ABB 發電過程中的水質控制
2008/4/3 10:10:16
----用于監測大用水量工業流程中污染物情況的突破性技術
（提供： ABB(中國)有限公司儀表產品部 ，作者：Eric D’Costa，）
按照美國人口統計局的數字，世界人口于1999年6月突破60億。這意味著，地球上總人口的數量是20世紀初的3.5倍，1960年的大約2倍。這種爆炸性的增長產生了史無前例的能源需求，促使人們進一步開采地球上有限的自然資源。為了滿足飆升的能源需求，必須采用可持續性生產方式，并推動實現更高的能效[1， 2]。為了在發電過程中提高能效，ABB的AW600可以對蒸汽-水循環的化學成分進行高級檢測。
由于認識到保護資源的重要性，ABB致力于開發高能效產品和流程，以便在其整個生命周期中減少對環境的影響。ABB的下一代儀器儀表產品將應對全球環境的挑戰，同時利用公司范圍內的公共部件開發過程所產生的顯著業務效率。
水質測量在發電過程中的重要作用在發電過程中，水在鍋爐中被加熱并轉變為蒸汽，后者用于推動渦輪和發電機組，以便產生電力。許多不同類型的燃料都可用于發電，但在能量轉化過程中都需要產生大量的蒸汽。例如，一個典型的礦物燃料發電站具有4個160MV鍋爐，每個鍋爐每小時可把大約650噸水轉變為蒸汽。這就是說，每月的用水量大約有2百萬噸。由于生產蒸汽的過程需要如此之多的水，所用水的化學水質就至為重要[3]。如果水中含有微量的污染物、或水的化學成分有少許變化，都會對全廠的性能、可靠性、效率和安全性造成代價昂貴的嚴重后果。因此化學監測十分關鍵，目的是監測蒸汽發電廠中的污染物并減少腐蝕。
發電廠水質監測是ABB的一個核心業務，為此提供了多種化學測量儀表。在鍋爐給水及冷凝物中，二氧化硅（作為巖石圈中含量僅次于碳的元素）和磷酸鹽（用作pH調節劑來限制腐蝕）是兩種必須嚴密監測的物質。
二氧化硅是一種難以從水中除去的天然物質。在高溫高壓下它可以溶解，背蒸汽攜帶，并且不均勻地沉積在過熱管及汽輪機葉片上。二氧化硅可形成難以清除的堅硬沉積物，類似于陶瓷。即使是少量的二氧化硅也會使發電效率顯著下降，并造成嚴重的機械損壞1 。冷凝器的微小泄漏也可使蒸汽-水循環受到二氧化硅污染。必須在蒸汽-水循環的一些測點上連續監測二氧化硅，以防止鍋爐及汽輪機受損。另一方面，在某些發電站，向水中加入磷酸鹽來嚴格控制蒸汽-水循環的pH值，從而減少酸性腐蝕。它也必須接受連續監測，以避免蒸汽發生管遭受代價高昂的腐蝕 2 。
如果水中含有微量的污染物、或水的化學成分有少許變化，都會對全廠的性能、可靠性、效率和安全性造成代價昂貴的嚴重后果。
不良水質的代價
水的化學問題會引起腐蝕故障、過熱器污損與/或渦輪葉片化學沉積。這會造成效率下降，并最終引起工廠停運，帶來發電損失。
在典型的發電站中，如果由于嚴重的水質問題引起腐蝕及化學沉積，并造成為期一周的鍋爐停機，則估計會帶來大約4百萬美元的損失（20萬美元用于修理及化學清洗，380萬美元時因停機而損失的產值）。由于水質不良而引起的災難性故障會需要更多的時間和資金來修復。難以估計通過化學測量實現良好水質控制而產生的價值，但由美國礦石燃料發電協會提供的下列數據（1980年代中期的報告）在今天仍有意義[4]：
1 汽輪葉片上的二氧化硅沉積
2 由于蒸汽-水循環中化學水質的控制不足而造成的管道焊接腐蝕
3 AW600 二氧化硅分析儀
大約一半的非計劃停機與腐蝕有關
腐蝕與化學沉積每年造成超過30億美元的運行與維護費用
廠用電損耗的10％以上與腐蝕有關
對于100 MW機組，效率下降1％意味著每年的運行費用增加大約15萬美元
AW600分析儀一馬當先
