用於熱水系統的高溫和高壓氧化還原電勢測量和監控設備的製作方法

2023-05-18 22:11:51

專利名稱：用於熱水系統的高溫和高壓氧化還原電勢測量和監控設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氧化還原電勢測量設備。更具體地說，本發明涉及一種與熱水系統中的腐蝕抑制程序 一起使用的氧化還原電勢測量和監控設
備。本發明尤其與氧化還原電勢測量和監控設備有關，該測量和監控設備的輸出信號用於確定影響和控制工業鍋爐系統中氧化還原電勢的化學品的進糹合速率。
背景
在熱水系統例如工業鍋爐中，因增大的氧化還原電勢而引起的腐蝕成為主要關注的問題。氧對鍋爐水工業中所使用的合金的親和力是引起許多腐蝕現象的原因。這種腐蝕是一個複雜的過程，不但取決於系統中氧的量，而且還取決於諸如水化學和冶金方面的因素。例如，水中存在的其他物種能將氧轉變成侵蝕性腐蝕力，或者能使冶金鈍化。其他重要的因素是溫度、壓力、流體速度和操作實踐。雖然氧可能是腐蝕過程中的主要組分或重要組分，〗旦它並不是"#一的組分。
減少熱水系統中氧腐蝕的常規方法是通過機械化學方法來去除大部
分分子溶解氧。絕大部分溶解氧都是通過採用機械除氣(mechanicaldeaeration )而被減少到十億分之一 的範圍的。水通常在通風容器中被加熱到沸點溫度以上，從而導致溶解氧的溶解度隨溫度的升高而減小。除氣器所特有的流體動力學和操作問題使水中留存了十億分之一的溶解氧。氧淨化劑是用於重複地將溶解氧的值降到低而恆定的值的化學品。許多這種淨化劑還起到鈍化腐蝕抑制劑的作用。除氣器並不總是完全有效；如果它們完全有效的話，那麼就可能再也不需要純淨化劑了，不過添加增強金屬鈍化的化學品是毫無疑問的。在某些情形中，添加氧淨化劑是防止除氣器可能出現故障可能性的安全保險措施。添加淨化劑也可以防止空氣滲入到系統中。
傳統上，供給到鍋爐給水的氧淨化劑的量基於給水中溶解氧的量加上一些過量淨化劑。供給的過量淨化劑的量基於鍋爐給水或鍋爐水本身期望的殘餘淨化劑濃度，其是淨化劑的過量濃度和鍋爐周期的函數。此供給控制方案存在若干問題。第 一個問題是不能有效地控制淨化劑的進給速率。在殘餘淨化劑減少並採取糾正措施之前，高氧條件會存在4艮長一段時間。
第二個問題是鍋爐水中存在殘餘淨化劑並不能簡單地表示系統得到了令人滿意的處理。根據條件(如，低溫或短的滯留時間)，給水中可以同時具有高的氧濃度和足夠的淨化劑。當這種富氧的給水送達鍋爐時，用蒸汽閃蒸出氧而在鍋爐水中留存下未反應的淨化劑。在極端情況下，結果
可能是預鍋爐(pre-boiler)和冷凝系統中不能接受的高溶解氧水平，同時在鍋爐本身中具有氧淨化劑的期望殘餘濃度。
在使用超高純度的水的某些高壓鍋爐(直流(once through ))中，已經釆用了不同的方法。不使用氧淨化劑。事實上，少量分子氧是有意添加到給水中的。在小心控制的鍋爐水化學條件下，氧(即，氧化劑)作為碳鋼的鈍化劑。所採用的氧濃度遠小於空氣飽和(8ppm的溶解氧)值，因此使用了一些除氣法。通常在添加受控量的氧之前，更容易在一定程度上除
工業鍋爐系統中的腐蝕通常發生在工作(即，高的)溫度和壓力下。最有效且最準確的操作和控制數據基於實際工作條件下所得到的測量結果。在鍋爐給水溫度和壓力下匯總這些標示了對系統的腐蝕應力的數據難以進行或很少能做到。傳統上，已經在室溫和室壓下針對從系統所取得的樣品測量了氧化還原電勢。這種室溫測量結果和其他常規測量結果例如溶角孕氧.特定冶金學腐蝕速率(metallurgy-specific corrosion rate)或歹《餘淨化劑測量結果不能夠檢測多數腐蝕現象和應力。
因此，存在一種持續需要來有效地測量和監控工作溫度和壓力下熱水系統中的氧化還原電勢。這種監控能夠主動調整給水化學(如氧、氧淨化劑、還原劑和氧化劑)，而不是在腐蝕發生之後才做出反應性調整。包括氧淨化劑/鈍化程序的給水化學的持續、實時優化會預防腐蝕問題，而腐蝕問題會造成蒸汽量損失、停機時間、資產壽命減少和運營成本增高。
