三代工业在线专用离子色谱分析测量装置应用及改进

2022-01-07孙利强赵麟徵

内蒙古电力技术 2021年6期

孙利强，赵麟徵

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.东北大学秦皇岛分校控制工程学院，河北秦皇岛 066004）

0 引言

二代工业在线专用离子色谱分析测量装置（以下简称二代色谱测量装置）已研制完成并应用于现场，对火电厂机组的稳定运行起到了积极的作用；但在使用过程中，发现存在产品体积大、质量大，现场安装不方便，测量过程中需要水样量大，温度控制不精确及树脂再生繁琐等问题[1-2]。针对以上问题，对产品进行升级改造，研发出三代工业在线专用离子色谱分析测量装置（以下简称三代色谱测量装置）。

1 二代色谱测量装置存在的主要问题

1.1 水样消耗量大

二代色谱测量装置采用的是水样连续进入传感器进行检测的方式，因此装置在测量过程中水样消耗量大。部分电厂水汽取样系统设计不合理，测量用水样量不足，出现装置与现场其他表计争抢水样的问题，有的电厂甚至发生断样的情况，影响装置正常使用。而水样量充足的电厂也存在因水样处理量大而造成离子分离器频繁失效，需要再生的问题，增加了现场的维护量；同时水样量消耗量大，也造成了装置冷却系统庞大。

1.2 测量稳定性差

实验室离子色谱仪使用强电解质作为淋洗液，由于在线色谱仪需要连续运行，淋洗液消耗量大，需要不断补充，并且强电解质溶液中含有大量离子会缩短抑制柱的寿命。因此二代色谱测量装置取消了淋洗液，使用高精度电导传感器直接对经过抑制器处理的水样进行测量并计算离子质量浓度。这种方法造成装置测量的稳定性差，影响了二代色谱测量装置的测量精度。

1.3 测量指标不全

二代色谱测量装置只能测量水样中离子的总质量浓度和阴离子总质量浓度，不能测量单个离子的质量浓度，而GB/T 12145—2016《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》对锅炉水汽中Cl-的质量浓度有单独的要求[3]，因此二代色谱测量装置不能完全满足现场需求。

2 三代色谱测量装置的结构和工作过程

2.1 结构组成

三代色谱测量装置可分为4个部分，其结构示意图见图1，第1部分为在线超纯水系统，可以连续不断地提供分析所用的超纯水；第2部分为全自动在线取样系统，可以对各流路的水样进行连续取样；第3部分为在线连续阴阳离子分析系统；第4部分为控制及数据处理系统。

图1 三代色谱测量装置结构示意图

2.1.1 在线超纯水系统

在线超纯水系统的主要功能为连续不断地制备仪器所需的超纯水，并确保所制得的超纯水能够满足仪器分析要求。该系统的取水来自电厂本身的除盐水，自带一定的压力。系统主要包括储罐、增压泵、电导及温度传感器和串联的阴阳离子交换树脂柱，在储罐上还配备了水位报警系统，以保证储罐内有充足的超纯水，结构示意图见图2，整个在线超纯水系统由一个电路板控制。

图2 在线超纯水系统结构示意图

2.1.2 全自动在线取样系统

全自动在线取样系统是三代色谱测量装置的自动进样器，能够实现电厂水样的实时采集。取样系统包含进样系统（3个流路）和自动校准系统，结构示意图见图3。进样系统分别采集不同的水样，每1路都包括溢流系统和电磁阀系统；自动校准系统定时抽取标液罐中的标液进行检测系统校准。

图3 全自动在线取样系统结构示意图

2.1.2.1 溢流系统

为保证实时取样，取样管始终保持开通状态，系统通过电磁阀周期性抽取一定量水样检测。取样管的内部加装筛板，可以过滤大颗粒杂质，防止堵塞仪器系统；在溢流管上加装电导温敏元件，实时监测电厂水样的电导率和温度。

2.1.2.2 电磁阀系统

电磁阀系统用于控制采集哪一路的水样，由五通阀、缓冲管和三通阀构成。五通阀中一阀流出样品，一阀进纯水，另外三阀连接不同的样品；缓冲管用来缓冲样品；三通阀将样品引入注射进样泵。

2.1.3 在线阴阳离子分析系统

在线阴阳离子分析系统由抑制柱和检测器组成，抑制柱分为阴抑制柱（用于阴离子分析的树脂填充抑制柱）和阳抑制柱（用于阳离子分析的树脂填充抑制柱）。阴抑制柱采用常规磺酸型阳离子交换树脂，在分析阴阳离子的混合样品时，阴抑制柱抑制样品中的阳离子（吸附），阴离子便到达电导检测器进行检测。阳抑制柱采用常规季铵型阴离子交换树脂，在分析阴阳离子的混合样品时，阳抑制柱会抑制样品中的阴离子（吸附），阳离子便到达电导检测器进行检测。该系统采用双电导检测器、阴阳双柱并联的方式，实时分析检测样品中阴阳离子质量浓度。以NaCl为例见式（（1）和式（2）），R为离子交换树脂，阴抑制柱为阳离子交换树脂，将Na+抑制（吸附），检测Cl-；阳抑制柱为阴离子交换树脂，将Cl-抑制（吸附），检测Na+。

2.1.4 控制及数据处理系统

控制及数据处理系统能够实时显示各个模块的状态并记录样品数据，对各样品中的离子质量浓度进行分析与计算。

2.2 工作过程

三代色谱测量装置采取阴阳离子分别检测的方式，阴离子检测系统的工作过程为：多路检测水样和标准样分别接入全自动在线取样系统，在取样杯中溢流，自动进样器定时循环抽取一定量样品，将样品混入超纯水中带入测量系统，经过阴离子抑制柱（水样中的阳离子被去除），进入电导池中进行电导检测，从而得到只有阴离子的电导数据。这些电导数据形成一个测量峰，控制及数据处理系统对测量峰进行积分，从而计算出水样中各个阴离子的质量浓度。阳离子检测系统的工作过程与阴离子检测过程相同。

3 三代色谱测量装置的技术特点

3.1 单个离子质量浓度的检测

二代色谱测量装置为了保证其运行的连续性、实时性、可靠性，对原有的实验室离子色谱仪进行简化，只保留抑制柱，取消色谱柱，导致二代色谱测量装置只能测量水样中离子的总质量浓度和阴离子总质量浓度，不能测量单个离子的质量浓度。

为了解决这个问题，使用实验室色谱仪对京隆电厂水样中的离子成分进行长时间监测，并对测量数据进行分析，发现同一流路的水样中离子的种类及各种离子的质量浓度比值基本不变，利用该比值确定不同离子在色谱柱中的校正系数[4-6]。当样品进入三代色谱测量装置进行检测时，测定的离子质量浓度为总阴离子质量浓度（或总阳离子质量浓度），仪器记录单个色谱峰，此时利用该流路中单个阴离子的校正系数将色谱峰拆分，得到单个离子的峰面积，反算出该流路中单个离子的质量浓度[7-8]。