汽包锅炉炉水品质及自动化排污控制技术研究

＊李世强 袁振 吴中平 李海 刘晓娜 袁慧超

（山东海化能源有限公司热力电力分公司 山东 261000）

科学技术的发展不仅仅影响着人类自身，同样也影响着全球的气候变化。就目前而言，全球每年排放出的温室气体约有510亿吨，为避免气候危机，低碳减排行动至关重要。2020年，国家提出双碳政策，为中国经济社会高质量发展提供方向的同时，也对化工行业的高能耗生产过程，提出了节能创新与变革的要求。锅炉作为化工行业重要的供能设备，给环境带来的影响无法被忽视，锅炉节能技术的进一步提升和发展十分重要。

作为化工工艺中蒸汽产出的重要设备，锅炉通过燃烧煤产生蒸汽以及热量，为化工工艺提供热源，用于必要的加热过程，以及用于自备发电的设备发电。目前化工厂基本为汽包锅炉，由于加入汽包的给水总是带有一定的盐分，锅内进行加药处理后，锅水的结垢性物质转变为水渣，此外锅水腐蚀金属也要产生一些腐蚀产物。因此，在锅水中含有各种可溶性和不溶性的杂质，在锅炉运行中，这些杂质部分会被蒸汽带走，绝大部分留在锅水中，随着锅水的不断蒸发，这些杂质浓度逐渐增大。锅炉炉水杂质浓度过高，不仅影响蒸汽品质，而且还可造成受热面的结垢与腐蚀，影响锅炉安全运行。为了控制锅水品质，必须进行锅炉排污，以排出部分被盐质和水渣污染的锅水，并以清给水进行补充[1]。锅炉炉水需要对总含盐量、二氧化硅、氯离子、磷酸根、pH值、电导率进行控制。研究表明，锅炉水汽质量的好坏将影响到设备和装置是否可以在长周期下安全运行[2]。实践中，定期检测水质可以有效反映锅炉设备的健康情况[3]。但是，仅关注炉水的品质控制，容易造成排污过量的问题。从汽包排出的污水是热力学的饱和水，经过管路系统和节流装置时，部分介质会发生相变，形成了气水混合物（即气液两相状态）[4]。常规测量方法及设备（转子流量计等），对于气液两相状态的炉水难以准确地测量，因而锅炉炉水排污长期依靠人工化验与判断，自动化程度低，导致排污量准确度不高。

为解决锅炉排污测量不准确和连续性差的问题，本文首先通过使用化学成分在线测控模块得出汽包锅炉炉水品质的四个关键性指标，即二氧化硅（化学式SiO2）、磷酸根（化学式PO4，化合价-3）、电导率与酸碱值（pH值）；其次借助排污流量测量与控制模块工具，并自动排污并测量出准确排污量，将炉水指标稳定在某一平稳值中。在DCS（Distributed Control System）分布式控制系统下控制指标，根据炉水溶解固形物的多少及酸碱度可以设定锅炉的排污量，使其保证炉水质量，提高锅炉运行的安全性以及经济效益，降低成本，提升运行效率并减少排放量起到环保作用。本文的创新之处在于将水质和排污量数字化，便于日后锅炉设备的管理维护。

1.研究方法

(1)改造前设备状况

现场为240t/H循环流化床锅炉，汽包压为9.8MPa，温度设定为320℃，连排为甲乙双侧排污。排污管在进入连排扩容器前合并为一根连排管进入连排扩容器，扩容器压力为0.6MPa，连排水进入连排扩容器后进行闪蒸，闪蒸成蒸汽的部分通过连通除氧器管道进入除氧器，剩余没有闪蒸的不合格炉水排放到定排扩容器。目前连排排放方式为化学化验人员根据炉水化验值情况通知运行人员调节连排调整门，炉水数值依靠人工化验获得，每班化验两次。该过程没有对连排流量进行监测。基于目前锅炉的运行状况，如下几个方面存在改造的必要性：

①炉水在线化学化验仪表存在不稳定现象，全部依靠人工调整连排调整门，会产生连排调整不及时的问题。

②锅炉连排流量无法准确测量，排污率为粗略估算值，数据不精确。

③锅炉连排调整门的启合无详细数据支撑，无法精准开到合适大小，以致出现排污不足或者排污过量的问题。

(2)改造后设备情况

改造后增加的炉水品质控制系统，以炉水品质控制软件为核心，以化学在线仪表及气液两相流量测量模块为数据输入端、根据炉水品质要求设定参数，自动控制连排阀门开度。主要分为化学在线测控模块和排污流量测量与控制模块两部分。