概述
因此，公開了 一種用於在工作溫度和壓力下測量和監控熱水系統中氧
化還原電勢("ORP")的設備。在一個實施方案中，該設備包括流通池(flow-through cell )、用於感測系統中ORP的電極(此處稱作"ORP探針，')、溫度檢測器和參比電極。在優選實施方案中，這些部件協調作用以測量和監控ORP和溫度，並將這些測得的信號發送至控制器，該控制器確定熱水系統處理化學品，諸如氧和/或氧淨化劑的進給速率。在優選實施方案中，在流通池內的ORP探針和優選封裝在外部壓力平衡式參比電極組件(external pressure-balanced reference electrode assembly) ( "EPBRE")內的參比電極之間所測得的電勢(即，電壓差)標示了熱水系統，諸如工業鍋爐系統中的ORP。
在 一個方面，本發明包括一種用於測量熱水系統中氧化還原電勢和溫度的"i殳備。在一實施方案中，該設備包括具有多個埠的流通池，所述多個埠包括第 一埠 、第二埠 、流入埠和流出埠 。在一實施方案中，該設備包括與第一埠相關聯且具有將信息轉發至控制器的連接件(connection )的ORP探針。在一實施方案中，該設備進一步包括熱變電P且4專感器(temperature-dependent resistance sensor )(有日寸牙爾為"電卩且式')顯度檢測器")，該熱變電阻傳感器與第一埠相關聯且具有從流通池延伸到可操作來將信息轉發至控制器的溫度檢測器電連接件(electricalconnection)的連才妄〈牛。
在一個實施方案中，該設備還包括與第二埠相關Jf關的外部壓力平衡式參比電極組件。所述組件包括在流通池內的所述組件的第一端上的多孔玻璃料，以及含有電解液並從所述組件的第 一端延伸到所述組件的第二端的管。所迷組件的第二端連接到銀/氯化銀半電池參比電極，該銀/氯化銀半電池參比電極具有電連接件，且可操作來將信息轉發至控制器。在實施方案中，該設備包括與第一埠相關聯且具有第一端和第二端
的ORP探針。柏(或其他貴金屬)帶連接到所述第一端並放置在流通池內。防腐線(如，鉑)從所述第一端上的鉑帶延伸到所述第二端。所述第二端包括可操作來將信息轉發至控制器的電連接件。
在另 一個方面，本發明包括一種通過使用所描述的設備來預防熱水系統中腐蝕的方法。該方法包括確定熱水系統的理想ORP範圍。在一實施方案中，該方法包括把工作溫度和壓力下熱水系統的ORP作為ORP探針和參比電極之間的電勢差來測量，以及用溫度檢測器測量溫度。所測得的電勢和溫度被轉發至控制器系統，該控制器系統解析測量結果並確定所測得的ORP是否落入理想ORP範圍之內。該方法進一步包括若ORP未落入理想ORP範圍之內，那麼就向熱水系統的給水中添加有效量的氧或有效量的還原劑。
應當理解，所公開的設備能夠測量並監控靜止的或流動的含水系統或蒸汽的ORP和溫度，但是主要適用於工作時的熱水系統或工業鍋爐系統中存在的極端條件。在這樣的系統中，溫度可以高達約26(TC，而壓力可以高達約3000psi。在一實施方案中，ORP和溫度信號被連續監控。可選擇地，可根據時間表監控信號或者間歇地監控信號。
因為ORP探針的極化，所以在熱水系統的含水環境中所測得的ORP信號自然產生。與利用電流施加電壓相反，專門設計的ORP測量和監控設備允許利用系統中的無偏移電勢(f、ree-float川g potential)進行ORP的鈍化測量。合適的電壓信號解析裝置(voltage signal-interpreting unit), i者如高輸入阻抗伏特計或其他設備通常需要將這種電勢或電壓信號解析或轉化成可讀取的格式。在優選實施方案中，當垂直安裝時，EPBRE的底座(即，多接頭外殼的位置，下面所更詳細描述的)處於環境溫度，而與系統溫度無關；然而，底座保持在系統壓力下。在可選擇的實施方案中，EPBRE的底座可相對於流通池處於任何位置，且其溫度可以是環境溫度和系統溫度之間的任何溫度，這取決於特定應用。
