книги / Теплотехнические измерения и приборы

проектирующей организацией в зависимости от типа парогене­ ратора.

Рассмотренный вариант отбора газа для контроля топочного режима парогенератора по 0 2 является предпочтительным, так как результаты анализа в данном случае будут более достоверными.

При установке газозаборного устройства (рис. 21-7-1) необхо­ димо иметь в виду, что температура газовой среды, в которую по­ гружены газоотводящая труба с керамическим фильтром, имеет существенное значение для правильной и бесперебойной работы газоанализатора. Газ в месте отбора пробы для анализа должен иметь температуру не ниже 200 и не выше 500° С. Нижний темпера­ турный предел обусловлен тем, что при недостаточно высокой тем­ пературе дымовых газов, обтекающих керамический фильтр, воз­ можно засорение его поверхности конденсирующимися несгоревшими продуктами возгонки. Верхний температурный предел определя­ ется, с одной стороны, условиями прочности газозаборного устрой­ ства, а с другой — опасностью восстановления С02 в СО и Ог. Поэтому в случае низких температур необходимо обеспечить по­ догрев газозаборного устройства, а в случае высоких температур, как, например, при отборе дымовых газов в газоходах промышлен­ ных печей, применять охлаждаемое водой газозаборное устройство.

Для систематического непрерывного контроля топочного ре­ жима при ширине агрегата более б м, а также при наличии разде­ лительной стенки топки необходимо устанавливать два газозабор­ ных устройства (справа и слева) и два газоанализатора.

Для уменьшения запаздывания показаний газоанализатора не­ обходимо приемный преобразователь устанавливать возможно ближе к заборному устройству.

МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ, ПАРА, КОНДЕНСАТА И КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ВТОРАЯ

МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ, ПАРА, КОНДЕНСАТА И КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

22-1. Общие сведения

Широкое внедрение в энергетику мощных энергоблоков на высо­ кие и закритические параметры привело к необходимости органи­ зации надежного автоматического непрерывного и периодиче­ ского химического контроля за водным режимом электростанций и работой установок водо- и конденсатоочистки. Возросла также важность вопросов автоматизации процессов водоприготовлеиия.

Применяемые на многих электростанциях ручные методы хими­ ческого контроля некоторых показателей качества не удовлетво­ ряют современным повышенным требованиям. Эти методы требуют много времени, обладают недостаточной точностью результатов анализа и непригодны для оперативного контроля за водным режи­ мом и автоматизации процессов водоприготовлеиия.

Применение на электростанциях автоматических средств изме­ рений (анализаторов жидкости) повышает надежность химического контроля за показателями качества питательной воды парогенера­ торов, пара и конденсата и процессами химического обессоливания добавочной воды и очистки конденсата турбин. Необходимые средства измерений для автоматического химического контроля за водным режимом электростанций и водоподготовительными уста­ новками рассмотрены в [95, 96].

Для осуществления контроля за водным режимом электростан­ ций и работой установок очистки воды и конденсата необходимо измерять разнообразные показатели качества отличающихся по химическому составу сред. Эти среды находятся под различным избы­ точным давлением, имеют различную температуру, отличаются по количеству механических и других примесей. Вследствие этого во многих случаях для снижения давления и температуры, а также для удаления механических примесей или растворенных газов из пробы контролируемой среды необходимо перед первичным преобразователем устанавливать специальные дополнительные уст­ ройства. Для отбора представительной пробы среды используют различные пробоотборные устройства. Применение указанных до­ полнительных устройств позволяет создать для первичных измери­

тельных преобразователей одинаковые нормальные эксплуатацион­ ные условия, а вместе с тем повысить точность измерений.

Ниже будут рассмотрены основные методы и автоматические анализаторы жидкости, используемые для химического контроля в энергетике и в других отраслях промышленности. С другими не рассматриваемыми в этой главе методами и анализаторами жидкости можно познакомиться в работах [75, 86].

22-2. Измерение удельной электропроводности водных растворов

Основные сведения. Измерение удельной электропроводности водных растворов получило широкое распространение в лаборатор­ ной практике, при автоматическом химическом контроле водного режима паросиловых установок, эффективности работы установок очистки воды и промышленных теплообменных и других установок, а также различных показателей качестза, характеризующих химико­ технологические процессы.

