超临界机组给水自动加氨精准控制改造

刘迎春

摘要：锅炉给水自动加氨的调节能力决定着机组能否适应频繁、大幅度调峰的运行模式，对发电厂防止水汽系统腐蚀具有重要意义。此外，容易被忽略的是自动加氨的调节能力直接影响着凝结水中离子浓度，即高速混床的周期制水量。本文提出根据凝结水流量变化调整加氨量、维持恒定的氨溶液浓度以及监控在线仪表样水温度等措施，优化了给水自动加氨调控能力，在保障水汽系统防腐的同时提高了混床周期利用时间。

关键词：自动加氨，调控能力，电导率，氨溶液浓度，周期制水量

Transformation to improve the control ability of automatic ammonia injection to boiler feed water

YING CHUN LIU

CHN ENERGY BAOQING POWER GENERATION CO., LTD SHAOYANG

Abstract: The adjustment ability of the boiler feed water automatic ammonia injecting determines whether the unit can adapt to the frequent and large-scale peak shaving operation mode, which is of great significance to the power plant to prevent the corrosion of the water vapor system. In addition, it is easy to be overlooked that the ability to automatically inject ammonia directly affects the ion concentration in the condensate, that is, the periodic water production volume of the high-speed mixed bed. This paper proposes measures to adjust the amount of ammonia injected according to the changes in the condensate flow, maintain a constant ammonia solution concentration, and monitor the temperature of the sample water on the online instrument. This optimizes the automatic ammonia injection control capability of the water vapor system, and improves the periodic utilization of the mixed bed while ensuring the anti-corrosion of water vapor system.

Key words: Automatic ammonia injection; Regulation ability; Conductivity; Ammonia solution concentration; Periodic water production

引言

宝庆发电有限公司共有两台国产660 MW超临界直流燃煤机组，给水系统为无铜材质。机组炉内加药采用氧化性全挥发处理(AVT(O))工况，两台机组共用一套给水和凝结水加氨系统，配备两台氨溶液箱（一用一备）和三台变频加氨泵（两用一备）。氨溶液箱配药采用定时自动控制，其中，凝结水氨溶液箱药液电导率控制在1200 µs/cm左右。正常运行中，给水pH控制在9.3左右，凝结水加氨PID调节所跟踪的除氧器入口电导率为5.2 µs/cm，给水加氨PID调节所跟踪的省煤器入口电导率为5.4 µs/cm。凝结水100%处理，设计两台前置过滤器和三台球形高速混床，混床退出条件为满足以下任意一个：制水量超过12万吨，比电导≥0.2 µs/cm，钠≥2 µg/L，硅≥10 µg/L。在实际运行中，主要出现以下几个问题：

1. 机组负荷波动大时，自动加氨量波动大，有时需要手动控制加氨量，否则可能出现pH值低于国标^[1]下限的问题。

2. 氨溶液箱切换使用后，自动加氨量波动大，不及时人工干预会造成pH不合格。

3. 省煤器或除氧器入口在线电导因故断样数值降低时，自动加氨调节反馈失真，导致加氨量过高。

4. 凝结水精处理高速混床周期制水量变化幅度较大。值得注意的是在冬季制水量明显偏低，波动幅度约3万吨，冬季高速混床投退和再生次数明显增加，再生工作量及废水排放量增加。

1 原因分析

1.1氨溶液浓度波动

经现场查看，配氨管在氨溶液箱内0.3 m处呈现环形布置，氨溶液箱满刻度为0.9 m，药液配制后，若不搅拌，则氨溶液箱上半部分因未搅拌均匀而浓度低，下半部分浓度高。当氨溶液箱切换后，下半部分浓度比前一个氨溶液箱的浓度高，氨溶液浓度由低变高，而除氧器入口反馈的电导率无变化，加氨频率不变，导致加氨量偏高，电导率向上波动大；当氨溶液箱使用至液位0.5 m左右时，氨溶液浓度由高变低，而除氧器入口反馈的电导率加氨频率不变。但当发现电导率下降时，加氨量已经偏少，电导率向下波动大。所以，氨溶液配制后不搅拌，会出现氨溶液箱刚刚切换后或者是氨溶液箱液位在0.5 m左右时，给水电导率波动大，甚至出现人工干预不及时导致pH不合格情况。

1.2凝结水量变化

对1号机组凝结水流量波动引起的凝结水电导率变化情况进行了统计，结果见表1.