本發明的 一 個優勢是提供一種用於在工作溫度和壓力下測量熱水系統中實時氧化還原電勢的設備。本發明的另 一優勢是提供一種能夠在工作溫度和壓力下測量熱水系統中實時氧化還原電勢並將所測得的電勢轉發至控制器以可操作地調整供給到熱水系統給水中的化學品供給，諸如氧或氧淨化劑的設備。
本發明的又一優勢是提供一種用於在工作溫度和壓力下測量熱水系統中實時氧化還原電勢並為操作器提供輸出數據來調節熱水系統給水中的化學品供給，諸如氧或氧淨化劑的設備。
本發明進一 步的優勢是提供一種能夠提供防止熱水系統中的腐蝕的新穎而有效的途徑的^殳備。
本發明的優勢還包括提供一種在工作溫度和壓力下同時或共同測量熱水系統中氧化還原電勢和溫度的設備。
本發明的另 一優勢是提供準確和高靈敏度的測量，以檢測用傳統室溫測量系統不能檢測的熱水系統中的腐蝕現象。
本發明的額外優勢是提供一種在高溫和高壓下測量熱水系統中氧化還原電勢的方法，因此允許迅速而又準確地響應系統中的腐蝕應力。
本發明的又一優勢是提供一種利用此處所描述的設備通過在工作溫度和壓力下測量熱水系統中氧化還原電勢並將所測得的電勢轉發至控制器以可操作地調節供給到熱水系統給水中的氧供給或氧淨化劑供給來防止熱水系統中腐蝕的方法。
本發明進一步的優勢是能夠及早地檢測給水的腐蝕應力，這允許對實時氧和/或氧淨化劑的含量進行主動調整，從而允許優化此含量。
此處還描述了額外的特徵和優勢，且這些額外的特徵和優勢從下面的詳細描述和附圖中看將是明顯的。
附圖簡述


圖1是氧化還原電勢測量設備10的實施方案的側視圖，顯示為具有流通池25、中間三通接頭(union tee ) 50，以及外部壓力平衡式參比電極組件75。圖2是流通池25的實施方案的示意圖，其具有埠25a、 25b、 25c和25d;傳感器26;高壓接頭(high-pressure fitting ) 78和聯接器28。
圖3是中間三通接頭50的實施方案的示意圖，其包括聯接器28、溫度檢測器電連接件54、套圈(ferrule) 56a和56b、氧化還原電勢探針連接件58、 L型支架60和BNC連接器62a和62b。
圖4闡釋了傳感器26的實施方案，其具有溫度檢測器26a、絕緣熱縮套管(insulating heat shrink) 26b、貴金屬帶26c、線26d、錨固熱縮套管26e ( anchoring heat shrink )和管26f。
圖5是所描述的若千部件之間的空間關係的剖視圖，根據優選實施方案，部件包括溫度檢測器26a、絕緣熱縮套管26b、貴金屬帶26c、線26d、錨固熱縮套管26e、管26f、中間三通"^姿頭50和套圈56b。
圖6描繪了外部壓力平衡式參比電極組件75的實施方案，其包括外管76、高壓接頭78、高壓連接器80、內管82、參比電極84、多孔玻璃料86、插入件88、多接頭外殼90、異徑接頭(reducing union ) 92、 BNC連接器94、鎖緊螺母96、螺栓98和緊固件102。
圖7顯示了多接頭外殼90的實施方案，其具有密封接合件100、緊固件102、內管82和參比電極連接件84b。
圖8闡釋了安裝在熱水系統200中的氧化還原電勢測量設備10的實施方案，其包括給水樣品出口 202、可鎖定閥204、輸送管206、隔離閥208、通氣閥210、第 一 自由排放出口 ( first free drain outlet )212、三通管213、壓力計量器214、流量計216、流量控制閥218,以及第二自由排放出口220。
圖9顯示了在模擬的工業鍋爐給水系統中高溫和高壓ORP信號變化的多個實施例。Y軸顯示了用此處所描述的ORP設備所獲得的ORP數目。X軸顯示了對應於每一次讀數的溶解氧讀數。
