发电厂水汽取样装置运行现状及改进方向研究

2023-12-21杨裕民哈燕萍汪思华胡振华

全面腐蚀控制 2023年10期

杨裕民崔锐哈燕萍汪思华胡振华

（1. 西安热工研究院有限公司，陕西西安 710054；2. 华能兰州西固热电有限公司，甘肃兰州 730030）

0 引言

在线化学仪表是发电厂水汽化学监督与控制的关键手段[1,2]，随着我国大容量、高参数机组的不断发展[3]，对水汽控制指标的要求也不断提高[4]。确保在线化学仪表的准确测量对于发电厂安全运行至关重要。然而，当前我国在线化学仪表普遍存在“两高”现象，即水汽监测的合格率很高，但是水汽系统热力设备的腐蚀结构速率也很高[5,6]。刘详亮等[7]对我国9省11个电厂的695台在线化学仪表进行检验分析，结果表明：我国电厂在线化学仪表的测量准确率普遍不高。赵素红[8]对在线仪表“两高”现象出现的原因进行了分析，除开仪表选型不合理、仪表维护工作不到位外，水汽取样装置的设计不合理也是重要因素之一。

水汽取样装置由高温取样架、恒温装置和低温取样架三部分组成，通过水汽取样装置，对进入在线化学仪表的水样温度、压力等参数进行调控，对取样系统中的杂质进行排污，确保进入仪表的水样满足测量要求[9]。如果水汽取样装置运行出现故障，将会对仪表准确测量产生巨大影响[10,11]。

1 水汽取样装置运行现状

1.1 高温取样架运行现状

高温取样架是水汽取样装置的首道关口，主要承担着对来自水汽系统取样点的高温高压水汽样品的降温降压及排污功能。高温取样架通常由高温高压截止阀、排污阀、冷却器、调压阀等阀门及相关部件组成。高温取样架在运行过程中，经常会出现如下故障：

（1）高温取样架高温截止阀及排污阀内漏

阀门作为输送流体的控制部件,具有截止、调节、导流、防逆流、稳压、分流等功能。对于高温取样架而言，高温截止阀在运行过程中处于完全开启或关闭状态。不同机组对应的水汽参数各有差异。当前我国以高效低碳的超（超）临界机组为主，其蒸汽温度在22MPa以上，温度可达570℃，给水温度也在280℃以上。从系统直接取样的水汽温度、压力等参数很高，会对高温截止阀产生巨大冲击，同时热应力也会加速阀门失效，最终导致阀门由于密封面损坏[12]、空化[13]、填料磨损[14]、温度压力变化时阀瓣偏斜等因素导致阀门内漏，失去截流作用[15]。

高温排污阀同样存在上述问题。部分电厂采用未经冷却就直接排污的控制方式，导致排污阀内流体介质温度、压力很高，高温高压流体给排污阀造成严重的冲刷腐蚀，导致阀门内漏[16]。有的电厂采取初级冷却后再排污的方案，冲刷腐蚀现象虽有减缓，但是阀门内漏现象仍然存在。这是因为部分水样温度、压力很高，经初级冷却后仍然会对排污阀造成巨大冲击而导致阀门失效。

高温截止阀及排污阀内漏会对取样装置功能造成巨大影响。在取样系统故障、部分水样需要检修时，如果截止阀关不严，会导致高温高压的水汽进入取样系统，给安全检修造成巨大隐患。在启机过程中，阀门内漏，同样会给取样系统调整和运行人员投运取样装置造成安全隐患。

机组在运行过程中，无时无刻不在产生腐蚀产物[17]。由于取样系统取样管管径小，流速低，且在部分管段存在汽液两相流，因此腐蚀产物容易在取样管中存留，会导致取样不具有代表性，最终影响化学监督测量的准确性。因此，运行机组需要定期进行排污[18,19]。但是，由于排污阀性能不稳定，经常在排污后内漏，导致运行人员不敢排污和不愿意排污。此外，排污阀内漏会导致空气中的杂质和氧气、二氧化碳等成分进入取样系统，导致在线化学仪表测量出现偏差，同样会影响化学运行监督控制的效果。