Технические средства, предназначенные для измерения удельной электропроводимости водных растворов, принято называть кондук­ тометрическими анализаторами жидкости. Шкалу вторичных при­ боров кондуктометров жидкости (лабораторных и промышленных) для измерения удельной электропроводности градуируют в едини­ цах сименс на сантиметр (См■см-1) или микросименс на сантиметр (мкСм-см-1). Кондуктометры жидкости, которые применяют в про­ изводственных условиях для измерения показателей качества, характеризующих содержание солей в паре, конденсате и питатель­ ной воде парогенераторов, обычно называют солемерами. Шкалу вторичных приборов солемеров градуируют по NaCl (на условное содержание в растворе этих солей) в следующих единицах: милли­ грамм на килограмм (мг/кг), микрограмм на килограмм (мкг/кг) или миллиграмм на литр (мг/л) и микрограмм на литр (мкг/л). Кондуктомеры жидкости, используемые для измерения концентра­ ции растворов солей, кислот, щелочей и т. д., называют часто концентратомерами. Шкала вторичных приборов концентратомеров градуируется в процентах значения массовой концентрации. Кон­ дуктометрические анализаторы жидкости используются также и в качестве сигнализаторов.

При повышенных требованиях к показателям качества пита­ тельной воды, пара и конденсата необходимо производить измере­ ние малых значений электропроводности, не превышающих 5—6 мкСм-см-1. При контроле за истощением фильтров очиститель­ ных установок значение измеряемой электропроводности воды со­ ставляет 5-10-5— 5-10_3 См-см-1, а при контроле концентрации растворов реагентов — от 10-3 до 0,7 См-см-1 [96].

Измерение электропроводности водных растворов обычно про­ изводят с помощью электродного кондуктометрического измери­ тельного преобразователя, состоящего из двух электродов, распо-

ложенных в сосуде, в который поступает контролируемый водный раствор. Устройство этих преобразователей и применяемые изме­ рительные схемы кондуктометров жидкости рассматриваются ниже. Для измерения электропроводности растворов широко применяют также безэлектродные кондуктометры жидкости.

Удельная электропроводность представляет собой величину, обратную удельному сопротивлению:

раствора с концентрацией С между металлическими электродами, Ом; Faф — эффективное поперечное сечение раствора, через которое

где GQ = 1 /Rc *— электрическая проводимость фиксированного объ­ ема раствора, См; ka — 1/Раф— постоянная электродного преобра­ зователя, см-1.

Для преобразователей с простой конфигурацией электродов постоянная kn может быть определена расчетным путем. Если пре­ образователь имеет сложную конструкцию, то постоянная k„ определяется экспериментально.

Следует отметить, что на основании изучения удельной электро­ проводимости мы не имеем возможности производить сравнение зна­ чений электропроводимости растворов между собой в зависимости от их концентрации. Это становится возможным при введении понятия эквивалентной электропроводности. Кольрауш эквивалент­ ной электропроводностью назвал величину

где Л — эквивалентная электропроводность, См*см2/г-экв; г) — эквивалентная концентрация растворенного вещества, г-экв*см"3.

Значение электропроводности растворов зависит не только от эквивалентной концентрации и эквивалентной электропроводности, но также и от степени электролитической диссоциации раствора,

принять равной единице. В этом случае для определения электро­ проводности можно использовать упрощенное уравнение

где /к, оо и /а,оо — подвижности соответственно катионов и анионов

дены в [97]. Температура t0 = 18° С при измерении удельной элек­ тропроводности водных растворов обычно принимается за нормаль­ ную (исходную), для которой приводятся данные по электропровод­ ности.

При измерении электропроводности необходимо учитывать влия­ ние температуры раствора на показания прибора, так как с измене­ нием температуры раствора на 1°С его электропроводность изме­ няется на 1,5—2,5%. Этим определяется важность поддержания постоянства температуры анализируемого раствора при измерении электропроводности или использования эффективно работающей автоматической температурной компенсации, уменьшающей влияние колебаний температуры раствора на показания прибора.

