炉水取样分析监测提质节能系统应用研究

文_江磊 胡视 吕宗杰

1 中国石油化工股份有限公司长岭分公司 2 中国石化北海炼化有限责任公司

锅炉热力系统是热工的基本单元，炉水品质的平稳程度直接影响了锅炉热力系统的运行周期和能效。锅炉运行过程中，随着炉水不断转变为蒸汽，锅炉汽包内炉水水质不断变差，直观表现为腐蚀、结垢和积盐的趋势不断加大。为保证锅炉长周期平稳运行，一般同时采取排污和加药两种方式改善炉水水质。排污是指用定期排污和连续排污的形式排出一定量水质变差的炉水并补充新水以降低浓缩倍数。加药则是定量加入阻垢剂以防结垢，磷酸三钠是应用最广泛的阻垢剂，一些无磷配方的阻垢剂也有所应用但因效果、经济性等多方面原因尚未能全面取代磷酸三钠。

随着自控和分析手段的发展，不同的自动加药和排污控制系统得以在锅炉炉水质量控制领域开发应用，但由于汽包内气液两相混合影响采样分析的代表性和准确性，以及温度和压力的变化导致炉水水样因相变而失去代表性，自动加药和排污控制系统运行的稳定性不尽人意。目前多数锅炉仍以人工调整的模式控制排污和加药，操作上为保险起见一般都会有意加大排污量和加药量，导致排污量居高不下，影响能耗，同时磷酸三钠的加入量凭经验调整，炉水质量不稳定，容易造成排放污水中磷含量超高，带来环保问题。

1 应用

某炼化企业制氢装置中压汽包（3.5MPa）产汽量80t/h。人工调配药剂，通过计量泵注入汽包，汽包定排和连排均通过手阀控制，加药量和排污量的控制根据炉水磷酸根和pH值分析结果凭经验调整。自2011 年投用以来，汽包每月连续排污量约720t，能量单耗0.48kgEO/t，炉水质量合格率仅75%左右。炉水质量的不稳定导致汽包及汽水管道系统结垢严重，多次出现管道结垢导致压降过大被迫停工检修，炉水质量问题亟待解决。

2019年该装置新增一套炉水取样分析监测提质节能系统（简称“炉水自控系统”），实现了炉水水质在线监测、自动加药和连续排污一体控制。该系统将炉水样水通过高低温取样架降温降压由化学仪表对炉水指标进行分析，并根据各项指标通过综合算法控制连排测控节能系统及自动加药系统，使锅炉炉水排污系统及时均衡合理的排污并自动变频加药，达到改善水质并减少排污量的目的。

2 机理

炉水自控系统通过独特设计的高低温取样架降温降压保障炉水取样的代表性，高低取样架包括取样箱体，取样箱体内底部设有冷却层，冷却层内设有冷却管，冷却层上端中间为凸起结构，冷却管呈S 型均布于冷却层内，取样架与取样口连通的管道口位于凸起结构最高位置上端；取样箱体上壁两侧设有排气口，取样箱体位于凸起结构最低端设置有排污口，此取样降温降压结构利于样水快速流通快速换热并且样水在小流量工况时，能够迅速到达分析系统实现样水检测。

分析系统连续分析炉水化学（pH 值、电导率、硅酸根浓度、磷酸根浓度）指标，应用自适应PID 算法，综合积分分离、抗积分饱和、带超限死区和不完全微分等算法，自动调整排污和加药，实现炉水化学指标保持稳定。由于汽包内炉水各化学指标之间变化存在非线性变化且扰动因素多，传统PID 调节系统由于其算法机理较为简单，达不到满意的控制效果，所以根据能适应参数非线性变化及排除检测数据的扰动因素尤为重要，此新算法机理中考虑到了汽包内炉水各扰动因素，及各种参数变化所引起的数据波动，能够自适应调整函数模型相关参数，并识别扰动因素，综合快速调整炉水内水质。

3 效果

3.1 系统投用前炉水质量情况

自2011 年制氢装置投用直至2018 年，炉水质量基本统计如表1 所示。炉水质量指标为pH 值9 ～11，磷酸根5 ～12mg/L。无论是pH 值还是磷酸根合格率均不理想，尤其是磷酸根的控制水平，不足80%的水质合格率严重影响了炉水的总合格率，导致锅炉结垢严重，甚至造成装置非计划停工，影响巨大。

表1 2011～2018年炉水质量统计表

投用炉水自控系统之前，2019 年1 月1日～10 月31日炉水。pH 值合格率93%，磷酸根合格率仅78%，而且pH 值波动范围为7.81～11.34，磷酸根波动范围为0 ～22mg/L，波动大而且无规律，表明了投用炉水自控系统之前的炉水质量控制水平比较低。

3.2 系统投用后炉水质量情况

2019 年11 月1日，炉水自控系统投用试运行。

2020 年4月至2021 年12 月炉水水质基本情况如表2 所示。一年半的运行数据表明pH 值和磷酸根的波动幅度和合格率均得到了显著提升，尤其是磷酸根的控制水平得到大幅度提升，pH 值和磷酸根波动范围均明显缩小，pH 值主要集中在9 ～10.5，磷酸根主要集中在5 ～11mg/L，总合格率从投用前的75%左右提升到了95%左右。2021 年2 月该装置停工检修，锅炉结垢情况较以前得到大幅度缓解。无论是炉水水质情况还是锅炉实际运行情况都表明，该炉水自控系统对炉水水质稳定控制的效果非常显著。

表2 2020～2021年炉水质量统计表

3.3 连续排污量的变化

炉水自控系统投用前连续排污量约为1t/h。炉水自控系统投用后，汽包连续排污量平均降至0.3t/h，相比投用前减少了70%。装置负荷率按53000Nm3/h 计，能量单耗降低0.147kgEO/t，相比投用前减少30%。节水和节能效果明显。

3.4 磷酸三钠用量的变化

炉水自控系统投用前后单位产汽磷酸三钠消耗量分别约为0.45g/t 和0.34g/t，即炉水自控系统投用后每吨产汽的磷酸三钠消耗量减少了24%，一方面节约了药剂成本，更重要的是减少了磷酸根的污水外排，有利于污水处理的后续处理和达标排放。

4 结语

炉水取样分析监测提质节能系统的应用改善了制氢装置中压汽包炉水质量，水质平稳，总合格率由改造前的75%左右提高到95%左右，满足了生产需求。

自2019 年11 月投用以来，锅炉结垢情况得到大幅度缓解。炉水取样分析监测提质节能系统的应用在提高炉水质量的同时降低排污量70%，减少磷酸三钠加药量24%，节能和环保意义显著。