表1凝结水流量变化与电导率波动关系

时间段	凝结水流量/t		电导率/µs/cm
	变化范围	速率t/h	设定值	波动范围	波动幅度
7/10 21:00～22:00	1148～706	442	5.2	4.49～5.92	5.20±0.71
7/11 21:00～22:30	1170～850	268	5.4	4.93～5.96	5.44±0.51

由表中数据可知，凝结水流量波动引起的电导率波动幅度不一定，电导率波动幅度与流量的变化速率成正比，流量变化速率大，则电导率波动幅度大。现场观察，电导率波动幅度还与凝结水流量波动频率成正比，流量波动频率高，电导率波动幅度大。并且，这两种因素引起的电导率波动相互影响甚至叠加。在超临界直流炉中，凝结水100%处理，水汽品质达到超纯水标准。根据超纯水中pH值与比电导率对应关系^[2]如式(1)所示，

(1)

式中： DD为超纯水的电导率µs/cm。

PID调节电导率设定值为5.20 µs/cm和5.40 µs/cm，对应的pH为9.29和9.30。 凝结水流量波动引起电导率波动的两个最小值4.49 µs/cm和4.93 µs/cm，对应的pH为9.22和9.26，所以，PID调节电导率设定为5.20 µs/cm时，凝结水流量波动有导致pH值不合格风险；手动将设定值改为5.40 µs/cm时，凝结水流量波动导致pH值不合格风险降低。

1.3人为设定PID调节参数的随机性

由于用电需求有早、中、晚三个用电负荷高峰的特点，导致机组每天对应凝结水流量有六次变化。为了防止凝结水流量波动导致pH值不合格，运行人员经常在负荷波动阶段将PID调节的电导率设定值调至5.4～5.6 µs/cm。在超临界直流炉中，凝结水100%处理，水汽品质达到超纯水标准。超纯水中离子含量高的成份以每升几微克计，因此，凝结水高速混床的周期制水量由氨含量决定。由于人为设定PID调节参数的随机性较大，因此，高速混床周期制水量变化幅度大。

1.4加氨自动调节滞后

凝结水加氨是根据凝结水在线电导率设定值与实测值比对情况，PID调节加氨量，此调节是在接收到电导率变化后进行调节，即反馈调节，滞后是其最大特点。同时，由于机组在线电导率表位于厂房外的水汽取样间，与取样点存在一定距离，在线电导率表从取样到测量，再到测量结果反馈到加氨控制系统需要一定时间，因此，凝结水在线电导率表的反馈滞后。分别对两台机组停炉保养时，加氨量调节时间和除氧器入电导率值的反馈时间进行了统计，结果见表2：

表2：除氧器入口电导率反馈与取样距离的关系

机组	取样距离m	加药时间	反馈时间	反馈滞后时间
1号机	130	19:23:55	19:33:45	9’50”
		18:56:25	19:06:20	9’55”
		03:02:00	03:11:40	9’40”
2号机	70	18:42:56	18:53:12	6’12”
		20:45:36	20:52:06	6’30”
		11:09:26	11:16:16	6’50”

由表中数据可知，根据在线电导率PID调节加氨量的滞后情况受到在线仪表测量点与取样点距离的影响，距离越远，影响越大，电导率表与取样点距离130 m，电导率反馈滞后约10分钟。