①化学在线测控模块

化学水在线仪表实时测量与采集二氧化硅、磷酸根、电导率、pH值信号，并发送至控制模块；控制模块采用约束条件下的人工智能模糊控制方法，根据排污控制算法，将二氧化硅作为主控量、磷酸根、pH值与电导率为约束控制变量，在保证炉水指标的前提下，自动调整阀门开度，最大限度减少污染排放；考虑到故障情况，若二氧化硅信号异常，电导率将作为主控量的替代，pH值和磷酸根作为约束控制变量；当本系统所有输入信号异常，则自动转为手动控制，并输出故障信号给运行人员。

A.采用硅酸根和硅酸根分析仪，利用化学比色法将样水中的硅酸根、磷酸根转换成黄色或蓝色络合物，采用光度计测量其吸光度，自动消除色浊度干扰，实时准确测量炉水中两者的含量。

B.当炉水浓缩后，其电导率会升高，通过电导率可以间接地表示出水中溶解盐类的含量，其计算公式如下：

式中，Q为溶液的电导；A为测量电极的面积；σ为溶液的电导率；k为电极常数。

C.pH值与炉水中氢离子浓度有关，当氢离子影响到还原物活性或者氧化物活性的时候，会影响电极电势，根据能斯特方程可反映炉水pH值的酸碱度，其计算公式如下：

式中，Ex为预测电势；E0为标准电势；R为气体常量（8.314J/kmol）；T为绝对温度（273+T·C）；F为法拉第常数；fx为活度系数；cx为浓度。

②排污流量测量与控制模块

锅炉排污是保证锅炉正常安全运行的重要步骤之一，排污方式主要有分为连续排污和定期排污。连续排污的主要目的是让部分溶解盐通过蒸发排出，保证炉水的含盐量以及碱度。定期排污是通过联箱排出炉水中的不溶性水渣，排污时间是间断性的，需要根据水汽质量具体设置排污间隔和排污量。

锅炉排污流量测量系统包括专用节流阀、变送器和两相流流量算法软件。当被测介质（气液两相炉水）流经节流元件时，在节流元件前后产生压差ΔP，该压差通过变送器转换成4～20mA DC标准电流信号，送至排污流量测量模块，与此同时，差压变送器高压侧收集来流压力信号，锅炉分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）收集汽包压力信号，二者同时将这两个信号送入排污流量测量模块中，运用多相流测量原理计算被测介质的瞬时流量和累计流量[5]。

DCS系统又称集散控制系统，在实现集中控制的同时，还可以实现分散控制，作为一种新型微机控制系统，DCS主要借助于计算机来实现，具有高可靠性、灵活性、协调性以及开放性的特点，是控制功能齐全的综合型设备控制装置，在热电厂机中的应用效果良好[6]。DCS系统可以实现数据采集，模拟量控制以及顺序控制，为锅炉排污提供信息，实现实时监测，因此使用DCS系统可以大幅度提升排污准确度，起到保证炉水质量和降低环境污染的作用。

多相流指同时存在两种或多种不同相的物质流动，两相流一般分为气液两相、气固两相、液液两相以及液固两相，多存在于能源化工领域。两相流应用过程中的主要参数有6类，分别为流型、分项含率、流量、速度、压力降和密度。本实验计算气液两相状态下流量大小。

多相流测量流量公式如下：

其中，O表示流量；c为速度修正系数；ρ1为两相流的平均密度；△P为形成的局部压力差；S1为管道横截面面积。

(3)设备布置

①化学自动化及控制模块

汽包锅炉炉水品质及自动化排污控制系统采用专用自适应炉水pH值表，炉水硅表、磷表、电导率表各一块。安装位置定于化水取样间，从原手工取样处取一分支进行化学仪表的在线取样，并将信号送入控制柜。控制系统及软件控制柜布置在化学取样间，将调节门信号和流量信号一同送入DCS系统中，其他化学数据均在设备终端体现。

从低温仪表架上端分支处取样，保留原测量方式，新的取样管路连接到新安装的分析仪表，并将信号送入控制柜，控制系统和计算模块布置在化水取样间连排控制内部，经过核心软件计算后的执行信号，将调节门信号和流量信号一同送入DCS系统中。

②连排流量排污模块

排污介质流经标准孔板时会产生分离，并在其上游侧沉积，因而原有的流量测量系统压差信号失真，且不稳定，采用非标节流装置解决了差压信号测量的稳定性问题[4]。本系统布置的非标异型节流装置安装特点如下：首先，在锅炉汽包下方、连续排污扩容器前的一段水平管道上安装排污节流装置，节流装置安装在排污调节阀后。其次，节流件前后直管段内壁光滑平整，无影响介质流动的粗焊等缺陷。最后，节流阀上标注的“介质流向”与水流方向一致。

