ABB 发电过程中的水质控制

按照美国人口统计局的数字，世界人口于1999年6月突破60亿。这意味着，地球上总人口的数量是20世纪初的3.5倍，1960年的大约2倍。这种爆炸性的增长产生了史无前例的能源需求，促使人们进一步开采地球上有限的自然资源。为了满足飙升的能源需求，必须采用可持续性生产方式，并推动实现更高的能效[1， 2]。为了在发电过程中提高能效，ABB的AW600可以对蒸汽-水循环的化学成分进行高级检测。 由于认识到保护资源的重要性，ABB致力于开发高能效产品和流程，以便在其整个生命周期中减少对环境的影响。ABB的下一代仪器仪表产品将应对全球环境的挑战，同时利用公司范围内的公共部件开发过程所产生的显著业务效率。 水质测量在发电过程中的重要作用在发电过程中，水在锅炉中被加热并转变为蒸汽，后者用于推动涡轮和发电机组，以便产生电力。许多不同类型的燃料都可用于发电，但在能量转化过程中都需要产生大量的蒸汽。例如，一个典型的矿物燃料发电站具有4个160MV锅炉，每个锅炉每小时可把大约650吨水转变为蒸汽。这就是说，每月的用水量大约有2百万吨。由于生产蒸汽的过程需要如此之多的水，所用水的化学水质就至为重要[3]。如果水中含有微量的污染物、或水的化学成分有少许变化，都会对全厂的性能、可靠性、效率和安全性造成代价昂贵的严重后果。因此化学监测十分关键，目的是监测蒸汽发电厂中的污染物并减少腐蚀。 发电厂水质监测是ABB的一个核心业务，为此提供了多种化学测量仪表。在锅炉给水及冷凝物中，二氧化硅（作为岩石圈中含量仅次于碳的元素）和磷酸盐（用作pH调节剂来限制腐蚀）是两种必须严密监测的物质。 二氧化硅是一种难以从水中除去的天然物质。在高温高压下它可以溶解，背蒸汽携带，并且不均匀地沉积在过热管及汽轮机叶片上。二氧化硅可形成难以清除的坚硬沉积物，类似于陶瓷。即使是少量的二氧化硅也会使发电效率显著下降，并造成严重的机械损坏1 。冷凝器的微小泄漏也可使蒸汽-水循环受到二氧化硅污染。必须在蒸汽-水循环的一些测点上连续监测二氧化硅，以防止锅炉及汽轮机受损。另一方面，在某些发电站，向水中加入磷酸盐来严格控制蒸汽-水循环的pH值，从而减少酸性腐蚀。它也必须接受连续监测，以避免蒸汽发生管遭受代价高昂的腐蚀 2 。 如果水中含有微量的污染物、或水的化学成分有少许变化，都会对全厂的性能、可靠性、效率和安全性造成代价昂贵的严重后果。 不良水质的代价 水的化学问题会引起腐蚀故障、过热器污损与/或涡轮叶片化学沉积。这会造成效率下降，并最终引起工厂停运，带来发电损失。 在典型的发电站中，如果由于严重的水质问题引起腐蚀及化学沉积，并造成为期一周的锅炉停机，则估计会带来大约4百万美元的损失（20万美元用于修理及化学清洗，380万美元时因停机而损失的产值）。由于水质不良而引起的灾难性故障会需要更多的时间和资金来修复。难以估计通过化学测量实现良好水质控制而产生的价值，但由美国矿石燃料发电协会提供的下列数据（1980年代中期的报告）在今天仍有意义[4]： 1 汽轮叶片上的二氧化硅沉积

