摘要：火電廠需要使用除鹽裝置生產(chǎn)純水以達(dá)到蒸汽鍋爐運(yùn)行的要求。在水/蒸汽管路上pH等各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量可以有效控制除鹽水的水質(zhì)，而常規(guī)pH電極在測(cè)量超純水方面有很大局限。目前流行的測(cè)量方法是超純水pH復(fù)合電極法和電導(dǎo)率差法，這其中包括恩德斯豪斯公司的Purisys CPF201超純水pH復(fù)合電極和一站式的電導(dǎo)率差法解決方案。迅速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的pH測(cè)量最大限度的滿足了生產(chǎn)過(guò)程的安全可靠運(yùn)行。

        一、火電廠水/蒸汽系統(tǒng)的水質(zhì)控制

        在火電廠為了滿足鍋爐運(yùn)行條件，給水品質(zhì)要滿足特定要求，即必須去除易形成結(jié)石和爐垢的堿性物質(zhì)。原因是鍋爐水冷壁結(jié)垢，會(huì)導(dǎo)致鍋爐水冷壁外壁表面溫度升高，降低水冷壁的機(jī)械強(qiáng)度。另外，給水中還不允許含有氣體(如CO2，O2)和酸，否則會(huì)導(dǎo)致水冷壁和管道的腐蝕。最后水中還不能含有各類懸浮物和油污。為了檢測(cè)這些參數(shù)，需要在水/蒸汽的管路上若干點(diǎn)安裝分析儀表測(cè)量溶解氧、電導(dǎo)率和pH值等。本文將主要介紹火電廠超純水/除鹽水的pH測(cè)量。

        電廠的除鹽工藝如圖1所示

注釋： 原水(Raw water) 陽(yáng)床(Cation filter) 脫碳器(CO2 cascader) 陰床(Anion exchanger) 混床(Gravel bed filter) 酸貯罐(Hydrochloric acid tank) 堿貯罐(Caustic soda tank) 去除氧器(To degasification plant)

        二、常規(guī)pH電極

        火電廠超純水的pH值測(cè)量一直困擾著人們。從反滲透、離子交換除鹽到鍋爐給水、爐水、蒸汽水再到內(nèi)冷水和凝結(jié)水等熱力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié),幾乎全是純水和超純水質(zhì)。用常規(guī)測(cè)量溶液用的pH電極去測(cè)試這些水樣，結(jié)果難以令人滿意―――響應(yīng)慢、漂移、噪聲、重復(fù)性差和電極使用壽命縮短，主要的原因主要有如下兩方面。

        （1） 常規(guī)pH電極是設(shè)計(jì)用來(lái)測(cè)量含有一定離子濃度的水樣的pH值的。當(dāng)把參比電極（KCl/AgCl）插入到超純水時(shí)，由于參比電極與水樣的濃度差很大，KCl開(kāi)始從參比電極滲透到水樣中，導(dǎo)致水樣/參比電極間的液接電位（diffusion potential）波動(dòng)，pH測(cè)量值不準(zhǔn)確。

        （2）超純水是極好的溶劑，可以輕易的溶解環(huán)境中的污染物。而超純水的緩沖性差，微量的污染就可能極大的改變超純水的pH值。例如，超純水可以迅速的從空氣中吸收CO2，使pH測(cè)量值偏低。

        美國(guó)的ASTM協(xié)會(huì)2001年通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)D5494-93《Standard Test Methods for pH Measurement of Waterof Low Conductivity 》中，嚴(yán)格地規(guī)定了超純水pH測(cè)量必須在一個(gè)特殊的裝置中密閉進(jìn)行以避免CO2的污染，同時(shí)避免水中揮發(fā)性物質(zhì)消散。 而實(shí)際上在中國(guó)火電廠化驗(yàn)室中，水樣pH的離線測(cè)量幾乎都是在燒杯中敞開(kāi)進(jìn)行的，水樣會(huì)不斷地吸收CO2，pH值會(huì)不停的往下降，影響了測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。因此，超純水pH在線測(cè)量越來(lái)越受到歡迎。

        在下面的兩個(gè)章節(jié)中，將著重介紹當(dāng)前應(yīng)用廣泛的兩種火電廠超純水pH在線測(cè)量方法。

        三、超純水pH復(fù)合電極

        本章將著重介紹恩德斯豪斯（Endress＋Hauser）公司的Purisys CPF201超純水pH復(fù)合電極。該電極是基于ASTM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的在線超純水pH測(cè)量傳感器，測(cè)量迅速準(zhǔn)確。電極（帶安裝支架）外觀如圖2所示。

