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【摘要】随着我国电力工业的发展，特别是火电厂高参数大容量机组的投产，对水汽品质和水质工况的控制提出了越来越严格的要求。能否严格准确地进行水质调节，直接关系到整个机组的稳定、经济和安全运行。本课题主要针对国大唐淮南洛河发电厂而设计的一套用于发电机组热力系统水汽质量控制的化学加药系统。
【关键词】化学加药系统，变频调速，水处理
中图分类号： V444.3+7 文献标识码： A 文章编号：
1、引言
随着我国电力工业的不断发展，电站辅机设备的作用越来越引起人们的重视，锅炉水处理作为辅机的重要组成部分尤为重要。然而，目前仍有部分火电厂锅炉给水加药控制系统还采用手动加药方式,无法满足锅炉运行工况及操作条件变化的需要,造成锅炉系统中药剂的浓度时高时低,浪费大量药剂,而且导致汽轮机的冷凝器空抽区铜管等处的氧化腐蚀,甚至会因腐蚀断裂造成停机事故。目前,基于PLC 的电站锅炉给水加药控制系统,已经解决了自动加药的问题,但配药还是采用手动方式控制,不能完成对各参数的设定与控制,属于半自动化操作系统[1]。
2、系统原理
火电厂化学车间的加药系统包括给水加氨、加联氨和炉水磷酸盐协调处理两大部分，其中给水加联氨的目的是除去给水中的残余氧量，给水中加入适量的氨是为了将给水的pH值控制在一定的碱性范围之内(一般为8．8～9．2)，防止出现铜管和铁管腐蚀，而炉水磷酸盐协调处理控制主要是使得炉水的pH值、电导率、磷酸根的含量在合格的范圍之内，使锅炉管壁不腐蚀、不结垢，提高传热效率，防止锅炉因传热不均匀而引起爆管。
2.1 自动加药系统的化学原理
1、 加氨原理
氨溶于水发生如下反应：
NH3+H2O ↔ NH3 ∙ H2O ↔ NH4+ + OH-（2-1）
因而，氨水是一种弱电解质，属于弱碱，在溶液中存在着电离平衡。我们可以利用氨水的碱性来调整给水的pH值。反应如下：
NH3 ∙ H2O + H2CO3 → NH4HCO3 + H2O（2-2）
NH3 ∙ H2O + NH4HCO3 → （NH4）2CO3 + H2O（2-3）
计算表明，若加入氨量恰好将H2CO3中和至NH4HCO3，则给水pH值约为7.9；若中和至（NH4）2CO3给水的pH值为9.2。通常加氨的目的是将pH值调节在8.5以上，即加氨量多于完成第一步中和反应所需要的量[2]。
2、 加联氨原理
联氨（N2H4）又称肼，在常温时，是一种无色液体。联氨是一种还原剂，特别是在碱性水溶液中，它是一种很强的还原剂。它可将水中的溶解氧还原，如下式：
N2H4 + O2 → N2↑ + 2H2O（2-4）
反应产物N2和H2O对热力系统的运行没有任何害处，用联氨除去给水中溶解氧就是利用它的这种性质。在高温（t > 200。C）水中N2H4可将Fe2O3还原成Fe2O4以至Fe，反应式如下：
6Fe2O3 + N2H4 → 4Fe3O4 + N2 + 2H2O （2-5）
2Fe3O4 + N2H4 → 6FeO + N2 +2H2O （2-6）
2FeO +N2H4 →2Fe + N2 + 2H2O （2-7）
N2H4还能将CuO还原成Cu2O或Cu。联氨的这些性质可以用来防止锅内结铁垢和铜垢。
按理论计算，1mg/L溶解氧需要与1mg/L联氨反应，但是由于还能发生上述反应，一般按1.5—2.0份的联氨对1份溶解氧来控制[3]。
3、 炉水的磷酸盐处理原理
锅内磷酸盐处理的目的就是向锅炉水中投加某些磷酸盐药品，使之形成能防止结垢，又能避免碱性腐蚀的发生条件，从而保证锅炉的安全经济运行。工作原理如下：
协调磷酸盐处理是一种既严格又合理的锅内水处理方法，它不仅能防止钙镁垢的产生，而且能防止锅炉管的腐蚀。对于以除盐水为补给水的高压炉，为避免游离NaOH产生，可采用此方法来控制炉水PH，使Na+和PO43-保持平衡。
