摘要：结合机组在给水加氧处理方式下以自动控制形式进行的工作模式，介绍了造成水中氧含量波动的几个主要因素，分析导致波动的主要原因和影响范围大小，并以此为基础引入相应的改善措施，以达到稳定水中氧含量和减小波动幅度及范围的目的，从而提高自动控制加氧的精确性及稳定性，最终提高机组汽水品质，降低热力系统内腐蚀的发生。
关键词：给水；加氧；自动
0 引言
随着我国电力工业与技术的长足发展，近年来高参数直流锅炉电厂的建成及投产出现高潮。给水加氧处理作为伴随高参数机组一同成长的汽水处理方式，在提高机组安全性、稳定性以及效益性等方面得到各方肯定，越来越多的电厂开始长期处于OT工况（给水加氧处理）。
由于受我国经济状况及电力输出端结构升级等各方面的影响，火电机组利用小时数逐年下降，外加日趋频繁的深度调峰动作和各电厂的生产压力，机组负荷变化既频繁又迅速。这给OT工况的稳定运行造成了一定影响，主要表现在给水加氧处理中氧含量自动控制的精确性及稳定性不足的方面。
在正常条件下，给水中的氧含量根据不同机组的具体调试情况被控制在一定的波动范围内，其数值不仅受到调节方式、加氧设备及热控技术等因素的影响，还与机组的给水流量、压力以及机组运行状态等方面有着密切联系。在自动加氧的方式下，分析各种因素变化对给水中氧含量的影响及关联程度，是本文研究的主要方向。
1 给水加氧处理原理及其自动控制系统
1.1给水加氧处理原理
在碳钢表面有高纯水不断流动的情况下，向水中均匀注入氧气，可使碳钢的腐蚀电位得到提高，移入钝化区，不仅可以将其表面钝化，而且让水中平衡铁离子的浓度大幅降低。在这个过程中，碳钢表面首先形成Fe3O4的内伸层，而在上层Fe3O4的孔隙和表面，通过充分的氧化反应，转化为更加稳定的γ-FeOOH或α-Fe2O3进行填充和覆盖，形成外延层[1]，使碳钢得到更好的保护。
相较于AVT工况，OT工况不仅有效解决了水流加速腐蚀的问题，其“双层保护膜”还更加牢固，表面更加密实、平整。而且，加氧运行的累计时间越长，在保护膜中Fe2O3的占比就越高[2]。与此同时，精处理高混树脂再生周期及锅炉化学清洗周期得以延长，还减少了给水加氨用量，明显降低了生产成本，提升了机组的经济效益。
1.2给水加氧处理自动控制系统
在一般情况下，给水加氧处理以氧气钢瓶向系统内供氧，纯度大于99%的氧气通过处于凝结水精处理出口及除氧器出口的两个加氧点进入给水管道。而加入量的控制，则根据运行时系统取得的凝结水流量及给水流量数据，由上位机代入加氧自动控制逻辑公式，最终结果反馈到电动加氧调门而改变开度大小来实现水中氧含量的调节[1]。反馈取样点设置在除氧器入口及省煤器入口，除了水样中的pH值和氢电导率的实时监测以外，还包括氧含量、氧化还原电位（ORP）的监测及定期的铁含量检测[3]，并结合这些数据来判断系统中氧化的情况是否在期望范围之内。图1是某机组的加氧系统图。
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图1 加氧装置系统图
在电力行业标准中，OT工况的给水pH值的控制范围为8-9，氧含量的控制范围为30-150μg/L[4]。而在具体执行时，与欧美机组运行时的控制相反的是，我国多数电厂往往偏向于保持pH值在上限运行，使氧含量保持在下限运行。虽然这使得水质的缓冲性有所提高，但氧含量的波动极易跌破低限值，增加了设备受到腐蚀的概率。
2 影响水中氧含量的因素
2.1给水流量及压力变化的影响
首先可以明确的是，在某些特殊情况下，当凝结水流量、给水流量保持微小变化时，即此时加氧调门开度跟随流量数据基本不变，无论机组负荷是高是低，给水中的氧含量都会出现一定的不可避免的较小波动，但都能保持在合理范围之内，而且线性整体平稳，是较为理想的控制状态。
当流量发生变化时，变化的速率越快，所产生的含氧量波动就越突出，特别是在机组进入和退出深度调峰的过程中。这是由于加氧点的水端压力随着流量变化同时同向的上升或者下降，而进气端压力在管道中的变化较慢，使进气端压力在流量下降的过程中高于理想的加氧压力，导致氧气过量溶入水中；反之，进气端压力在流量上升的过程中低于理想的加氧压力，水中含氧量随之下降[6]。与此同时，基于氧难溶于水的化学特性，由给水压力升降而带来的氧溶解度的变化加剧了水中氧含量的波动幅度。其对比数据如图2所示。