詳細描述正如此處所使用的，"熱水系統"指熱水與金屬表面接觸的任何系統。
"熱水，，指具有從約37。C直到約370。C溫度的水。熱水系統可以在大氣壓力或低於大氣壓力下工作或在高達約3000psi的壓力下工作。優選的熱水系統是工業鍋爐系統，其通常具有約90。C到約260。C的水溫和高達約3000psi的壓力。
"ORP"、 "ORP測量結果"、"所測得的ORP"或類似的術語指在工作溫度和壓力下所獲得的氧化還原電勢測量結果。在實施方案中，這類術語包括同時測得和轉發的溫度信號。
"控制器系統"以及類似的術語指具有例如以下所述部件的手動操作器或電子設備，這些部件如處理器、存儲設備、陰極射線管、液晶顯示器、等離子顯示器、觸控螢幕或其他監控器，和/或其他部件。在某些情況下，控制器是可操作的，以用於與一個或多個特定應用的集成電路、程序或算法、一個或多個硬線設備和/或一個或多個機械設備相結合。控制器系統功能的一些或全部可以位於中央位置，如位於網絡伺服器，用來在區域網、廣域網、無線網絡、網際網路連接、微波連結、紅外連結等範圍內通信。此外，諸如信號調節器或系統監控器的其他部件可以被包括在內以促進信號處
在一個實施方案中，控制方案是自動化的。在另一實施方案中，控制方案是手動的或半手動的，其中操作器解析信號並確定給水化學，諸如氧或氧淨化劑的劑量。在實施方案中，所測得的ORP信號由控制器系統解析，該控制器系統控制引入系統中的氣或氧淨化劑的量，以使所測得的ORP保持在確定的範圍內。在實施方案中，控制器系統還解析所測得的溫度以確定添加的氧或氧淨化劑的量，如果添加的話。溫度檢測器還可用於信息目的，諸如警報方案和/或控制方案。應該理解，根據進一步的輸入，諸如pH、溶解氧含量和其他廢物組分，控制方案可以結合泵限制器、報警裝置、智能控制和Z或類似物。
在優選實施方案中，對給水化學所做的變化和調整包括向給水中添加氧或者一種或多種氧淨化劑。通過定義，氧淨化劑是還原劑(reducingagent),但未必所有還原劑都是氧淨化劑。適合作為氧淨化劑的還原劑須滿足熱動力學要求，即滿足放熱反應與氧一起存在。對實際應用來說，在低溫下需要合理的反應率。也就是說，應該存在某些有利的反應動力學。而且，對諸如用於系統控制和腐蝕控制的給水化學所做的其他變化和調整
可以包括添加其他氧化劑(oxidizing oxidant)或其他還原劑。
還高度期望，當還原劑和其氧化產物形成在蒸汽產生裝置中時，其不是腐蝕性的且不形成腐蝕性產物。通常，氧淨化劑使某些pH範圍、溫度和壓力發揮最佳作用，且氧淨化劑還受到催化作用以一種方式或另一種方式的影響。對用於給定系統的合適的氧淨化劑的選擇可容易地根據上述標準進行確認。
優選的還原劑(即氧淨化劑)包括肼、亞Ai酸鹽、碳醯肼、N,N-二乙基羥胺、氫醌、異抗壞血酸鹽、甲基乙基酮肟、羥胺、丙醇二酸、乙氧基喹、甲基四氮腙、四曱基對笨二胺、半-卡巴肼、二乙氨基乙醇(diethylaminoetlianal )、 2-酮葡萄酸鹽、N-異丙基羥胺、抗壞血酸、沒食子酸和羥基丙酮。
諸如"聯接器"、"接頭"、"螺母"的術語以及此處所使用的類似術語並沒有區別，相反，它們通常旨在描述和表示相似類型的緊固件機構。這些術語是為了方便而使用的，並不是因為結構或功能上的限制。任何合適的連接機構可以用於所描述的聯接器、接頭和其他緊固件或連接器。通常，連接機構設計成耐得住在熱水系統中所受到的溫度和壓力。為了有助於密封此處描述的任何一種聯接器、接頭等，可以使用密封劑，如Tef!oi,膠帶、液體Tefloir、管工油灰(plumber'sputty)、矽膠或其他合適的密封劑。而且，接頭被參考為"高壓"並不是要將此接頭與此處所描述的其他接頭區分開，因為每一種接頭是根據特定的熱水系統特性來選擇的。