        該電極的眾多獨(dú)特設(shè)計(jì)使其在火電廠超純水pH測(cè)量領(lǐng)域出類拔萃。

        3.1 316不銹鋼流通支架

        該電極自帶316不銹鋼流通支架，該支架的使用解決了如下三方面的問(wèn)題。

        （1） 消除流速引起的pH測(cè)量誤差，穩(wěn)定pH讀數(shù)。

        （2） 有效消除低電導(dǎo)率水中的靜電荷。

        （3） 獨(dú)特設(shè)計(jì)，防止積累顆�；蛭廴疚�。

        3.2 pH復(fù)合電極

        3.2.1 測(cè)量電極

        （1） 測(cè)量電極敏感膜（Glass membrane）阻抗低，靈敏性高。

        （2） 溫度補(bǔ)償，消除溫度變化對(duì)pH測(cè)量的影響。

        3.2.2 參比電極

        （1） 雙腔參比系統(tǒng)，電極穩(wěn)定性好，可靠性高。

        （2） 參比電極液接處為多空PTFE，液接電位（diffusion potential）穩(wěn)定。

        3.3 電極/電纜接口

        電纜與電極連接處采用數(shù)字感應(yīng)式雙向能量和信號(hào)傳輸，完全防水設(shè)計(jì)避免了潮濕、腐蝕問(wèn)題而且連接方便。工作原理如圖3所示

        以上諸多優(yōu)勢(shì)使得Purisys CPF201廣泛應(yīng)用于火電廠除鹽水的pH測(cè)量，以及制藥行業(yè)的注射用水（WFI:Water for Injection）。

        四、電導(dǎo)率差法

        除了超純水pH復(fù)合電極外，還可以在陽(yáng)離子交換器前后測(cè)量鍋爐水的電導(dǎo)率，通過(guò)前后的電導(dǎo)率差來(lái)計(jì)算出超純水的pH值。
恩德斯豪斯（Endress＋Hauser）公司提供一站式解決方案（One-Stop-Shopping）。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)由兩個(gè)CLS15超純水電導(dǎo)率傳感器，雙通道的Mycom CLM 153變送器，以及一個(gè)陽(yáng)離子交換器組成，如圖4所示。

        4.1 理論基礎(chǔ)

        （1） 由于Na+ and H+兩種離子的活性（mobility）不同，所以HCl酸的電導(dǎo)率是NaCl鹽的三倍。因此陽(yáng)離子交換器后的電導(dǎo)率KCE是交換器前的電導(dǎo)率Kdirect的三倍。

        （2） Kdirect由陽(yáng)離子交換器前的NaOH和NaCl（=1/3KCE）組成，所以交換器前NaOH的濃度CNaOH與（Kdirect-1/3KCE）成正比。

        （3） 對(duì)于含有NaCl雜質(zhì)的NaOH堿性超純水溶液，陽(yáng)離子交換器前的pH主要是由NaOH的濃度CNaOH決定的。

        基于以上化學(xué)理論基礎(chǔ)，根據(jù)VGB-R 450L標(biāo)準(zhǔn)采用如下算法，通過(guò)電導(dǎo)率差法測(cè)量超純水的pH，計(jì)算過(guò)程如下所示。

        4.2 測(cè)量系統(tǒng)工作原理

        兩個(gè)電導(dǎo)率傳感器CLS15測(cè)量出陽(yáng)離子交換器前后的電導(dǎo)率和溫度，并傳送到變送器上。Mycom CLM 153變送器通過(guò)超純水溫度補(bǔ)償，把兩電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為25℃時(shí)的電導(dǎo)率Kdirect和KCE；隨后通過(guò)式（3）換算出超純水的pH值。用戶只需要在變送器中選擇“pH測(cè)量模式”即可，而無(wú)需詳細(xì)編程。

        與pH復(fù)合電極相比，該測(cè)量系統(tǒng)的維護(hù)量小、操作方便，在火電廠已有不少應(yīng)用實(shí)例。圖5為德國(guó)某火電廠的除鹽水pH測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖。

        4.3 應(yīng)用工況

        使用電導(dǎo)率差法測(cè)量pH需要滿足一定的前提條件。首先，被測(cè)除鹽水必須是偏堿性的；其次，除鹽水中的雜質(zhì)主要包含NaCl且不含磷酸鹽（< 0.5 mg/l）；最后，如果pH<8則雜質(zhì)濃度應(yīng)小于堿性溶劑的濃度。

        除了恩德斯豪斯（Endress＋Hauser）公司外，瑞士的SWAN公司也提供電導(dǎo)率差法pH測(cè)量?jī)x表，該測(cè)量系統(tǒng)主要由電導(dǎo)率傳感器，“FAMDeltacon pH”變送器，“CATCON+”流通支架，陽(yáng)離子交換器等組成。

        結(jié)束語(yǔ)

        先進(jìn)而完整的測(cè)量?jī)x表推動(dòng)了火電廠各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化控制，保障了生產(chǎn)過(guò)程的安全可靠運(yùn)行。相信未來(lái)除鹽水pH測(cè)量技術(shù)將不斷提高，競(jìng)爭(zhēng)也將日趨激烈。 

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”