协调磷酸盐处理就是除了向锅炉水中加入一定量的Na3PO4外，还添加磷酸氢盐，如用Na2HPO4时：
Na2HPO4 + NaOH ↔ Na3PO4 + H2O 2-10
只要加入的Na2HPO4量足够，就可以使水中的NaOH都成为Na3PO4的一级水解产物，即水中无游离的NaOH。
我们用磷酸盐溶液中的Na+和PO43-的摩尔数比R（R=Na/PO4）,来描述水溶液中不同组分的磷酸盐。对于各种不同组分的磷酸盐。对于各种不同组成比例的Na3PO4和Na2HPO4混合溶液中，Na/PO4摩尔比R在2—3之间，且Na2HPO4越多的溶液中Na/PO4摩尔比越接近2。
经研究得知，当磷酸盐溶液的R<2.85时即使发生磷酸盐暂时消失现象，析出磷酸盐固相附着物时，由于Na2HPO4的存在，炉管管壁边界层中也不会产生游离的NaOH,就避免了炉管的碱腐蚀。此外，锅炉水中R的下限应该大于2.2，以保证炉水的pH值较高，防止发生酸性腐蚀的可能。在实际运行中，协调磷酸盐处理一般控制在R为2.5—2.6。这样既可以维持规定的pH值，又可防止NaOH腐蚀的余度[4]。
2.2 自动加药系统的设计原理
1、加氨系统的工作原理
系统由PH表, 电导表, 控制器, 变频器, 加药泵等组成。测量仪表pH 计在线测得给水母管中给水的pH值,其输出4～2 mA 信号给控制装置中调节器,调节器设定要控制的pH 值并比较pH 计输出与设定的pH值,当pH 计输出的pH 值< 设定值时,调节器将输出控制信号给变频器,变频器输出频率随时间增加的三相电源给加氨泵的交流电机[17]。交流电机拖动加氨泵工作,通过加药管向给水管道中逐步增加加氨量,直到给水pH 值达到设定值 ,此时pH 计输出与调节器设定pH 值一致,变频器将维持此时输出频率不变。反之当pH 计输出> 设定值时,变频器将输出频率随时间减小的三相电源给交流电机,直到给水pH 值减小到设定值。最终使给水的PH 值( 或电导率) 维持在规定的范围内。
2、加联氨系统的工作原理
一般来说, 联氨的加药点在除氧器之后, 而联氨的取样点在给水泵之后(某些系统在高压加热器之后)。联氨自动加药控制系统如下图所示。系统由取样管、联氨表、控制器、变频器、加药泵、加药管等组成[3]。
自动加除氧剂（联胺）系统是一个单回路后馈闭环控制回路，此系统控制原理较磷酸盐系统简单，与加氨系统类似，从表面现象上看只需控制溶氧量的上限值，实际情况是，既要控制溶氧上限值（最大加药量），同时要考虑节约药品，不能为了控制溶氧上限而靠过量加药来实现，应该控制一个适当的加药量既保证溶氧不超过上限，又能够节约药品[8]。（控制原理框图及等效原理如图2-2）
图2-2 联氨自动加药控制系统原理图
3、加磷酸系统的工作原理
磷酸盐协调处理控制系统由p H 表、磷酸根表、控制器、变频器、电磁阀、加药泵和电机等组成。自动控制加药原理如下：
炉水协调磷酸盐-pH 处理的自动控制加药原理：通过数据采集系统，在线采集质量浓度及pH值等，利用由纯磷酸盐理论（适于高压、超高压汽包锅炉炉水协调磷酸盐-pH处理）或修正的磷酸盐理论（适于亚临界压汽包锅炉炉水协调磷酸盐-pH 处理）推导得到的pH 值计算公式，由计算机计算出与炉水质量浓度和pH 值对应的R 值。通过与质量浓度给定值的比较，由工控机控制变频器以控制磷酸盐加药泵，自动调整加药量的大小；整个自动控制加药过程通过闭环负反馈的PID 算法和开关算法来实现自动调整加药量的大小和自动改变加药品种[4,9]。
图2-3 磷酸盐加药控制系统原理图
3、结束语
本文介绍的电站锅炉自动加药控制系统可采用先进的变频调速和PLC技术, 解决了手动控制困难和直流调速控制可靠性差的缺点。系统中可使用变频器作为执行机构。文中只对系统的设计原理作了大概的阐述，详细的施工图纸的要根据具体的施工对象进一步设计。