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图2 某机组凝结水、给水流量与水中氧含量曲线对比图
作为常见的影响因素之一，为应对给水流量及压力变化，主要措施有两方面：一是增设靠近氧气加入点的二级稳压装置，尽量减少管道保持下的氧气体量，而氧含量的波动与稳压装置的控制效果密切相关。二是增设溶氧装置，使氧气溶于水的过程由独立的设备完成，使加入的氧气从气态转变为无气泡、无挥发、浓度稳定的高浓度过饱和溶氧水，在提高控制精准度的同时，降低因氧气引起的的难溶性影响[7]。
2.2取样滞后性的影响
以常规的自动控制逻辑来说，如果取样点的氧含量出现较大的波动而到达高值或是低值时，自动控制系统会对应做出调门补偿的动作，增加定量的反向开度，然后再继续跟随流量调节。但是由于加氧点与取样点的间距较远，补偿加氧效果的显现存在一定的滞后性，易导致这段时间内的过量补偿，造成给水氧含量的不必要波动，如果此时的给水流量仍有起伏，往往还会延长其波动时长。
相较于深度调峰的平稳负荷来说，这种情况多发生在机组正常运行的过程中，特别是给水流量长时间存在较大变化的时候，受流量波动与滞后性的双重影响，使得传统算法下的自动调节模式难以快速稳定水中氧含量[5]。该情况的调门开度与氧含量波动曲线如图3所示。
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图3 某机组凝结水加氧调门开度与氧含量波动曲线
为降低滞后性带来的波动，可以适当增加调试时间，取得更为精确的流量前馈系数来优化调门的调节速率及幅度。而更为根本的解决方法是在加氧设备管道上增设气体流量采样装置，直接测量加入氧气的大致体积，对比以给水流量为基准计算出的需氧量来控制调门开度，从而改进热控调节算法，最大限度地减少调门补偿动作次数[5]。但鉴于机组实际运行中的复杂程度，这一改进只能减少氧含量的波动时长，尚不能完全消除这一类型波动的出现。
2.3其他特殊操作的影响
2.3.1精处理设备操作的影响
在精处理设备的日常维护中，有前置过滤器定期清洗及失效高混更换两项操作，操作时会大量使用除盐水，累计带入的氧含量较高，在设备恢复投运后，会立即显现到取样数据上。此时如不能剔除额外带入的氧含量影响，加氧调门做出的补偿动作反而会扰乱原稳定的加氧状态，造成水中氧含量的大幅波动。
基于此类波动会使水中氧含量瞬间达到一个较高值（常见数值大于200μg/L的情况），可以在热控调节中加入条件剔除状况，根据调试得到的影响时长，控制加氧调门在一定时间内不做出补偿动作。同时，设置除氧器入口氧含量高报警，以便于值班员的人工甄别。
2.3.2除氧器排氧的影响
除氧器作为前后两段加氧的间隔设备，同时还具备除氧功能，可以有效消除前段氧含量波动对后段的影响。相较于除氧器后段，前段的氧含量由于加氧压力偏高的原因，波动性相对更大，应适当提高除氧器除氧效率，特别是避免如精处理设备操作等日常维护引起的不必要波动传导到后段，降低氧含量的波动范围[7]。
2.3.3热力系统检修的影响
当给水热力系统中出现检修工作，特别是更换管道或设备后，需要消耗溶氧对其表面进行重新成膜，会对检修处后段的氧含量产生一定时间段的影响，反映出的数据偏低，时间长短与新设备的表面积大小存在直接关系。此时应适度提高相应加氧段氧含量的目标值，以保证其表面能够充分氧化，及时形成保护膜。
3结语
保持水中氧含量的稳定是现代直流锅炉机组化学监督的重要组成部分，在机组给水加氧处理过程中，均匀充足的氧对保护膜的及时形成与快速修复，以及水汽品质的提高与保持起着至关重要的作用。给水流量及压力变化，取样的滞后性，其他特殊操作如精处理设备操作、除氧器排氧、热力系统检修会引起水中氧含量的波动，影响机组加氧处理效果。通过添加稳压装置，增设溶氧装置，改进调节逻辑等措施，优化加氧的自动控制效果，降低水中氧含量的波动，进一步减少热力系统内的金属腐蚀，使得给水加氧处理更为安全可靠。
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论文作者:陈实知
论文发表刊物:《中国电业》2019年22期
论文发表时间:2020/4/7
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