基于Cygnal技術(shù)循環(huán)水安定指數(shù)在線監(jiān)測(cè)裝置的研究與應(yīng)用

孫墨杰 李 昭 張莉薔 張 庭 萬(wàn)瑞軍

(1.東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.貴州省電力試驗(yàn)研究院，貴陽(yáng) 550000)

工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是電力、石油及冶金等行業(yè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，而循環(huán)冷卻水的水質(zhì)將直接影響熱力設(shè)備的運(yùn)行工況和安全可靠性。目前，工業(yè)循環(huán)冷卻水的監(jiān)測(cè)還停留在繁雜的手工分析水平，無(wú)法談及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，落后的人工分析技術(shù)加劇了熱力設(shè)備的腐蝕結(jié)垢，給系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行帶來(lái)了巨大的隱患和損失[1]。

筆者根據(jù)工業(yè)循環(huán)冷卻水的特性，基于Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)[2]開(kāi)發(fā)研制了工業(yè)循環(huán)冷卻水穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)裝置，解決了工業(yè)循環(huán)冷卻水水質(zhì)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)技術(shù)落后、不能及時(shí)分析水質(zhì)變化而帶來(lái)的問(wèn)題，達(dá)到了確保工業(yè)生產(chǎn)安全運(yùn)行、節(jié)能節(jié)水、延長(zhǎng)熱力設(shè)備使用壽命的目的。

工業(yè)循環(huán)冷卻水水質(zhì)穩(wěn)定性的分析方法主要有飽和指數(shù)法、穩(wěn)定指數(shù)法、安定指數(shù)法、臨界pH值結(jié)垢指數(shù)法、結(jié)垢指數(shù)和控制ΔA(ΔB)法[3]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，其中，安定指數(shù)法適合于在線測(cè)定。采用的安定指數(shù)測(cè)量方法基于電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 502[4,5]，該方法是利用水樣在通過(guò)碳酸鈣過(guò)濾器前、后的堿度變化來(lái)判斷水樣的安定性。標(biāo)準(zhǔn)方法適用于實(shí)驗(yàn)室手動(dòng)分析，而在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生碳酸鈣過(guò)濾器污堵而導(dǎo)致儀器無(wú)法正常運(yùn)行[6～8]。裝置采用安定指數(shù)反應(yīng)室來(lái)替代標(biāo)準(zhǔn)方法中的碳酸鈣過(guò)濾器，水樣安定指數(shù)A按下式計(jì)算：

(1)

式中JD入——循環(huán)冷卻水原水的堿度；

JD出——經(jīng)過(guò)安定指數(shù)反應(yīng)室后的堿度。

2 儀器分析流程

儀器分析流程設(shè)計(jì)的合理性是提高測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。根據(jù)安定指數(shù)測(cè)量要求，循環(huán)水穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)裝置流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 循環(huán)水穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)裝置流程

裝置前端自清洗過(guò)濾器。由于工業(yè)循環(huán)冷卻水水質(zhì)濁度高，對(duì)測(cè)量有一定影響，需要前置預(yù)處理以達(dá)到檢測(cè)的水質(zhì)要求。因此需在安定指數(shù)反應(yīng)室前安裝自清洗過(guò)濾器對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行過(guò)濾[9]，前端自清洗過(guò)濾器由循環(huán)冷卻水穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)裝置控制，以確保待測(cè)水樣連續(xù)、穩(wěn)定地流入測(cè)量裝置，并且在測(cè)量過(guò)程中不出現(xiàn)斷流。

安定指數(shù)反應(yīng)室。循環(huán)冷卻水經(jīng)過(guò)自清洗過(guò)濾器過(guò)濾后進(jìn)入安定指數(shù)反應(yīng)室。為確保水樣充足，對(duì)安定指數(shù)反應(yīng)室設(shè)計(jì)水樣體積為300mL。進(jìn)樣室1為循環(huán)冷卻水原水室，進(jìn)樣室2為水樣反應(yīng)室，碳酸鈣反應(yīng)室為盒裝多層結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝有0.5～1.0mm篩選后的碳酸鈣顆粒。

裝置運(yùn)行過(guò)程。裝置在運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)樣閥1打開(kāi)，將原水引入測(cè)量杯中，對(duì)測(cè)量杯進(jìn)行清洗以防止殘存水樣對(duì)本次測(cè)量的影響，通過(guò)虹吸管精確定容50mL水樣體積。在安定指數(shù)測(cè)量過(guò)程中，檢測(cè)水樣溫度、pH值和加酸量并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理儲(chǔ)存顯示，通過(guò)所測(cè)得的消耗滴定液計(jì)算出JD入。打開(kāi)進(jìn)樣閥2通過(guò)相同控制過(guò)程計(jì)算出JD出。安定指數(shù)分析儀按照式(1)進(jìn)行計(jì)算，將所得結(jié)果儲(chǔ)存處理并顯示。一個(gè)測(cè)量周期全程大約25min，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，加入等待時(shí)間來(lái)延長(zhǎng)測(cè)量周期，以增加儀器的維護(hù)周期，減少所需的成本。