依此原理设计系统，其可靠性高, 性能稳定, 对节约药品, 保护环境, 可提高锅炉稳定性和安全性, 减小劳动强度, 减人增效等具有重要意义,可产生了良好的经济效益和社会效益。
【关键词】化学加药系统，变频调速，水处理
中图分类号： V444.3+7 文献标识码： A 文章编号：
1、引言
随着我国电力工业的不断发展，电站辅机设备的作用越来越引起人们的重视，锅炉水处理作为辅机的重要组成部分尤为重要。然而，目前仍有部分火电厂锅炉给水加药控制系统还采用手动加药方式,无法满足锅炉运行工况及操作条件变化的需要,造成锅炉系统中药剂的浓度时高时低,浪费大量药剂,而且导致汽轮机的冷凝器空抽区铜管等处的氧化腐蚀,甚至会因腐蚀断裂造成停机事故。目前,基于PLC 的电站锅炉给水加药控制系统,已经解决了自动加药的问题,但配药还是采用手动方式控制,不能完成对各参数的设定与控制,属于半自动化操作系统[1]。
2、系统原理
火电厂化学车间的加药系统包括给水加氨、加联氨和炉水磷酸盐协调处理两大部分，其中给水加联氨的目的是除去给水中的残余氧量，给水中加入适量的氨是为了将给水的pH值控制在一定的碱性范围之内(一般为8．8～9．2)，防止出现铜管和铁管腐蚀，而炉水磷酸盐协调处理控制主要是使得炉水的pH值、电导率、磷酸根的含量在合格的范圍之内，使锅炉管壁不腐蚀、不结垢，提高传热效率，防止锅炉因传热不均匀而引起爆管。
2.1 自动加药系统的化学原理
1、 加氨原理
氨溶于水发生如下反应：
NH3+H2O ↔ NH3 ∙ H2O ↔ NH4+ + OH-（2-1）
因而，氨水是一种弱电解质，属于弱碱，在溶液中存在着电离平衡。我们可以利用氨水的碱性来调整给水的pH值。反应如下：
NH3 ∙ H2O + H2CO3 → NH4HCO3 + H2O（2-2）
NH3 ∙ H2O + NH4HCO3 → （NH4）2CO3 + H2O（2-3）
计算表明，若加入氨量恰好将H2CO3中和至NH4HCO3，则给水pH值约为7.9；若中和至（NH4）2CO3给水的pH值为9.2。通常加氨的目的是将pH值调节在8.5以上，即加氨量多于完成第一步中和反应所需要的量[2]。
2、 加联氨原理
联氨（N2H4）又称肼，在常温时，是一种无色液体。联氨是一种还原剂，特别是在碱性水溶液中，它是一种很强的还原剂。它可将水中的溶解氧还原，如下式：
N2H4 + O2 → N2↑ + 2H2O（2-4）
反应产物N2和H2O对热力系统的运行没有任何害处，用联氨除去给水中溶解氧就是利用它的这种性质。在高温（t > 200。C）水中N2H4可将Fe2O3还原成Fe2O4以至Fe，反应式如下：
6Fe2O3 + N2H4 → 4Fe3O4 + N2 + 2H2O （2-5）
2Fe3O4 + N2H4 → 6FeO + N2 +2H2O （2-6）
2FeO +N2H4 →2Fe + N2 + 2H2O （2-7）
N2H4还能将CuO还原成Cu2O或Cu。联氨的这些性质可以用来防止锅内结铁垢和铜垢。
按理论计算，1mg/L溶解氧需要与1mg/L联氨反应，但是由于还能发生上述反应，一般按1.5—2.0份的联氨对1份溶解氧来控制[3]。
3、 炉水的磷酸盐处理原理
锅内磷酸盐处理的目的就是向锅炉水中投加某些磷酸盐药品，使之形成能防止结垢，又能避免碱性腐蚀的发生条件，从而保证锅炉的安全经济运行。工作原理如下：
协调磷酸盐处理是一种既严格又合理的锅内水处理方法，它不仅能防止钙镁垢的产生，而且能防止锅炉管的腐蚀。对于以除盐水为补给水的高压炉，为避免游离NaOH产生，可采用此方法来控制炉水PH，使Na+和PO43-保持平衡。
协调磷酸盐处理就是除了向锅炉水中加入一定量的Na3PO4外，还添加磷酸氢盐，如用Na2HPO4时：
Na2HPO4 + NaOH ↔ Na3PO4 + H2O 2-10