1.5在线仪表样水温度低

冬季，闭式水温度常常低于20℃，导致在线电导率样水温度平均21℃,较仪表要求的25℃低4℃。超纯水的电导率温度补偿系数不是一个常数，而是一个变量，其数值从2%至9%随着温度和溶液纯度不同而产生连续变化^[3]，温度补偿方法复杂，较难达到准确校正。冬季在线氢电导率的测量值为0.05，实际值约0.08，差值达30%以上。间接说明，电导率的实测值比真实值低，导致加氨量高于其他季节。

2 处理思路

从前面的分析可以看出，导致pH出现不合格的原因是PID反馈调节滞后和环境温度。为防止负荷波动导致pH不合格，需要值班员经常将PID调节的电导率设定值在5.4～5.6 µs/cm范围内变动，这种变动每天必须进行六次以上，比较频繁。超纯水中电导率与加氨量存在对应关系^[2]：

A=(13.2DD²+62.7DD )x10^-3 （2）

式中：DD——超纯水的电导率µs/cm；A——超纯水的氨含量mg/L。

根据公式（2）可以计算出，电导率5.2 µs/cm对应的氨含量为0.68 mg/L；电导率5.6 µs/cm对应的氨含量为0.77 mg/L氨含量高出13.2%。接近混床平均制水量提高15%的估算。在除了冬季以处的其他季节制水量达到9～12万吨，平均制水量10.5万吨，若能将制水量稳定在12万吨，则混床平均制水量可提高15%，非常可观。

3处理方案及其可行性分析

3.1以凝结水流量变化为条件增加加氨量的前馈调节

在DCS画面上，将主网凝结水流量信号引至辅网机组水汽加氨系统；固定40 L/h的加氨泵的使用冲程为55%；保证两台机组满负荷运行时，每箱氨溶液使用时间在24小时左右，减少配氨次数，将配氨电导率确定为2000±100 µs/cm；根据手动调节加氨量的频率取得的电导率数据，将凝结水流量变化的0.8±0.1%作为加氨泵前馈调节的频率值。原凝结水的PID调节作为补充精细调节，根据现场的实际情况，#1机加氨泵的P值设定为0.3，I值设定为1800；#2机加氨泵的P值设定为0.4，I值设定为1000。给水的PID调节作为保护调节，防止凝结水流量调节异常，造成水汽品质不合格。因为流量波动幅度和流量波动频率互相叠加影响电导率，所以，在凝结水流量变化的第一时间改变加氨量，减少电导率波动的幅度，有利于PID补充调节。

3.2提高配制氨溶液的智能水平

一、氨溶液箱搅拌机增加自动启停的搅拌逻辑，当氨溶液箱由高液位下降时，自动启动搅拌器运行30分钟，避免氨溶液浓度不均匀。

二、规范配氨操作，减少氨溶液浓度波动。氨箱液位低至0.3 m一类报警，提示值班员及时退出氨溶液箱；在配氨母管上加装一个压力信号远传至DCS，配制氨溶液时，液氨管减压阀出口压力严格控制在0.14～0.15 MPa范围内；进氨时间取固定值，配氨时间到，自动关闭进氨门，精确控制进氨量，以减少人为配氨操作造成的氨溶液浓度波动。

三、凝结水氨溶液箱加装在线电导率表，时时监测氨溶液浓度，发现浓度异常，及时查明配氨操作或搅拌器故障造成的原因，及时进行处理。

3.3控制在线仪表样水温度提高仪表数据的准确性

一、增大水汽取样架上的恒温装置的加热功率，当闭式冷却水温度低时，通过恒温装置提高样水温度到25±2℃，以满足在线仪表测量准确度的要求。

二、将水汽取样架冷却器出口样水温度远传至DCS，并增加温度超限报警，当冷却器出口样水温度超过控制范围时，DCS画面上的温度数值颜色变红和光示牌报警，及时发现冷却器出口样水温度异常，及时处理，将温度控制在恒温装置可调节范围内。