用于二氧化硅及磷酸鹽的新型AW600分析儀是當今市場上最為先進的水質分析儀 3 。考慮到發電廠運營商所面臨的當前問題和未來挑戰，AW600在整個周期內對環境的影響都很小。在同類型的水質分析儀中，它的購買和維護成本最低。產品的設計包含了資產管理功能和通信能力，有助于提高發電循環的效率。客戶將得到一種高品質的水分析儀，以便控制流程，實現成本與可靠性目標，管理資產（工廠與儀器），并滿足當地及國際管制規定的要求。減少保養成本，還能顯著節省成本。由于這種分析儀的設計簡單、維護要求低，對操作員技能水平的要求可以降低。AW600綜合了先進的通信能力、內部診斷、預防性維護功能和數據趨勢例程，客戶可以僅在必要的時候或按照預定時間投入使用，從而簡化業務流程4 。
數據處理、存儲和安全性使得用戶可以執行全新的任務和功能，從流程數據中獲取更大價值，甚至使某些報告任務實現自動化。AW600的新型模塊化設計消除了用戶和服務人員之前在進行例行維護任務、故障排除或維修時受到的某些困擾。
AW600與環境
在對環境的影響方面，在產品使用中的維護成本，AW600得用戶可顯著受益，特別是在與同類分析儀相比時。AW600消耗的試劑體積是傳統分析儀的大約十五分之一。這能降低試劑費用，并減少浪費。AW600制造材料的重量和體積都減少了大WEEE及RoHS1）法則，采用了環保材料，便于安裝，并能實現高效回收。
保養間隔被延長到90天，這大約是競爭對手測量儀器維護工作目前所需間隔的三倍。此外，保養所需時間縮短了三分之二，使保養費用顯著下降。
同時添加了方便用戶使用的功能。例如，可以通過互聯網從遠程位置查看儀器狀態，并在移動狀態下使用SMS即時信息，從而無需經常進行儀器保養。由于分析儀的設計包括了輔助密封措施，即使無意之中把有害的化學試劑潑灑在儀器上，也不會造成損壞。
設計考慮事項
在所有要求中，測量的可靠性與準確性最為重要。因此，設計小組采用了一種嚴格而復雜的分析化學技術，并把它應用于易于操作的模塊化產品中。當可靠性與準確性風險較高時（如在試劑運輸系統中），則采用成熟技術。在技術風險較低的領域，根據重大突破來開發定制的解決方案。例如，在圖像用戶界面、光學感測模塊和內部診斷傳感器這三個領域，需要技術創新來得到可以實現價值增長的功能。
設計小組遇到的挑戰包括，通過建立一種模塊化設計來顯著減少制造成本和提前期，該模塊化設計的主要零件和子組合件應該能簡化制造過程。重點在于取消勞動密集的步驟，采購預
先測試的零件，并從成本較低的國家購買材料。為了實現這一目標，多達80％的材料從中國和遠東采購。
4 AW600 分析儀的高級通信與診斷功能使工廠操作員獲得了對儀器的高度控制以及資產管理能力
5 AW600 采用了 ABB 儀器儀表部的清晰而獨特的高級 HMI 顯示頁面
6 借助圖形顯示功能，可以同時監測多個流程，并查看歷史數據
一項主要的設計目標是盡量利用ABB公共部件項目所提供的部件。高級HMI、公共軟件框架和公共現場總線裝置都是公共部件項目的成果。AW600電子外殼也是作為一種公共部件開發的，它將用于未來的ABB儀器儀表產品。所有主要的AW600模塊（電子單元、液體部分部件及液體部分外殼部件）也都將用于未來的分析產品，從而顯著節省研發投資。
主要特點
AW600的一項重要使命是為客戶提供超越基本分析儀器的更高價值。這種增值是通過建立強大的圖形用戶界面（GUI） 5 -ABB的高級HMI公共部件來實現的。
GUI基于最新發布的SM500F圖形記錄儀硬件。應用固件經過特殊編寫，使用戶能夠更加全面地審視所需的測量、儀器的狀態、以及有關流程或應用的語境內信息。例如，用戶可以監測多達6個流程，并查看圖形趨勢或圖表數據形式的歷史數據和儀器事件 6 。AW600的用戶還可通過幾個可選的安全等級，把數據保存在安全數字（SD）卡中，便于以后查看與報告。SM500F模塊的另一項優點是能夠在平臺上添加產品改進、新功能及其他被測量2）時，更新儀器固件。
AW600內的一組內部診斷傳感器可實時監測儀器的狀態。基于試劑和標準溶液液位的信息（如所剩的測量時間）可以得到評估，并預設報警來提示用戶何時需要補充消耗品。內部流量及液位傳感器監測泵的效率，并在需要采取預防性維護時通知用戶，從而避免發生故障。可以設置定期自動校驗和補償校正，保證隨時都可進行可靠的測量。
