背景

       美國(guó)田納西河谷管理局（TVA，Tennessee Valley Authority）所屬的艾倫聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠（Allen Combined Cycle Plant）位于田納西州孟菲斯市近郊，艾倫發(fā)電廠是田納西河谷管理局的第七家聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。發(fā)電廠于2018年新增2臺(tái)天然氣輪機(jī)（每臺(tái)33萬(wàn)千瓦）、1臺(tái)燃燒蒸汽輪機(jī)（42萬(wàn)千瓦）、以及3000塊太陽(yáng)能板（約1千千瓦）。發(fā)電廠的總發(fā)電量超過(guò)100萬(wàn)千瓦，為50多萬(wàn)戶(hù)家庭供電。

       艾倫發(fā)電廠的前身是擁有55年歷史和三個(gè)燃煤機(jī)組的艾倫化石燃料發(fā)電廠。天然氣發(fā)電的排放很低，艾倫發(fā)電廠于2018年成為管理局的最GX的天然氣發(fā)電廠1。在發(fā)電高峰時(shí)段2，發(fā)電廠每天要用7—10百萬(wàn)加侖（約26500—38000 m3/天）的水來(lái)冷卻冷凝器。由于在生產(chǎn)效率和資產(chǎn)優(yōu)化方面有較高要求，發(fā)電廠難以承受因停機(jī)而造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此采用了總有機(jī)碳（TOC，Total Organic Carbon）監(jiān)測(cè)法來(lái)預(yù)防因乙二醇（glycol）泄漏而導(dǎo)致停機(jī)，造成高昂損失。

挑戰(zhàn)

      艾倫發(fā)電廠的鍋爐給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與管理局的其它兩家發(fā)電廠的鍋爐給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相同。去年，這三家發(fā)電廠的閉環(huán)冷卻水系統(tǒng)都發(fā)生了乙二醇泄漏，不得不停產(chǎn)維修，以維護(hù)設(shè)備安全。艾倫發(fā)電廠尋求建立一種更積極主動(dòng)的監(jiān)測(cè)工藝來(lái)避免再度發(fā)生此類(lèi)停產(chǎn)維修。

      艾倫發(fā)電廠的技術(shù)人員檢查了冷卻水回路，測(cè)試了冷凝水和加有冷卻水（約含35％乙二醇）的冷凝水。測(cè)試結(jié)果表明，污染是由泄漏到鍋爐給水泵中的少量乙二醇引起。泄漏的原因有以下兩條，都涉及到密封不良：

01、當(dāng)發(fā)電設(shè)備不運(yùn)行而閉環(huán)冷卻水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，冷卻水與鍋爐給水泵之間有約150 PSI的壓力差。如果給水泵的密封不良，就會(huì)導(dǎo)致乙二醇泄漏。

02、當(dāng)發(fā)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，如果給水泵的密封不良，也會(huì)導(dǎo)致乙二醇泄漏。

       發(fā)電廠只有迅速確定停機(jī)的根本原因，才能盡快恢復(fù)生產(chǎn)，降低經(jīng)濟(jì)損失。

       乙二醇在室溫和正常壓力下為非離子狀態(tài)，因此無(wú)法用pH值或電導(dǎo)率等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)檢測(cè)乙二醇泄漏。但當(dāng)給水進(jìn)入低壓（70—80 PSI）、中壓（300—350 PSI）和高壓（1600—1800 PSI）桶之后，水中的乙二醇會(huì)氧化成乙酸等有害的有機(jī)酸，使水的pH值從10迅速降到5。隨著水從液體變?yōu)檎羝蚿H值的環(huán)境會(huì)使金屬呈熔融狀態(tài)，使管道壁被腐蝕變薄。低pH值甚至還能在24至48小時(shí)內(nèi)使管道壁穿孔，造成更嚴(yán)重的管道破損。艾倫發(fā)電廠在調(diào)查鍋爐事故時(shí)，最初以為需要幾加侖的乙二醇才能造成這樣的鍋爐損壞，但實(shí)際上只需半升乙二醇就能造成發(fā)電廠停產(chǎn)（見(jiàn)圖1，1加侖約為3.79升）。

圖1. 左側(cè)為最初估計(jì)的導(dǎo)致設(shè)備損壞和pH值偏移所需的乙二醇量，右側(cè)為實(shí)際上能造成發(fā)電廠停產(chǎn)和管道老化的乙二醇量。

      停產(chǎn)會(huì)給發(fā)電廠帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失。管理局估計(jì)，停產(chǎn)5天的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)170萬(wàn)美元。沒(méi)有蒸汽就無(wú)法發(fā)電，因此艾倫發(fā)電廠用一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)作為備用，以減少停機(jī)損失。如果沒(méi)有備用輪機(jī)，管理局的發(fā)電廠可能會(huì)面臨500萬(wàn)美元以上的停產(chǎn)損失，具體損失金額取決于當(dāng)時(shí)的發(fā)電量需求。此外，設(shè)備損壞還會(huì)使發(fā)電設(shè)施加速老化，從而進(jìn)一步加大損失。