三、将除氧器入口电导率表的样水温度远传至DCS上，及时发现在线仪表的样水温度异常，及时处理，减少温度造成的在线电导率表数据失真。

3.4增加联锁保护减少异常情况带来的不利影响

将凝结水精处理出口母管氢电导率测定改为比电导率测定，精处理出口母管电导率高于6.5 μs/cm时，加氨泵不能升高频率，以防止自动加氨时，因检修或设备故障，导致在线电导率表断样，值班员未及时调整引起加氨过多。

4 改造效果

1. 增加自动搅拌逻辑和稳定氨溶液浓度改造效果明显。改造后，在氨溶液箱切换后或者是氨溶液箱液位在0.5 m左右，机组给水自动加氨控制时，未出现给水电导率波动大的情况。

2. 控制在线仪表样水温度的改造效果明显。改造后，样水温度稳定控制在25±2℃，冬季与其他季节比，高速混床周期制水量无明显差别。

3. 凝结水加氨增加凝结水流量前馈调节，自动加氨的调控精度明显提高。当氨溶液电导率1200 µs/cm时，自动变频调节加氨量的电导率设定值设为5.2 µs/cm，凝结水流量由1200 t/h降为700 t/h时，#1机改造前电导率在5.92～4.49 µs/cm范围内波动，改造后电导率在5.30～5.08 µs/cm范围内波动，波动幅度下降80%。机组负荷波动时，值班员无需修改PID调节的电导率设定值。

4. 混床周期制水量稳定，平均制水量明显提高。因自动控制加氨精度提高，凝结水PID调节的电导率设定值由原来的5.2～5.6 µs/cm改为4.8～4.9 µs/cm，给水PID调节的电导率设定值由原来的5.4～5.8 µs/cm改为5.0～5.1 µs/cm，高速混床周期制水量波动由3万吨降至0.3万吨。高速混床周期制水量提高到12万吨及以上，高速混床退出运行的原因由出水电导率超标转变为达到自设的安全限值（12万吨），周期制水量明显提高。详见表3：

表3：自动加氨改造前后省煤器入口参数及混床制水量变化情况

项目	电导率/µs/㎝		pH		加氨量/mg/L		混床制水量/万吨
	改前	改后	改前	改后	改前	改后	改前	改后
最大值	6.35	5.54	9.37	9.31	0.93	0.74	12.0	12.0
最小值	4.92	4.92	9.26	9.26	0.62	0.62	8.5	11.5
平均值	5.83	5.26	9.33	9.29	0.81	0.69	9.2	11.8

5. 经济效益明显提高。

机组年利用小时按 4900 小时计算，则两台机组年处理水量1568万吨。混床平均制水量9.2万吨提升至11.8万吨，则年减少再生次数37次。树脂每次再生消耗按照如下计算：用酸 1.35 吨，单价550 元/吨；用碱 1.0 吨，单价 1300元/吨；用除盐水 450m³，成本价25 元/m³；废水量 450m³，成本价8.0 元/m³；则年减少再生废水量16650m³；年节约再生及相关费用16892元。

5 结束语

根据凝结水流量和电导率自动控制加氨泵频率调节加氨量，控制的电导率波动范围小，满足机组负荷波动控制加氨量的需要；提高了自动加氨调控能力，在合理范围内减少了加氨量，提高了凝结水精处理高速混床周期制水量，减少了精处理再生废水量，提高了机组水汽系统的安全经济运行能力。

参考文献

[1] 国家标准化管理委员会.火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量：GB/T12145-2016[S].中国标准出版社：9.

[2] 陆达年.在超纯水中电导率和pH、氨浓度的关系[C].中国电机工程学会.第四届全国火力发电技术学术年会论文集(上册).2003:548-550.

[3] 王二福.温度对超纯水电导率测量的影响及其对策[J].华北电力技术,1994(06):5-7.

作者简介：刘迎春（1972-），女，黑龙江，工程师，从事火力发电厂化学技术管理工作