通信
AW600分析儀采用了最新的通信功能。PROFIBUS DP-V13）實現了與ABB最新的分布式控制系統800xA的循環總線連接。其他高級通信則通過電子郵件信息及互聯網連接（通過以太網模塊）來實現。有關的PC軟件應用使用戶可以用臺式PC或筆記本電腦（通過移動技術）實時查詢AW600。借助用GSM模塊提供的SMS文字信息服務，用戶可以在手機上接收更新和狀態信息。未來的調整措施使用戶可以用移動計算裝置（如PDA或Pocket PC）的無線功能來操作并設置AW600。
AW600儀器平臺
二氧化硅與磷酸鹽分析儀僅僅是新型AW600平臺中首先推出的兩種新產品。未來，基于AW600的水質分析儀還將包括面向飲用水和廢水的多種應用。它們的目標是發電、城市用水和過程能夠工業等核心市場。
Eric D’Costa
ABB分析儀器
英國Stonehouse
eric.dcosta@gb.abb.com
參考文獻
[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) 4 203-208
腳注
1）廢棄電氣與電子設備（WEEE）規定鼓勵重新使用、回收與再生，以改善電氣、電子設備生命周期所涉及的所有使用者的環境影響。有害物質限制（RoHS）要求自2006年7月起，在新上市的電氣、電子設備中，淘汰重金屬（鉛、汞、鎘與六價鉻）與溴化阻燃劑。
2）被測量是所測的物理或電氣量、性質或條件。術語“被測量”優于“所測主要參數”。
3）90％的PROFIBUS從動應用是PROFIBUS分散式周邊（DP）協議，具有三種按功能分級的版本：DP-V0、DP-V1 及 DP-V2。PROFIBUS DP-V1包含旨在實現流程自動化（特別是參數分配、操作、可視化與智能現場裝置中斷控制的非循環數據通信，以及循環用戶數據通信）的改進。
注：本文曾發表在電力設備雜志
（提供： ABB(中國)有限公司儀表產品部 ，作者：Eric D’Costa，）
按照美國人口統計局的數字，世界人口于1999年6月突破60億。這意味著，地球上總人口的數量是20世紀初的3.5倍，1960年的大約2倍。這種爆炸性的增長產生了史無前例的能源需求，促使人們進一步開采地球上有限的自然資源。為了滿足飆升的能源需求，必須采用可持續性生產方式，并推動實現更高的能效[1， 2]。為了在發電過程中提高能效，ABB的AW600可以對蒸汽-水循環的化學成分進行高級檢測。
由于認識到保護資源的重要性，ABB致力于開發高能效產品和流程，以便在其整個生命周期中減少對環境的影響。ABB的下一代儀器儀表產品將應對全球環境的挑戰，同時利用公司范圍內的公共部件開發過程所產生的顯著業務效率。
水質測量在發電過程中的重要作用在發電過程中，水在鍋爐中被加熱并轉變為蒸汽，后者用于推動渦輪和發電機組，以便產生電力。許多不同類型的燃料都可用于發電，但在能量轉化過程中都需要產生大量的蒸汽。例如，一個典型的礦物燃料發電站具有4個160MV鍋爐，每個鍋爐每小時可把大約650噸水轉變為蒸汽。這就是說，每月的用水量大約有2百萬噸。由于生產蒸汽的過程需要如此之多的水，所用水的化學水質就至為重要[3]。如果水中含有微量的污染物、或水的化學成分有少許變化，都會對全廠的性能、可靠性、效率和安全性造成代價昂貴的嚴重后果。因此化學監測十分關鍵，目的是監測蒸汽發電廠中的污染物并減少腐蝕。
發電廠水質監測是ABB的一個核心業務，為此提供了多種化學測量儀表。在鍋爐給水及冷凝物中，二氧化硅（作為巖石圈中含量僅次于碳的元素）和磷酸鹽（用作pH調節劑來限制腐蝕）是兩種必須嚴密監測的物質。