解決方案

       艾倫發(fā)電廠采用TOC分析法來(lái)測(cè)量有機(jī)污染物，TOC分析法是一種能夠快速、準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)乙二醇泄漏的取樣工藝。TOC濃度與泄漏的乙二醇濃度呈正比線(xiàn)性關(guān)系，因此可以用TOC來(lái)檢測(cè)超純給水中的微量乙二醇，如圖2a所示。在開(kāi)始TOC監(jiān)測(cè)之前，管理局進(jìn)行了一系列測(cè)試，以確定能觸發(fā)TOC響應(yīng)的加標(biāo)乙二醇濃度（見(jiàn)圖2b）。

圖2

（a）蘇伊士WTS分析儀器實(shí)驗(yàn)室先前完成的測(cè)量結(jié)果，以及在寬濃度范圍內(nèi)回收率大于97％的乙二醇（ethylene glycol）測(cè)量結(jié)果。

（b）管理局用丙二醇（propylene glycol）進(jìn)行的類(lèi)似測(cè)量結(jié)果。

       此時(shí)用正常測(cè)量值的基線(xiàn)與峰值結(jié)果相比較來(lái)定義行動(dòng)限。測(cè)試結(jié)果表明，僅幾盎司乙二醇的泄漏就會(huì)產(chǎn)生400—700 ppb的TOC結(jié)果。在正常情況下，純冷凝水中的TOC濃度應(yīng)低于100 ppb，通常在20 ppb附近。

       TOC分析儀將有機(jī)化合物氧化成CO2，并測(cè)量所產(chǎn)生的CO2。有多種方法可以用來(lái)進(jìn)行氧化和檢測(cè)，而艾倫發(fā)電廠采用膜電導(dǎo)檢測(cè)和紫外過(guò)硫酸鹽氧化法。這種TOC方法被廣泛用于飲用水處理、制藥、半導(dǎo)體等行業(yè)的從原水到超純水的監(jiān)測(cè)。

       測(cè)試程序包括TOC分析和各種樣品檢查，能夠有效預(yù)防有害的乙二醇泄漏。操作人員可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)制定日常監(jiān)測(cè)步驟，也可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)決定是否切換或關(guān)閉設(shè)備。圖3是決策流程示意圖。

圖3.田納西河谷管理局艾倫發(fā)電廠采用TOC分析法來(lái)檢測(cè)乙二醇泄漏的操作程序流程示意圖，包括行動(dòng)限和步驟。

       在開(kāi)始操作之前，先從鍋爐給水泵的水池中取樣，測(cè)量TOC。發(fā)電廠有兩個(gè)鍋爐給水泵。如果在泵A中測(cè)出高于痕量的TOC，則測(cè)試并使用泵B，除非在泵B中也測(cè)出高于痕量的TOC。每天進(jìn)行兩次樣品分析，檢查是否有足以損壞設(shè)備或系統(tǒng)的TOC結(jié)果。

       也可以從低壓桶中取樣，因?yàn)榈蛪和笆禽^早的檢測(cè)點(diǎn)。在更換鍋爐給水泵的機(jī)械密封材料時(shí)完成低壓桶取樣，以確保密封材料保持良好性能。如果發(fā)現(xiàn)低壓桶中有泄漏，應(yīng)徹底沖洗和清潔系統(tǒng)，去除有機(jī)酸并恢復(fù)較高的pH值。以往的測(cè)試方法具有破壞性，在不進(jìn)行破壞性測(cè)試的情況下很難徹底分析管道壁變薄的原因。但TOC測(cè)試法則不同，能夠提供易測(cè)量和可重復(fù)的TOC數(shù)據(jù)，是一種穩(wěn)健耐用的檢測(cè)技術(shù)，幫助艾倫發(fā)電廠在發(fā)生停機(jī)事件和設(shè)備老化之前就能夠監(jiān)控、測(cè)量、預(yù)防乙二醇泄漏。

      此項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)提高了發(fā)電廠的運(yùn)營(yíng)信心，未來(lái)可以在全管理局推廣，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

結(jié)論

      即便是針孔般小的乙二醇泄漏，都會(huì)損壞發(fā)電廠的工藝設(shè)備。在較高的溫度和壓力下，乙二醇會(huì)降解為有機(jī)酸，進(jìn)而酸化水流，加快系統(tǒng)腐蝕。雖然無(wú)法準(zhǔn)確量化發(fā)電設(shè)備老化或管道壁變薄所造成的損失，但發(fā)電廠停產(chǎn)一天就會(huì)損失數(shù)百萬(wàn)美元的營(yíng)業(yè)收入。pH值和電導(dǎo)率都難以檢測(cè)到給水泵中的乙二醇泄漏，因而無(wú)法及時(shí)提醒操作人員系統(tǒng)中的有機(jī)酸降解。TOC分析法被證明是檢測(cè)乙二醇泄漏的最有效方法，實(shí)驗(yàn)室或在線(xiàn)的TOC檢測(cè)濃度從低到高，范圍非常廣。當(dāng)發(fā)現(xiàn)TOC濃度偏離了典型工藝濃度時(shí)，就表示有乙二醇泄漏。

