hydrogen conductivity instrument monitoring data before and after resin replacement

由图8 数据可知，在线氢电导率表更换树脂前随着树脂失效相对偏差逐渐升高，换树脂后又恢复到正常状态稳定运行，试验期间智能氢电导率表运行稳定。

4 结语

与传统的在线氢电导率表相比，智能氢电导率表在电厂的应用实践表明测量数据连续稳定可靠，可迅速反映凝结水等水汽品质的变化。应用于凝汽器检漏装置可准确测量凝结水的氢电导率，在阳离子交换树脂正常时，测量值与理论值基本吻合。在机组启动期间，智能氢电导率表比常规氢电导率表能更快达到稳定数值，在阳离子交换树脂部分失效时，更能准确反映凝结水的氢电率。加装智能氢电导率表的凝汽器检漏装置在特定情况下，能更准确有效判断凝汽器泄漏位置，为准确隔离凝汽器泄漏侧争取了时间，并且智能氢电导率表运行期间无需更换树脂，减少了工作量和废树脂处理量，可适应目前机组频繁启动的情况，尤其对于停机和启动频繁的联合循环机组非常适用。

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