二氧化硅是一種難以從水中除去的天然物質。在高溫高壓下它可以溶解，背蒸汽攜帶，并且不均勻地沉積在過熱管及汽輪機葉片上。二氧化硅可形成難以清除的堅硬沉積物，類似于陶瓷。即使是少量的二氧化硅也會使發電效率顯著下降，并造成嚴重的機械損壞1 。冷凝器的微小泄漏也可使蒸汽-水循環受到二氧化硅污染。必須在蒸汽-水循環的一些測點上連續監測二氧化硅，以防止鍋爐及汽輪機受損。另一方面，在某些發電站，向水中加入磷酸鹽來嚴格控制蒸汽-水循環的pH值，從而減少酸性腐蝕。它也必須接受連續監測，以避免蒸汽發生管遭受代價高昂的腐蝕 2 。
如果水中含有微量的污染物、或水的化學成分有少許變化，都會對全廠的性能、可靠性、效率和安全性造成代價昂貴的嚴重后果。
不良水質的代價
水的化學問題會引起腐蝕故障、過熱器污損與/或渦輪葉片化學沉積。這會造成效率下降，并最終引起工廠停運，帶來發電損失。
在典型的發電站中，如果由于嚴重的水質問題引起腐蝕及化學沉積，并造成為期一周的鍋爐停機，則估計會帶來大約4百萬美元的損失（20萬美元用于修理及化學清洗，380萬美元時因停機而損失的產值）。由于水質不良而引起的災難性故障會需要更多的時間和資金來修復。難以估計通過化學測量實現良好水質控制而產生的價值，但由美國礦石燃料發電協會提供的下列數據（1980年代中期的報告）在今天仍有意義[4]：
1 汽輪葉片上的二氧化硅沉積
2 由于蒸汽-水循環中化學水質的控制不足而造成的管道焊接腐蝕
3 AW600 二氧化硅分析儀
大約一半的非計劃停機與腐蝕有關
腐蝕與化學沉積每年造成超過30億美元的運行與維護費用
廠用電損耗的10％以上與腐蝕有關
對于100 MW機組，效率下降1％意味著每年的運行費用增加大約15萬美元
AW600分析儀一馬當先
用于二氧化硅及磷酸鹽的新型AW600分析儀是當今市場上最為先進的水質分析儀 3 。考慮到發電廠運營商所面臨的當前問題和未來挑戰，AW600在整個周期內對環境的影響都很小。在同類型的水質分析儀中，它的購買和維護成本最低。產品的設計包含了資產管理功能和通信能力，有助于提高發電循環的效率。客戶將得到一種高品質的水分析儀，以便控制流程，實現成本與可靠性目標，管理資產（工廠與儀器），并滿足當地及國際管制規定的要求。減少保養成本，還能顯著節省成本。由于這種分析儀的設計簡單、維護要求低，對操作員技能水平的要求可以降低。AW600綜合了先進的通信能力、內部診斷、預防性維護功能和數據趨勢例程，客戶可以僅在必要的時候或按照預定時間投入使用，從而簡化業務流程4 。
數據處理、存儲和安全性使得用戶可以執行全新的任務和功能，從流程數據中獲取更大價值，甚至使某些報告任務實現自動化。AW600的新型模塊化設計消除了用戶和服務人員之前在進行例行維護任務、故障排除或維修時受到的某些困擾。
AW600與環境
在對環境的影響方面，在產品使用中的維護成本，AW600得用戶可顯著受益，特別是在與同類分析儀相比時。AW600消耗的試劑體積是傳統分析儀的大約十五分之一。這能降低試劑費用，并減少浪費。AW600制造材料的重量和體積都減少了大WEEE及RoHS1）法則，采用了環保材料，便于安裝，并能實現高效回收。
保養間隔被延長到90天，這大約是競爭對手測量儀器維護工作目前所需間隔的三倍。此外，保養所需時間縮短了三分之二，使保養費用顯著下降。
同時添加了方便用戶使用的功能。例如，可以通過互聯網從遠程位置查看儀器狀態，并在移動狀態下使用SMS即時信息，從而無需經常進行儀器保養。由于分析儀的設計包括了輔助密封措施，即使無意之中把有害的化學試劑潑灑在儀器上，也不會造成損壞。
設計考慮事項
在所有要求中，測量的可靠性與準確性最為重要。因此，設計小組采用了一種嚴格而復雜的分析化學技術，并把它應用于易于操作的模塊化產品中。當可靠性與準確性風險較高時（如在試劑運輸系統中），則采用成熟技術。在技術風險較低的領域，根據重大突破來開發定制的解決方案。例如，在圖像用戶界面、光學感測模塊和內部診斷傳感器這三個領域，需要技術創新來得到可以實現價值增長的功能。