接頭、聯接器、連接器、接合件，螺母、螺栓以及此處所描述的類似物的代表性的、非限制性的實施例包括NPT接頭、快卸NPT接頭、AN型接頭、擴口式接頭、壓縮式接頭(如利用套圈的那些接頭)或其他任何合適的聯接器、轉接器、接頭或緊固件。焊接、銅焊、粘合(例如，氰基丙烯酸鹽粘合劑、樹脂或其他合適的粘合劑)，或其他類型的永久性或半永久性的連接方式也設想用於某些應用中。可使用聯接器、接頭、連接器、轉接器或接合件的任何合適的尺寸、形狀、材料等，並根據特定應用場合的特徵和要求來確定。
根據本發明的實施方案，此處提供了某種電連接件，如陰極和陽極連
接件。在實施方案中，ORP探針包括陰極連接件，而參比電極包括陽極連
接件。這樣的連接件是為了方便且根據慣例來命名的。在可選擇的實施方案中，用於這些連接件的極可以進行調換或改變，如參比電極是陰極連接
件，而ORP探針是陽極連接件。
在一個實施方案中，所有所描述的電接口或與那些接口相關聯的連接件(即，用於ORP探針、參比電極、溫度檢測器的連接件)包括BNC型連接器。可選擇地，連接件可以包括其他類型的RF連接器、TNC型連接器、昏蕉插頭、巻曲連接器(crimp connector )、其他類型的電連接器、焊4妻連接件(soldered connection)、單線(direct wire )，或其他任何合適的電才妻口或連4妄件。
設備描述
參考圖I到圖8，闡釋並解釋了 ORP測量和監控設備(下文稱為"ORP設備")的優選實施方案，其中相同的數字表示相同的部件。在圖1中，ORP設備10的實施方案顯示為具有流通池25、傳感器26、中間三通接頭50和外部壓力平衡式參比電極組件75。流通池("FTC")通常是ORP設備的連接其他部件的"基礎"，這些其他部件包括溫度檢測器、傳感器和外部壓力平衡式參比電極組件("EPBRE")。然而，在可選擇的實施方案中，其他部件可以與FTC分離，因而並不直接連接到FTC。在此實施方案中，聯接器28將FTC連接到中間三通接頭，而接頭78將FTC連接到EPBRE。
優選的緊固件包括用於聯接器28和接頭78的1/4或3/8英寸的NPT接頭。這些連接器可以是任何合適的尺寸，且此處的實施例並不是用來限制的。例如,3/8英寸的陰轉接器(female adaptor )可以用於聯接器28,如零件No.SS-6-TA-7-4，而異徑接頭零件No.SS-400-R-6BT可以用於接頭78 (都從Solon， OH的Swagelok衝購得)。在此實施方案中，EPBRE被描述成"懸掛"在下面且相對於FTC垂直。這樣的垂直構型是一個實施方案，且應該理解，根據本發明可選擇的實施方案，EPBRE可按相對於FTC的任何角度進行定位。優選地，ORP設備被安裝成使得EPBRE直接向下指並朝向地面。此向下的位置使EPBRE底座保持在環境溫度，並確保電解液(下面所述的)中不形成氣泡。
圖2闡釋了 FTC25的優選實施方案。儘管此示意圖闡釋了具有四個埠 25a到25d的實施方案，但是應該設想FTC可具有額外埠 ，如用於連才矣或添加其他部件或用於接納額外流入物和/或流出物的額外埠 。 一些或全部埠可以在內部相連或分離，或者在外部相連或分離。優選的四埠
FTC的例子是3/8英寸的管接頭，四通接頭零件No.SS掘-4 (從Solon，OH的Swagelok"購得)。在優選實施方案中，FTC構建成3/8英寸的不鏽鋼十字管(cross )，且包括具有4個連接埠的透孔(bored - through )構型。設想，FTC的孔尺寸和其他尺寸可選擇成容納任何可能的流速，根據每一種應用來確定。優選的且通常的流速包^^約50 ml/min到約1000ml/min。更優選的流速約100 ml/min到約500 ml/min。