       艾倫發(fā)電廠采用TOC分析法來(lái)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行，能夠及時(shí)采取措施保護(hù)設(shè)備，維持發(fā)電廠的正常運(yùn)營(yíng)。使用膜電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)的TOC分析儀能夠檢測(cè)到極低濃度的乙二醇泄漏，并且具有回收乙二醇和有機(jī)酸的超高靈敏度。事實(shí)證明，TOC分析儀非常有助于發(fā)電廠的運(yùn)營(yíng)監(jiān)控。當(dāng)分析儀DY次檢測(cè)到乙二醇泄漏事件時(shí)，即完成了分析儀的投資回報(bào)。田納西河谷管理局艾倫聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠用TOC分析法建立了乙二醇檢測(cè)工藝，為發(fā)電廠帶來(lái)了更高的運(yùn)營(yíng)信心和更好的資產(chǎn)保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

1.“Allen Combined Cycle Plant.” TVA, www.tva.gov/Energy/Our-Power-System/Natural-Gas/Allen-Combined-Cycle-Plant. 

2.“Allen Combined-Cycle Power Plant, Tennessee, United States of America.” Power Technology | Energy News and Market Analysis, www.power-technology.com/projects/allen-combined-cycle-power-plant-tennessee/.

現(xiàn)代工業(yè)用氮的制取方法都是以空氣為原料，將其中的氧和氮分離而獲得。目前主要有三種，即深冷空分法、分子篩空分法(PSA)和膜空分法。

1 深冷空分制氮
深冷空分制氮是一種傳統(tǒng)的制氮方法，已有近九十年的歷史。它是以空氣為原料，經(jīng)過(guò)壓縮、凈化，再利用熱交換使空氣液化成為液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸點(diǎn)不同(在1大氣壓下，前者的沸點(diǎn)為-183℃，后者的為-196℃)，通過(guò)液空的精餾，使它們分離來(lái)獲得氮?dú)?。深冷空分制氮設(shè)備復(fù)雜、占地面積大，基建費(fèi)用較高，設(shè)備一次性投資較多，運(yùn)行成本較高，產(chǎn)氣慢(12～24h），安裝要求高、周期較長(zhǎng)。綜合設(shè)備、安裝及基建諸因素，3500Nm3／h以下的設(shè)備，相同規(guī)格的PSA裝置的投資規(guī)模要比深冷空分裝置低20％～50％。深冷空分制氮裝置宜于大規(guī)模工業(yè)制氮，而中、小規(guī)模制氮就顯得不經(jīng)濟(jì)。

2分子篩空分制氮
分子篩空分制氮是以空氣為原料，以碳分子篩作為吸附劑，運(yùn)用變壓吸附原理，利用碳分子篩對(duì)氧和氮的選擇性吸附而使氮和氧分離的方法，通稱(chēng)PSA(Pressure Swing Adsorption）制氮。此法是七十年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種新的制氮技術(shù)。與傳統(tǒng)制氮法相比，它具有工藝流程簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、產(chǎn)氣快(15～30分鐘)、能耗低，產(chǎn)品純度可在較大范圍內(nèi)根據(jù)用戶(hù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，操作維護(hù)方便、運(yùn)行成本較低、裝置適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，故在1000Nm3／h以下制氮設(shè)備中頗具競(jìng)爭(zhēng)力，越來(lái)越得到中、小型氮?dú)庥脩?hù)的歡迎，PSA制氮已成為中、小型氮?dú)庥脩?hù)的方法。

3膜空分制氮
膜空分制氮是八十年代國(guó)外迅速發(fā)展的又一種新型制氮技術(shù)，在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用是近三四年的事。膜空分制氮的基本原理是以空氣為原料，在壓力條件下，利用氧和氮等不同性質(zhì)的氣體在膜中具有不同的滲透速率來(lái)使氧和氮分離。和其它制氮設(shè)備相比它具有結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、體積更小、無(wú)切換閥門(mén)、維護(hù)量更少、產(chǎn)氣更快(≤3分鐘)、增容方便等優(yōu)點(diǎn)，它適宜于氮?dú)饧兌取?8％的中、小型氮?dú)庥脩?hù)，有佳功能價(jià)格比。而氮?dú)饧兌仍?8%以上時(shí)，它與相同規(guī)格的PSA制氮機(jī)相比價(jià)格要高出15%以上。由上可知，MnZn鐵氧體生產(chǎn)企業(yè)，采用什么供氣方式和何種供氣技術(shù)，根據(jù)企業(yè)情況進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，選擇佳供氣方案。