3 安定指數(shù)分析儀的硬件設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)

儀器的測(cè)量電路如圖2所示。裝置的電路主要包括C8051F020單片機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)轉(zhuǎn)換及放大電路、單線制DS18B20溫度傳感器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路DS1687、Flash存儲(chǔ)器AT45DB081D和RS485接口。C8051F020單片機(jī)系統(tǒng)具有高速、高集成度、流水線結(jié)構(gòu)、與MCS-51完全兼容的微控制器內(nèi)核，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集計(jì)算處理、數(shù)據(jù)輸出控制及流路電磁閥控制等其他功能。DS1687用來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的年、月、日、時(shí)的功能。DS18B20用于測(cè)量實(shí)時(shí)水樣溫度，完成裝置的溫度補(bǔ)償功能。AD轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用AD7705和LMC6082運(yùn)算放大器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)和參比信號(hào)的電流電壓轉(zhuǎn)換和放大功能，模擬量與數(shù)字量高精度轉(zhuǎn)換功能。RS485接口用來(lái)實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的通信。AT45DB081D用來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前數(shù)據(jù)和查詢歷史數(shù)據(jù)。

圖2 測(cè)量電路

3.2 AD采集芯片的選擇與電路設(shè)計(jì)

AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)關(guān)系到整套儀器的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。筆者采用AD7705作為轉(zhuǎn)換芯片，并配以多重電壓隔離電路。AD7705高達(dá)16位的轉(zhuǎn)換精度，可以確保儀器設(shè)計(jì)的高精度要求。圖3為AD轉(zhuǎn)換電路。

圖3 AD轉(zhuǎn)換電路

3.3 程序設(shè)計(jì)

程序整體采用模塊化設(shè)計(jì)，用C51語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，各個(gè)模塊完成相對(duì)應(yīng)的功能。軟件系統(tǒng)包括按鍵子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、溫度測(cè)量子程序、時(shí)鐘子程序、液晶顯示子程序、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存子程序、初始化子程序、標(biāo)定子程序、RS485接口子程序、堿度測(cè)量子程序及數(shù)據(jù)處理子程序等，其流程如圖4所示。

圖4 主程序流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

循環(huán)水穩(wěn)定性在線測(cè)量裝置完成后，分別對(duì)儀器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下。

儀器重復(fù)性檢測(cè)。指安定指數(shù)分析儀對(duì)安定指數(shù)相同的同一水樣進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，反映安定指數(shù)分析儀的工作漂移。實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)堿度JD=5.65mmol/L，硬度YD=7.3mmol/L，pH=7.52。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 儀器重復(fù)性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)安定指數(shù)相同的同一水樣測(cè)量值的分析，驗(yàn)證儀表測(cè)量值的變化區(qū)間滿足3%的測(cè)量誤差。

儀器的相對(duì)誤差檢測(cè)。相對(duì)誤差實(shí)驗(yàn)是指對(duì)安定指數(shù)相同的同一水樣，安定指數(shù)分析儀的在線測(cè)量值和實(shí)驗(yàn)室手工測(cè)量值之間的相對(duì)誤差，反映了安定指數(shù)分析儀的性能指標(biāo)，手工測(cè)量以電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 502為指導(dǎo)方法。每組樣品取樣時(shí)間間隔1h，手工測(cè)量與裝置測(cè)量間隔時(shí)間小于60s。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 儀器相對(duì)誤差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明裝置在線測(cè)定值與手工測(cè)定值相對(duì)誤差滿足±5%的測(cè)量誤差。

循環(huán)水穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。工業(yè)循環(huán)冷卻水穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)裝置研發(fā)成功之后在神華國(guó)華三河發(fā)電有限責(zé)任公司正式投入試運(yùn)行，圖5所示為裝置在8～11月3個(gè)月期間的安定指數(shù)檢測(cè)曲線。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，裝置在神華國(guó)華三河發(fā)電有限責(zé)任公司連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)地反映了現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)冷卻水的腐蝕結(jié)垢傾向。

圖5 安定指數(shù)曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，循環(huán)水穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)裝置具有設(shè)計(jì)合理、功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量小的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)人員的安全健康、設(shè)備的安全生產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用?；贑ygnal技術(shù)循環(huán)水穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)裝置的研制，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)循環(huán)冷卻水的重要狀態(tài)參數(shù)的顯示、記錄和調(diào)節(jié)控制，為解決和預(yù)測(cè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)腐蝕和結(jié)垢問(wèn)題提供了必要的保障。

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