摘　要：分别对给水pH值、电导率、流量相关控制信号在测量中存在的技术问题进行了详细的分析，并采用将给水电导率换算成pH值的技术，提出了一种提高自动控制加氨准确性的方法。

关键词：火电厂；给水加氨；pH值；自动控制

0　概述

　　随着电力工业的飞速发展，大容量、高参数、亚临界、超临界机组相继投产，高参数机组对化学水汽品质、加药控制技术水平的要求越来越高，因此提高水汽监督水平，提高分析测量的准确性，提高化学加药控制水平，使机组在最佳水汽品质工况下运行，是保证水汽系统防腐、防垢和防止积盐的重要环节，这对机组的安全经济运行起到重要作用。

　　在以除盐水为补充水的高参数、大容量汽包锅炉中，采用加氨调节给水pH值方法已成为我国火力发电厂汽包锅炉调节给水pH值最广泛使用的方法。在GB/T 121451999《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》中规定：汽包炉中，锅炉蒸汽压力12.7～18.3 MPa，要求给水氢电导率（氢离子交换后，25 ℃）≤0.3 μS/cm，pH值为8.8～9.3（25 ℃，有铜系统），或pH值为9.0～9.5（25 ℃，无铜系统）。加氨的多少直接影响给水pH值的大小，因此用给水pH值控制加氨最直接、效果最好，但在实际运行中，发现用给水pH值直接控制加氨，受许多因素的影响。

1　给水pH值在实际测量中存在的问题

1．1　纯水pH值测量的静电荷问题

　　在实际中经常发现给水pH值在测量时会产生明显的误差，很难保证测量的准确性，原因在于：高参数汽包锅炉给水水质较纯，当电导率≤5μS/cm时，水样接近于绝缘体，水样流动与电极表面摩擦类似于绝缘体之间摩擦，可产生静电荷，使玻璃电极电位Eb和参比电极电位Ec均发生变化，由于静电荷的作用，在测量电池中产生与测量水样pH值无关的△Er，△Er被叠加到测量信号上，一起送入仪表输入端，其结果造成pH值测量误差。在25 ℃时，这种静电荷产生的电位差每变化5.916 mV，pH值就会造成0.1的误差，在实际运行中，有时静电荷造成的电位差可达几十毫伏，由此造成很大的pH值测量误差。

　　这种由于纯水流动摩擦引起的静电荷问题，可以采取测量池可靠接地，并将摩擦产生的部分静电荷通过地线排走，以减少摩擦静电产生的误差。同时在保证仪表正常测量用水的情况下，尽可能降低测量池流速并且使流速稳定。采用以上方法只能减少纯水静电引起的误差，但很难完全消除。

1．2　温度对pH值测量的影响

　　pH值的测量基于电位式分析法，在非标准状态下测量给水pH值，测量电池的测量电位可以用能斯特方程来表示：

　　E=E0+0.198 4 T lg a/n （1）

式中E——测量电池的测量电位，mV；

　　E0——电极膜电位、内充液电位、内外参比电极电位等综合电位，mV；

　　0.198 4 T lg a/n——与溶液pH值有对应关系的电位，mV。

　　将能斯特方程对温度T求导：

　　dE/dT=dE0/dT+ 0.198 4lga/n+0.198 4Td lga/n dT （2）

　　dE/dT为温度每变化1华氏度所引起电位的变化，dE0/dT为电极的标准电位温度系数项，它表示电极特性项，与电极的膜材料、内充液、内外参比电极等的温度特性有关，可以通过仪器进行补偿。

　　0.198 4lga/n为温度系数斜率项。当n=1时，温度每变化1 ℃，则斜率变化0.198 4 mV；当n=2时，则斜率变化0.099 2 mV，该项可以通过仪器进行完全补偿。

　　0.198 4Td lga/n dT为溶液温度系数项。它与溶液的离子活度、电解平衡常数等有关。溶液的离子活度、电解平衡常数不仅随温度变化，而且随水中不同物质组成而变化，是无法确定的，因而不能通过仪器进行补偿。

　　综上所述，用温度补偿的方法无法完全消除温度对水样pH值测量造成的误差。在实际运用中，水汽控制指标是25 ℃时的pH值，在偏离25 ℃时，测量值会产生一定的误差，因此必须严格控制水样温度在25℃±2 ℃范围内。

1．3　校正对pH值测量的影响

　　pH计的标定一般采用两点法：先在一种pH6.86（或pH9.18；pH4.01，25 ℃）标准溶液中定位，然后在另一种pH9.18（或pH6.86、pH4.01，25 ℃）标准溶液中标定斜率。测量电极放入一种标准溶液中，稳定一段时间后，测量电极与标准溶液产生一个稳定的电极电位，但这个电极电位不是立即达到的，而是经过一定时间，逐渐达到稳定的电极电位。对于手动标定的仪表，在标定时，电极放在标准溶液中可以时间稍长些，使电极电位稳定后再标定仪表。对于自动标定的仪表，第2点标定的时间有固定限制（或根据电位变化情况自动选取第2点的读数），这对于响应快的电极不会产生很大误差，但对于响应时间较长的电极，电极电位未稳定就进行读数标定，会产生很大的误差。

1．4　测量电极质量的影响

　　目前测量pH值时大多采用玻璃电极，由于电极的膜材料、厚度、绝缘性、制造工艺等因素的影响，同一批生产的电极性能也不完全相同，这也是影响给水pH值测量准确性的因素之一。