只要加入的Na2HPO4量足够，就可以使水中的NaOH都成为Na3PO4的一级水解产物，即水中无游离的NaOH。
我们用磷酸盐溶液中的Na+和PO43-的摩尔数比R（R=Na/PO4）,来描述水溶液中不同组分的磷酸盐。对于各种不同组分的磷酸盐。对于各种不同组成比例的Na3PO4和Na2HPO4混合溶液中，Na/PO4摩尔比R在2—3之间，且Na2HPO4越多的溶液中Na/PO4摩尔比越接近2。
经研究得知，当磷酸盐溶液的R<2.85时即使发生磷酸盐暂时消失现象，析出磷酸盐固相附着物时，由于Na2HPO4的存在，炉管管壁边界层中也不会产生游离的NaOH,就避免了炉管的碱腐蚀。此外，锅炉水中R的下限应该大于2.2，以保证炉水的pH值较高，防止发生酸性腐蚀的可能。在实际运行中，协调磷酸盐处理一般控制在R为2.5—2.6。这样既可以维持规定的pH值，又可防止NaOH腐蚀的余度[4]。
2.2 自动加药系统的设计原理
1、加氨系统的工作原理
系统由PH表, 电导表, 控制器, 变频器, 加药泵等组成。测量仪表pH 计在线测得给水母管中给水的pH值,其输出4～2 mA 信号给控制装置中调节器,调节器设定要控制的pH 值并比较pH 计输出与设定的pH值,当pH 计输出的pH 值< 设定值时,调节器将输出控制信号给变频器,变频器输出频率随时间增加的三相电源给加氨泵的交流电机[17]。交流电机拖动加氨泵工作,通过加药管向给水管道中逐步增加加氨量,直到给水pH 值达到设定值 ,此时pH 计输出与调节器设定pH 值一致,变频器将维持此时输出频率不变。反之当pH 计输出> 设定值时,变频器将输出频率随时间减小的三相电源给交流电机,直到给水pH 值减小到设定值。最终使给水的PH 值( 或电导率) 维持在规定的范围内。
2、加联氨系统的工作原理
一般来说, 联氨的加药点在除氧器之后, 而联氨的取样点在给水泵之后(某些系统在高压加热器之后)。联氨自动加药控制系统如下图所示。系统由取样管、联氨表、控制器、变频器、加药泵、加药管等组成[3]。
自动加除氧剂（联胺）系统是一个单回路后馈闭环控制回路，此系统控制原理较磷酸盐系统简单，与加氨系统类似，从表面现象上看只需控制溶氧量的上限值，实际情况是，既要控制溶氧上限值（最大加药量），同时要考虑节约药品，不能为了控制溶氧上限而靠过量加药来实现，应该控制一个适当的加药量既保证溶氧不超过上限，又能够节约药品[8]。（控制原理框图及等效原理如图2-2）
图2-2 联氨自动加药控制系统原理图
3、加磷酸系统的工作原理
磷酸盐协调处理控制系统由p H 表、磷酸根表、控制器、变频器、电磁阀、加药泵和电机等组成。自动控制加药原理如下：
炉水协调磷酸盐-pH 处理的自动控制加药原理：通过数据采集系统，在线采集质量浓度及pH值等，利用由纯磷酸盐理论（适于高压、超高压汽包锅炉炉水协调磷酸盐-pH处理）或修正的磷酸盐理论（适于亚临界压汽包锅炉炉水协调磷酸盐-pH 处理）推导得到的pH 值计算公式，由计算机计算出与炉水质量浓度和pH 值对应的R 值。通过与质量浓度给定值的比较，由工控机控制变频器以控制磷酸盐加药泵，自动调整加药量的大小；整个自动控制加药过程通过闭环负反馈的PID 算法和开关算法来实现自动调整加药量的大小和自动改变加药品种[4,9]。
图2-3 磷酸盐加药控制系统原理图
3、结束语
本文介绍的电站锅炉自动加药控制系统可采用先进的变频调速和PLC技术, 解决了手动控制困难和直流调速控制可靠性差的缺点。系统中可使用变频器作为执行机构。文中只对系统的设计原理作了大概的阐述，详细的施工图纸的要根据具体的施工对象进一步设计。
依此原理设计系统，其可靠性高, 性能稳定, 对节约药品, 保护环境, 可提高锅炉稳定性和安全性, 减小劳动强度, 减人增效等具有重要意义,可产生了良好的经济效益和社会效益。