因此，高温取样架高温截止阀及排污阀内漏问题，严重影响机组的安全运行，也制约着化学运行监督控制水平；

（2）高温取样架冷却器污堵

高温取样架冷却器利用冷却水对高温高压水汽介质进行降温降压。冷却器多采用不锈钢材质，通常较少出现机械断裂，失效原因基本归因于冷却器污堵。一般发电厂受地理条件限制，多使用半开式循环水系统，冷却水经凝汽器换热后，通过自然通风冷却塔淋至水池降温后循环使用。在此过程中，采用物理和化学方法进行处理，保证水质在合格范围。当循环水水质恶化时，水中的杂质容易粘连沉积在冷却器表面，使冷却水流量降低，同时降低冷却器热传导效率，导致对水汽样品换热降温能力下降，引起进入仪表的水样温度升高，影响仪表准确测量。

对于开式循环水系统和海水直流机组，通常对于水质较少处理，因此水中污泥、微藻、海生物等杂质也会在循环水泵作用下进入冷却器，造成冷却器污堵。此外，海水中存在的大量氯离子会腐蚀不锈钢冷却器，只不过这种腐蚀效果是缓慢的，通常难以对冷却器性能产生严重影响。

当循环水系统处理采用常规磷处理方案，循环水中的污垢以磷酸钙、碳酸钙等硬度盐类为主，其溶解度随温度升高而减小[20]，因此会在冷却器进口处大量沉积。一般而言，当循环水的流速超过1m/s时，污垢和悬浮物等杂质容易被水流冲走[21]。但是如果冷却器结构设计不合理，或者冷却水流速难达要求时，就会在冷却器表面沉积，影响换热效果。

高温取样架冷却器失效严重影响机组安全和人员安全。冷却器失效会导致高温高压水汽无法正常降温降压，导致调压阀及恒温装置难以有效正常工作，到达低温取样架的水汽样品超温超压，直接接触在线化学仪表会仪损坏表，造成巨大的经济损失。高温高压水汽从手工取样排出，也会给运行人员造成巨大伤害。冷却器失效后，采用降温后再排污的排污阀将会受到高温高压流体的剧烈冲刷，加剧阀门失效速度，影响排污安全。此外，因为冷却水水质普遍较差，如果冷却器轻微泄漏，会导致进入低温取样架水样被污染而不具有代表性，造成测量结果偏差。

（3）高温取样架调压阀堵塞

高温高压水汽样品经过冷却器进行减温减压后，还需要经过调压阀进一步调节压力，从而确保进入在线化学仪表的水样流量保持在适宜的测量范围内。调压阀也是高温取样架多个部件中容易发生故障的一个。调压阀故障主要体现在阀门堵塞。由于水汽流体中不可避免携带有机组运行过程中产生的腐蚀产物和其他杂质，容易在调压阀过流部位沉积而影响调节阀的调节特性，严重时甚至水样断流，从而导致流量不符合在线化学仪表测量要求，影响化学监督测量结果。

总之，高温取样架截止阀、排污阀、冷却器和减压阀如果出现故障，会对化学监督测量带来巨大影响，应该引起运行检修人员的注意。

1.2 低温取样架运行现状

水汽样品经高温取样架降温降压后，经过恒温装置调节温度后（通常在线化学仪表要求的适宜测量温度为25℃），进入低温取样架。低温取样架主要由手工取样及在线化学仪表两部分组成。在日常运行中，在线化学仪表由于维护不及时、水样参数不适宜等多种情况，导致水汽化学监测结果偏差巨大。