2 由于蒸汽-水循环中化学水质的控制不足而造成的管道焊接腐蚀

3 AW600 二氧化硅分析仪

大约一半的非计划停机与腐蚀有关 腐蚀与化学沉积每年造成超过30亿美元的运行与维护费用 厂用电损耗的10％以上与腐蚀有关 对于100 MW机组，效率下降1％意味着每年的运行费用增加大约15万美元 AW600分析仪一马当先 用于二氧化硅及磷酸盐的新型AW600分析仪是当今市场上最为先进的水质分析仪 3 。考虑到发电厂运营商所面临的当前问题和未来挑战，AW600在整个周期内对环境的影响都很小。在同类型的水质分析仪中，它的购买和维护成本最低。产品的设计包含了资产管理功能和通信能力，有助于提高发电循环的效率。客户将得到一种高品质的水分析仪，以便控制流程，实现成本与可靠性目标，管理资产（工厂与仪器），并满足当地及国际管制规定的要求。减少保养成本，还能显著节省成本。由于这种分析仪的设计简单、维护要求低，对操作员技能水平的要求可以降低。AW600综合了先进的通信能力、内部诊断、预防性维护功能和数据趋势例程，客户可以仅在必要的时候或按照预定时间投入使用，从而简化业务流程4 。 数据处理、存储和安全性使得用户可以执行全新的任务和功能，从流程数据中获取更大价值，甚至使某些报告任务实现自动化。AW600的新型模块化设计消除了用户和服务人员之前在进行例行维护任务、故障排除或维修时受到的某些困扰。 AW600与环境 在对环境的影响方面，在产品使用中的维护成本，AW600得用户可显著受益，特别是在与同类分析仪相比时。AW600消耗的试剂体积是传统分析仪的大约十五分之一。这能降低试剂费用，并减少浪费。AW600制造材料的重量和体积都减少了大WEEE及RoHS1）法则，采用了环保材料，便于安装，并能实现高效回收。 保养间隔被延长到90天，这大约是竞争对手测量仪器维护工作目前所需间隔的三倍。此外，保养所需时间缩短了三分之二，使保养费用显著下降。 同时添加了方便用户使用的功能。例如，可以通过互联网从远程位置查看仪器状态，并在移动状态下使用SMS即时信息，从而无需经常进行仪器保养。由于分析仪的设计包括了辅助密封措施，即使无意之中把有害的化学试剂泼洒在仪器上，也不会造成损坏。 设计考虑事项 在所有要求中，测量的可靠性与准确性最为重要。因此，设计小组采用了一种严格而复杂的分析化学技术，并把它应用于易于操作的模块化产品中。当可靠性与准确性风险较高时（如在试剂运输系统中），则采用成熟技术。在技术风险较低的领域，根据重大突破来开发定制的解决方案。例如，在图像用户界面、光学感测模块和内部诊断传感器这三个领域，需要技术创新来得到可以实现价值增长的功能。 设计小组遇到的挑战包括，通过建立一种模块化设计来显著减少制造成本和提前期，该模块化设计的主要零件和子组合件应该能简化制造过程。重点在于取消劳动密集的步骤，采购预 先测试的零件，并从成本较低的国家购买材料。为了实现这一目标，多达80％的材料从中国和远东采购。 4 AW600 分析仪的高级通信与诊断功能使工厂操作员获得了对仪器的高度控制以及资产管理能力

5 AW600 采用了 ABB 仪器仪表部的清晰而独特的高级 HMI 显示页面

6 借助图形显示功能，可以同时监测多个流程，并查看历史数据

一项主要的设计目标是尽量利用ABB公共部件项目所提供的部件。高级HMI、公共软件框架和公共现场总线装置都是公共部件项目的成果。AW600电子外壳也是作为一种公共部件开发的，它将用于未来的ABB仪器仪表产品。所有主要的AW600模块（电子单元、液体部分部件及液体部分外壳部件）也都将用于未来的分析产品，从而显著节省研发投资。 主要特点 AW600的一项重要使命是为客户提供超越基本分析仪器的更高价值。这种增值是通过建立强大的图形用户界面（GUI） 5 -ABB的高级HMI公共部件来实现的。 GUI基于最新发布的SM500F图形记录仪硬件。应用固件经过特殊编写，使用户能够更加全面地审视所需的测量、仪器的状态、以及有关流程或应用的语境内信息。例如，用户可以监测多达6个流程，并查看图形趋势或图表数据形式的历史数据和仪器事件 6 。AW600的用户还可通过几个可选的安全等级，把数据保存在安全数字（SD）卡中，便于以后查看与报告。SM500F模块的另一项优点是能够在平台上添加产品改进、新功能及其他被测量2）时，更新仪器固件。 AW600内的一组内部诊断传感器可实时监测仪器的状态。基于试剂和标准溶液液位的信息（如所剩的测量时间）可以得到评估，并预设报警来提示用户何时需要补充消耗品。内部流量及液位传感器监测泵的效率，并在需要采取预防性维护时通知用户，从而避免发生故障。可以设置定期自动校验和补偿校正，保证随时都可进行可靠的测量。 通信 AW600分析仪采用了最新的通信功能。PROFIBUS DP-V13）实现了与ABB最新的分布式控制系统800xA的循环总线连接。其他高级通信则通过电子邮件信息及互联网连接（通过以太网模块）来实现。有关的PC软件应用使用户可以用台式PC或笔记本电脑（通过移动技术）实时查询AW600。借助用GSM模块提供的SMS文字信息服务，用户可以在手机上接收更新和状态信息。未来的调整措施使用户可以用移动计算装置（如PDA或Pocket PC）的无线功能来操作并设置AW600。 AW600仪器平台 二氧化硅与磷酸盐分析仪仅仅是新型AW600平台中首先推出的两种新产品。未来，基于AW600的水质分析仪还将包括面向饮用水和废水的多种应用。它们的目标是发电、城市用水和过程能够工业等核心市场。 Eric D’Costa ABB分析仪器 英国Stonehouse eric.dcosta@gb.abb.com 参考文献 [1] A.Bursik: Power Plant Chemistry 1 (1999) 5，16-19 [2] A.Bursik: :Power Plant Chemistry 1 (2002)1，18-21 [3] A.Whitehead. R. C. Rowe: Power PlantChemistry 2(2000) 8, 471-477 [4] J.A. Matthews: Power Plant Chemistry 3(2001) 4