1．5　给水pH值测量不准造成的影响

　　由于给水pH值受纯水静电荷、温度、外界干扰、校正、玻璃电极质量等许多因素的影响，尤其是纯水静电荷的影响难以完全排除，因此很难保证给水pH值测量的准确性。

　　汽包炉中，锅炉蒸汽压力为12.7～18.3 MPa，对于有铜合金的给水系统，要求控制给水的pH值在8.8～9.3（25 ℃）范围内。给水pH值控制范围为±0.5，在25 ℃时，测量电池只要产生5.916 mV的误差，在pH值控制范围内就会产生20%的误差，因而用给水pH值作为加氨控制信号尽管最直接、效果最好，但实际应用有一定的难度。

　　如果测量出现误差，实际给水水样的pH值超过9.3，而测量值小于9.3，长期运行，会造成铜加热器（如铜制低压加热器、轴封加热器）和铜管凝汽器的腐蚀溶解，腐蚀产物进入蒸汽系统会加剧汽轮机的积盐，造成汽轮机出力和效率的降低。pH值过高还会造成凝汽器空抽区附近铜管的氨蚀，使凝汽器发生泄漏。反之，实际给水水样的pH值小于8.8，而测量值大于8.8，长期运行，会造成给水系统钢设备和管道的腐蚀溶解加剧，其腐蚀产物进入锅炉会加剧水冷壁的沉积和腐蚀，结果造成管道损坏，甚至出现严重事故。

2　给水电导率的测量及电导率与pH值的关系

2．1　给水电导率的测量

　　溶液导电是依靠离子在电场作用下定向迁移实现的。将被测溶液看作一个导体，在电极两端加一定的交流电压，产生的电流信号经放大处理，得到测量溶液的电导率。电导率表征被测溶液的导电能力时，是指水中各种正、负离子导电能力的总和。电导电极是2块金属板（在线仪表测量电极大多数为不锈钢筒套式结构），比较稳定，也不受其他外界因素的干扰。

　　另外，电导率是通过测量溶液阻抗，再转换为电流信号而得到的，因而基本不受纯水静电荷的影响，测量准确率大大提高。

2．2　分布电容和温度的影响

　　机组正常运行情况下，给水氢电导率≤0.3μS/cm（25 ℃）。加氨后，给水在pH8.8～9.3范围内，电导率通常在1～6μS/cm范围内变化，此时电导率较小，电极表面极化电阻的影响较小，分布电容影响较大，可以采用低频率的测量电流，减少分布电容的影响。

　　电导率在1～6 μS/cm范围内变化，电导率随温度的变化基本为直线，故温度补偿可以按式（3）进行补偿：

　　X（25 ℃）=Xt /［1 +β（t-25）］ （3）

式中X（25 ℃）——水样换算为基准温度25 ℃下的电导率；

　　Xt——水样在t ℃时的电导率；

　　β——水样温度补偿系数。

　　水样电导率在1～6μS/cm范围内变化时，β可以取0.02/℃。

2．3　给水电导率与给水pH值的关系

　　25 ℃给水氢电导率≤0.3μS/cm时，水中的杂质对电导率的影响非常小。给水加氨后，氨气溶于水成为弱碱性溶液，增强了溶液的导电能力，使给水电导率示值增大十倍甚至几十倍。因此给水电导率大小主要取决于水中氨的浓度。水中氨浓度与pH值和电导率之间存在确定的关系。

　　根据给水电导率与pH值的关系，可以通过测量电导率计算出pH值。

　　德国VGB标准和欧洲标准都建议用测量给水电导率反算pH值的方法测量给水pH值。

2．4　给水电导率测量精度高，控制范围大

　　由表1可以看出，对于有铜合金的给水系统，给水pH值控制在8.8～9.3（25 ℃），则电导率在1.7～5.3 μS/cm范围内变化，电导率控制误差为±3.6 μS/cm， pH值控制误差为±0.5 ，电导率控制范围比pH值大，另外电导率测量精度比pH值测量精度高，因此用电导率作为控制信号更合理。

3　给水流量与加氨控制的关系

给水流量也是加氨控制的一个重要指标。锅炉给水流量增大，则补水量增加，为保持给水pH值在控制范围内，加氨量增大；反之流量减少，补水减量，加氨量减少。不同容量的机组、不同的系统给水流量的大小与加氨量的关系不同，但它们都有一定的对应关系。为了使给水pH值在控制范围内运行，可以用给水流量信号控制加氨量，这样就避免出现给水pH值测量不准确、控制范围小、误差大、不易实施的弊端。

4　国内自动加氨控制技术及展望

通过以上分析可以看出，用给水pH值控制加氨量最直接，但是，给水pH值测量影响因素多、误差大，且pH值控制范围小，仅±0.5，因此用给水pH值控制加氨量实施困难。目前国内通常用流量信号控制加氨，有的用给水流量作为主调节信号，给水电导率或pH值作为辅助信号控制加氨。由于给水流量大小随机组负荷变化和系统运行调节而变化，给水流量与pH值数学模型因机组不同而异，需要在运行中摸索确定，因此用流量信号控制加氨的精度、准确度不高。

　　目前有关单位正在研制一种多功能分析仪表，它可以直接测量给水的电导率，在25 ℃、水样稳定、保证电导率测量结果准确的前提下，具有把电导率换算成pH值的功能。在仪表表头上可以同时显示给水电导率值和pH值，这样用给水电导率作为控制信号的同时，还可以监测给水pH值。对于有铜合金的给水系统，电导率一般控制在1.7～5.3 μS/cm范围内，25 ℃给水pH值控制在8.8～9.3范围内，相对于pH值而言，电导率比pH值控制范围要宽。另外，给水电导率的测量较pH值测量影响因素要少，测量准确度高，利用给水电导率和pH值的对应关系，通过测量给水电导率并用其信号控制加氨，使pH值控制在8.8～9.3范围内，控制加药会更及时、准确，其精度和准确度也会大大提高。