（1）水样流量不合适导致仪表测量偏差

水样流量适宜与否严重影响在线化学仪表测量准确性。不适宜的水样流量，会造成仪表电极无法完全接触水样、传感器工作不正常等，从而严重影响了测量的准确性。目前，水汽取样装置的流量调控依赖于调压阀与手工取样的共同作用。通过调压阀调节水样总流量，然后通过调节手工取样流量的大小来控制进入仪表的水样流量。以上操作存在明显缺陷：当机组负荷变化时，水样总流量会发生变化，人工无法及时调节手工取样流量来确保在线化学仪表流量始终处于适宜状态，造成在线化学仪表断流或者流量超限，从而带来在线化学仪表无水样可测和水样参数不合理的问题；

（2）水样温度不合适导致仪表测量偏差

水样温度主要受高温取样架冷却器和恒温装置调控，经过冷却器的水样温度各不相同，在恒温装置的调控下，统一将水样温度控制在25℃，为在线化学仪表提供友好可靠的测量环境。恒温装置通过控制加热或冷却来控制水样温度，其控温原理可以分为开环控制和闭环控制两种。其中开环控制根据预设的温度范围来控制加热或冷却系统的输出，而不考虑实际温度的变化，因此这种控制方式控制精度较低。闭环控制方式通过传感器温度来实时监测温度变化，并根据实际温度与设定温度之间的差异来调整加热或冷却系统的输出。这种控制方式可以更准确地维持设定的温度范围，但是需要更复杂的控制系统和更高的设备成本。恒温装置在长时间运行后，容易出现冷却效果降低甚至失效的作用，这通常是因为压缩机故障造成的。部分电厂在基建时期由于设备调试不到位等原因，也会造成恒温装置运行异常或故障，从而对（氢）电导率、pH等关键参数准确测量产生巨大偏差，从而影响化学加药防腐效果。虽然目前在线化学仪表基本都具备温度补偿功能，然而，在实际运行过程中，各个仪表的温度补偿结果通常是不准确的，因此，仍需要将水样温度保持在25℃以保持仪表测量准确。

2 水汽取样装置改进方向

综上所述，水汽取样装置在运行过程中，高温取样架及低温取样架都存在诸多故障问题，从而影响在线化学仪表测量准确性。针对以上问题，提出电厂水汽取样装置的改进方向。

2.1 开展水汽取样装置可靠性提升研究

高温截止阀、排污阀和恒温装置是水汽取样系统关键设备部件，能否长久安全稳定运行关系到水汽取样代表性和在线化学仪表测量准确性。应开展装置可靠性研究，通过新材料、新工艺，提升截止阀和排污阀在高温高压条件下耐冲刷腐蚀性能，通过增设传感器、优化恒温控制逻辑等方式，进一步提高恒温装置的运行可靠性。

2.2 开展水汽取样装置自动化研究

高温取样架内存在高温高压工质，在排污操作及阀门泄漏等情况下，会对运行人员造成极大安全隐患；另一方面，排污阀需要人工操作，会造成排污不及时甚至不排污，从而影响取样代表性。调压阀同样需要人工调节，在机组负荷变化时难以保证在线化学仪表流量适宜。因此，开展水汽取样装置自动化研究，实现排污功能和调压功能的自动化，从而实现定期排污和自动调压，有有助于确保取样代表性和仪表流量稳定性，从而确保在线化学仪表测量准确。

2.3 开展水汽取样装置智能化研究

水汽取样系统部件种类多、水汽参数差异大，而在线仪表准确测量对于取样装置可靠运行和参数稳定要求均很高。传统的控制手段和监测手段难以有效实现设备故障预警、故障诊断、寿命预测功能，难以实现水样关键参数的数字化监测和智能调控，完全无法实现能耗监测、能耗优化、控制优化，已经不符合发电厂安全稳定、绿色低碳运行的要求。结合物联网、大数据、人工智能技术，开展水汽取样装置智能化研究，实现对于取样装置关键设备的实时监控、智能诊断、智能检修，实现对于水样关键参数的智能监控、智能优化、智能寻优，有助于显著提升水汽取样装置安全稳定运行水平和水样关键参数平稳控制水平，有助于化学监督控制的准确，从而提高机组防腐防垢、节能降耗水平。