来流压力变送器与差压变送器于节流装置下方现场就近布置，进厂压力变送器取压管可与差压变送器取压管正压侧的三通管连接，一路与进厂压力变送器连接，另一路与差压变送器连接，信号送至连续排水控制柜。

汽包压力信号来自DCS系统（4～20mA DC），整体系统流程图如图1所示。

图1 整体系统流程

(4)数据采集与存储

系统自动采集及存储相关数据，炉水品质数据、连排流量瞬时量以及累计量数据，可为后续输入数字化电厂管理系统提供数据平台，可视化数据便于进一步对汽包锅炉进行管理及维护，在降低损耗和保证环保的同时，提升行业的经济效益。

(5)运行安全性评价

本系统在运行过程中不会对锅炉系统产生影响，内置多重保护，当受控信号故障或遇到断电情况时，系统将自动切换为手动控制状态，并附有信号故障的提示。如果故障点没有恢复，人工无法将其强制切换为自动控制，因此系统安全性很高，十分可靠。

2.结果与分析

本系统通过在线仪表实现实时监测锅炉炉水的电导率、pH值、二氧化硅以及磷酸根，监测到的数据引入至控制系统，其系统具有历史数据追忆功能，可对以往时间进行记录数据，改进后的锅炉排污流量监测到的数据如图2所示。

图2 实时趋势图

从上图可以看出，彩色曲线为监测到的数据，通过曲线的持续变换显示数值与不同趋势，表明该工艺可在现场对工艺参数进行检查和故障分析。

改进后的流量排污模块测量瞬时流量、累计流量和排污调整门的控制状态，情况如图3所示。

从图3可以看出，通过流量排污模块可实时观测瞬时流量和累计流量值，显示阀门控制状态，解决了对炉水排污量不准确的问题。

图3 每月排污量统计

改进后的排污流量测量与控制模块测量的流量情况如表1所示。

表1 每月排污量统计

本项目经济效益分两项计算，一部分为节能量，一部分为节水量。

减少热量损失的效益公式如下：

其中，C为扩容系数（取值0.6）；G为降低的排污量（取值4.5t/h）；hq为汽包内饱和水焓值（额定工况下，汽包压力为9.8MPa，汽包水温316℃）；hgs为补给水焓值（取值125.8kJ/kg）；n为年利用小时（7200h）；q为标准煤低热值（29300kJ/kg）；Q为年减少的热量损失；XB为减少热量损失带来的经济效益；JB为标准煤的价格（取1099元/t）；B为年减少的热量损失折合为标准煤量，t。

减少排污节省除盐水的效益计算公式如下：

其中，XD为减少水量损失后带来的经济效益；JW为化学除盐软水的价格（11.04元/t）。

一台锅炉改造后的经济效益计算公式如下：

其中，Xm为锅炉改造后的经济效益。

从上表可以看出，240t/h锅炉实施炉水测控技术改造后，实现了炉水水质的在线分析，炉水连排系统投用前排污率约为2.5%，改造后汽包连续排污率平均下降至0.5%，根据减少热量损失效益计算公式得出，减少排污量B=823.78t/年，减少水量带来的经济效益XD=22.16万元，表明该技术可以控制排污量，降低成本，从而提高整体经济效益。

3.结论

本系统运用炉水品质关联曲线，采用主控下的约束控制方法，有依据地控制连排调整门，精准控制连排量，对炉水进行及时控制，可有效实现汽包锅炉循环水品质自动化测量、控制目标，保证设备运行安全；采用自适应化学仪表，实现了温度补偿、压力补偿、流量补偿功能，给连排控制系统提供了可靠稳定且准确的数据，并且提供了炉水品质参数及排放参数。

研究结果证明，锅炉排污量每增加1%，循环水损失1%。同时，锅炉排污每增加1%，将导致锅炉燃料消耗增加0.12%～0.18%。系统解决了“气液两相状态下”，锅炉炉水测量不精准的问题，实现锅炉炉水自动化适量排放，实现节能节水目标；系统内置多重保护措施，在信号故障或断电情况时，系统将自动切换为手动状态，并将信号故障信息显示，提醒系统问题，在保证安全性的前提下达到环保作用。

本文的不足之处在于只解决了汽包锅炉连续排污的自动化测量与控制部分，针对锅炉定期排污，由于测量难度的问题，未能提出有效解决方案，依然需要人工操作。但相对连续排污而言，定期排污量一般较小，可留待后续解决。