Зависимость электропроводности водных растворов от темпера­ туры t при малых отклонениях от 18° С выражается формулой

При температуре t, отличающейся от 18° С на 10—25° С и более, необходимо пользоваться уравнением

и / = * 1 8 [ 1 + а э ( / - 1 8 ) + р . ( / - 1 8 ) 2 ] , ( 2 2 - 2 - 1 1 )

Здесь а,к и сс/а — температурные коэффициенты подвижности соот­ ветственно катиона /1(>18 и аниона /a,i8 (для NaCl a,Na = 0,0244 1/°С;

Зависимость электрического сопротивления фиксированного объ­ ема раствора между электродами преобразователя от температуры t, незначительно отличающейся от 18° С, выражается формулой

(22-S-W)

При температуре t, отличающейся от 18° С на 10—25° С и более, следует пользоваться уравнением

При контроле водного режима электростанций концентрацию солей обычно выражают в миллиграммах на литр (мг/л) или микро­ граммах на литр (мкг/л). В приведенных выше уравнениях исполь­ зуется эквивалентная концентрация. Пересчет этих концентраций производят по формуле

где к] — эквивалентная концентрация, г-экв -см_3, С — концентра­ ция, мг/л; А — эквивалентная масса ионов растворенного вещества, согласно формуле

А = Лк-]-Ла.

Здесь Ак и Ла — эквивалентная масса соответственно катиона и аниона растворенного вещества (для NaCl Л Na = 23,00; Лci = = 35,46; Л Naci = 58,46). Значения эквивалентных масс ионов ве­ ществ, встречающихся при измерении электропроводности водных растворов, приведены в [97, 98].

Выше отмечалось, что градуировка кондуктометров жидкости (солемеров) производится по NaCl, т. е. на условное содержание в растворе этой соли. Это обусловлено тем, что среди различных солей, содержащихся в конденсате водяного пара и питательной воде парогенераторов, средним значением электропровод­ ности обладает хлористый натрий (NaCl).

Электропроводность водного раствора NaCl при малых концентрациях и при исходной температуре t0 = 18° С может быть определена с учетом выражений (22-2-8), (22-2-9) и (22-2-16) по уравнению

Градуировку кондуктометров жидкости (солемеров) обычно производят при нормальной температуре ta = 20° С. Для пересчета x NaC1 на значение температуры

Электрическое сопротивление фиксированного объема раствора NaCl преобра­ зователя при малой его концентрации и при температуре tH= 20° С может быть определено с учетом выражений (22-2-3) и (22-2-20) по формуле

lQafen

(22- 2- 21)

*N-a '.-5 ч П 5 Т l,938CNaa

В конденсате пара и питательной воде парогенераторов кроме небольшого количества солей обычно присутствуют растворенные газы — аммиак (NH3) и углекислый газ (С02) — и гидразин. Нали­ чие растворенных газов и гидразина изменяет электропроводность конденсата и питательной воды, и показания кондуктометра жидко­ сти (солемера) не соответствуют однозначно условному содержанию солей, т. е. значению сухого остатка, полученного путем выпарки конденсата или питательной воды. Это приводит к необходимости внесения поправок в показания прибора или применения дополни­ тельного устройства для удаления из пробы растворенных газов и гидразина.

Дополнительное устройство в виде дегазатора для удаления из пробы растворенных газов не исключает влияния на показания кондуктометрического анализатора гидразина. Применяемый в на­ стоящее время фильтр, заполненный катионитом марки КУ-2, поз­ воляет исключить влияние на показания прибора аммиака и гидра­ зина.

Электродные кондуктометрические преобразователи. Электрод­ ные преобразователи, применяемые для измерения электропровод­ ности растворов, изготовляют для лабораторных исследований различных растворов и для технических измерений. Измерения в лабораторных условиях производят на переменном токе. При этом необходимо отметить, что кондуктометрический метод измерения на переменном токе остается общепринятым в повседневной лабо­ раторной практике. Технические измерения электропроводности растворов с использованием электродных преобразователей произ­ водят, как правило, на переменном токе с частотой 50 Гц.