設計小組遇到的挑戰包括，通過建立一種模塊化設計來顯著減少制造成本和提前期，該模塊化設計的主要零件和子組合件應該能簡化制造過程。重點在于取消勞動密集的步驟，采購預
先測試的零件，并從成本較低的國家購買材料。為了實現這一目標，多達80％的材料從中國和遠東采購。
4 AW600 分析儀的高級通信與診斷功能使工廠操作員獲得了對儀器的高度控制以及資產管理能力
5 AW600 采用了 ABB 儀器儀表部的清晰而獨特的高級 HMI 顯示頁面
6 借助圖形顯示功能，可以同時監測多個流程，并查看歷史數據
一項主要的設計目標是盡量利用ABB公共部件項目所提供的部件。高級HMI、公共軟件框架和公共現場總線裝置都是公共部件項目的成果。AW600電子外殼也是作為一種公共部件開發的，它將用于未來的ABB儀器儀表產品。所有主要的AW600模塊（電子單元、液體部分部件及液體部分外殼部件）也都將用于未來的分析產品，從而顯著節省研發投資。
主要特點
AW600的一項重要使命是為客戶提供超越基本分析儀器的更高價值。這種增值是通過建立強大的圖形用戶界面（GUI） 5 -ABB的高級HMI公共部件來實現的。
GUI基于最新發布的SM500F圖形記錄儀硬件。應用固件經過特殊編寫，使用戶能夠更加全面地審視所需的測量、儀器的狀態、以及有關流程或應用的語境內信息。例如，用戶可以監測多達6個流程，并查看圖形趨勢或圖表數據形式的歷史數據和儀器事件 6 。AW600的用戶還可通過幾個可選的安全等級，把數據保存在安全數字（SD）卡中，便于以后查看與報告。SM500F模塊的另一項優點是能夠在平臺上添加產品改進、新功能及其他被測量2）時，更新儀器固件。
AW600內的一組內部診斷傳感器可實時監測儀器的狀態。基于試劑和標準溶液液位的信息（如所剩的測量時間）可以得到評估，并預設報警來提示用戶何時需要補充消耗品。內部流量及液位傳感器監測泵的效率，并在需要采取預防性維護時通知用戶，從而避免發生故障。可以設置定期自動校驗和補償校正，保證隨時都可進行可靠的測量。
通信
AW600分析儀采用了最新的通信功能。PROFIBUS DP-V13）實現了與ABB最新的分布式控制系統800xA的循環總線連接。其他高級通信則通過電子郵件信息及互聯網連接（通過以太網模塊）來實現。有關的PC軟件應用使用戶可以用臺式PC或筆記本電腦（通過移動技術）實時查詢AW600。借助用GSM模塊提供的SMS文字信息服務，用戶可以在手機上接收更新和狀態信息。未來的調整措施使用戶可以用移動計算裝置（如PDA或Pocket PC）的無線功能來操作并設置AW600。
AW600儀器平臺
二氧化硅與磷酸鹽分析儀僅僅是新型AW600平臺中首先推出的兩種新產品。未來，基于AW600的水質分析儀還將包括面向飲用水和廢水的多種應用。它們的目標是發電、城市用水和過程能夠工業等核心市場。
Eric D’Costa
ABB分析儀器
英國Stonehouse
eric.dcosta@gb.abb.com
參考文獻
[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) 4 203-208
腳注
1）廢棄電氣與電子設備（WEEE）規定鼓勵重新使用、回收與再生，以改善電氣、電子設備生命周期所涉及的所有使用者的環境影響。有害物質限制（RoHS）要求自2006年7月起，在新上市的電氣、電子設備中，淘汰重金屬（鉛、汞、鎘與六價鉻）與溴化阻燃劑。
2）被測量是所測的物理或電氣量、性質或條件。術語“被測量”優于“所測主要參數”。
3）90％的PROFIBUS從動應用是PROFIBUS分散式周邊（DP）協議，具有三種按功能分級的版本：DP-V0、DP-V1 及 DP-V2。PROFIBUS DP-V1包含旨在實現流程自動化（特別是參數分配、操作、可視化與智能現場裝置中斷控制的非循環數據通信，以及循環用戶數據通信）的改進。
注：本文曾發表在電力設備雜志