Устройство, размеры, а следовательно, и постоянная электрод­ ных преобразователей в существенной степени зависят от измеряе­ мого значения электропроводности раствора. В технических изме­ рениях наиболее распространены преобразователи с цилиндриче­ скими коаксиальными и в меньшей степени — с плоскими электро­ дами. Устройство преобразователей с цилиндрическими коаксиаль­ ными электродами схематично показано на рис. 22-2-2. У преобра­ зователя, представленного на рис. 22-2-2, а, наружный цилиндриче­ ский электрод является одновременно и корпусом его. Второй преобразователь (рис. 22-2-2, б) имеет также цилиндрические коак­ сиальные электроды, но они расположены в стальном его корпусе, к которому приварен один электрод. Этот преобразователь исполь-

зуется в солемерах ЦК.ТИ с малогабаритными концентраторами [101]. В преобразователь через левый штуцер из концентратора поступает дегазированная и обогащенная проба, имеющая постоян­ ную температуру, близкую к 100° С. Верхний штуцер преобразова­ теля соединяют стальной трубой с паровым пространством малога­ баритного концентратора, солемера. Схема устройства преобра­ зователя с плоскими электродами приведена на рис. 22-2-3. Особен­ ность преобразователя, показанного на рис. 22-2-3, заключается в том, что площади его электродов и эффективного сечения раствора, через которое протекает ток, неодинаковы. Кроме рассмотренных

проточных электродные преобразователи выполняют также погруж­ ного типа, непосредственно погружаемые в трубопровод с жид­ костью, электропроводность (или концентрацию) которой необхо­ димо контролировать. Электроды преобразователей для технических измерений выполняют из нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т. Электроды преобразователей для лабораторных исследований раст­ воров электролитов изготовляют из платины. Для уменьшения поляризации электродов их покрывают слоем платиновой черни. Сосуды этих преобразователей выполняют обычно из стекла. Раз­ меры сосудов выбирают в зависимости от ожидаемого значения элек­ тропроводности исследуемого раствора.

На электродах преобразователя, соприкасающихся с раствором, протекают сложные электрохимические процессы. Пространство между электродами запол­ нено при измерении электропроводности водных растворов средой с высоким зна­ чениемдиэлектрической проницаемости. По этим причинам фиксированный объем раствора между электродами преобразователя при измерении на переменном токе представляет комплексное электрическое сопротивление — комбинацию активных

и емкостных составляющих. Эквивалентная электрическая схема электродного преобразователя с учетом электродных процессов представлена на рис. 22-2-4. К электродным процессам относятся процесс электролиза раствора при прохожде­ нии через него электрического тока и процесс образования двойного электричес­ кого слоя на границе раздела сред «металл .электрода — раствор». Образование двойного электрического слоя происходит за счет воздействия внешнего электри­

где k — постоянная, Ом • с-1/2; со — угловая скорость, рад/с (0 = 2я/); J = V — ï. При осуществлении технических измерений стремятся создать такую конст­ рукцию электродного преобразователя, чтобы его полное сопротивление определя­ лось активным сопротивлением фиксированного объема раствора между электро­ дами /?с , а влияние электрохимических процессов и обусловленных этими про­

цессами реактивных составляющих электрического сопротивления было бы прене­

и емкостью Ск, шунтирующей это сопротивление. Емкость Ск может быть названа «конструктивной». Следует отметить, что вода обладает большим по сравнению с другими жидкостями значением относительной диэлектрической проницаемости ев (для конденсата еа = 80,1 при 20°С), что приводит к необходимости учета ем­ кости между электродами.

Используя известное соотношение, которое определяет модуль емкостного сопротивления X = 1/соС, можно провести качественный анализ влияния емкост­ ных составляющих и частоты (/ = со/2я) на модуль полного сопротивления пре­ образователя.

При допущении, что активное сопротивление не зависит от частоты напряже­ ния на электродах, легко заметить, что с возрастанием 0 относительное влияние емкости двойного слоя на модуль полного сопротивления уменьшается, а «кон­ структивной» емкости Ск — увеличивается. Можно показать, что относительное влияние емкости Ск практически не зависит от формы электродов, их взаимного