如圖2所示，流入埠 25b接納來自熱水系統的水流入物，而流出埠 25a將水引回系統或引入廢物流中。在可選4奪的實施方案中，閥或其他流量控制設備可用於控制FTC的流入物和流出物。這種流量控制系統的一個實施方案闡釋並解釋在下面的圖8中。應該理解，本發明可包括超過一個的流入埠和/或流出埠 ，其可設置成一致地、可獨立控制的工作，或者按任何合適的方式設置並操作。此實施方案中的埠 25c包括將FTC連才妻到EPBRE的高壓才妻頭78。
在實施方案中，傳感器26與FTC相關聯並伸入到FTC的中心附近。在一個實施方案中，傳感器包括ORP探針。在另一實施方案中，傳感器包括溫度檢測器。在又一實施方案中，傳感器既包括ORP探針又包括溫度檢測器。在實施方案中，溫度檢測器是熱變電阻傳感器，如以下所更詳細描述的。例如，當水流入物接觸ORP探針時，在ORP探針和參比電極之間產生被轉發至控制系統的ORP信號。ORP探針通常相對於多孔玻璃料86定位，如以下所更詳細描述的。用於多孔玻璃料的優選材料包括陶瓷材料或電陶資材料，如氧化鋯、聚合物材料等或其他任何合適的多孔材料。優選多孔玻璃料對熱水系統處理和ORP信號測量是惰性的。
14在圖3中，顯示了中間三通接頭50的實施方案，包括聯接器28、溫度檢測器電連接件54、套圈56a和56b、 ORP探針連接件58、 L型支架60和BNC連接器62a和62b。聯接器28在埠 25d處將FTC連接到中間三通接頭。用於聯接器28的優選連接器是零件No.SS-6-TA-7-4 (從Solon，OH的Swagelol^購得)。在優選實施方案中，中間三通接頭包括兩個1/8英寸的管連接器，其在連接到聯接器28的剩餘端(remainingend)上具有1/4英寸的NPT連接器。在實施方案中，中間三通接頭安裝在或連接到L型支架或其他穩定設備或附加裝置(attachment)上。在可選擇的實施方案中，中間三通接頭可具有其他合適尺寸的接頭，此接頭可以是標準的、公制的、小的、大的或任何合適的構型。根據實施方案，中間三通接頭的一端連接到流通池。在中間三通接頭的另兩端連接的是溫度檢測器電連接件和ORP探針連接件。雖然可以使用任何合適的中間三通接頭，但是優選的中間三通接頭是零件No.SS-200-4TMT(從Solon, OH的Swagelok'"'購得)。
圖4描繪了傳感器26的實施方案，其具有溫度檢測器26a (在傳感器的"尖端")、絕緣熱縮套管26b、貴金屬帶26c、線26d、錨固熱縮套管26e和管26f。在該實施方案中，管26f是一端封閉的不鏽鋼管，其具有約1/8英寸的外徑，且從流通池的近中心位置延伸入中間三通接頭。應當理解，管可具有任何合適的直徑，根據每種應用來確定。管的作用是為貴金屬帶26c ("帶")提供支撐，且可以包括任何抗腐蝕材料，如任何合適組成的不鏽鋼、紹、其他金屬和塑料及其組合。在優選實施方案中，帶起到鈍化ORP傳感器的作用。在鈍化面上相對於參比電極來測量樣品水的ORP。在實施方案中，帶設置在FTC的近中心位置(如上面的圖2所述的)，且與含水流直4妄4妻觸。
在優選實施方案中，溫度檢測器是熱變電阻傳感器(如PT100、 PT200、PT1000、 CU10、 N1120)。在一個實施方案中，熱變電阻傳感器包封在管26f中，且並不直接暴露於含水流。根據可選擇的實施方案，溫度檢測器還可以包括標準熱電偶(如J、 K、 T或E型)或其他溫度傳感設備(temperature-sensing device )。在實施方案中，傳感器26既包括具有貴金屬帶的ORP探針，又包括溫度檢測器，這兩個部件組合成為一個集成的部件。在一個實施方案中，傳感器包括兩條線，如線26d,其中一條傳輸ORP信號，而另一條傳輸溫度信號。在另一實施方案中，溫度檢測器包括多條線。
的一個、兩個或更多個溫度檢測器。例如，如果採用兩個溫度檢測器，那
麼一個檢測器可用於監測FTC附近的溫度，而另一個檢測器監測參比電極附近的溫度。這種構型允許ORP設備的使用者或操作者估計並計算出可沿著EPBRE長度存在的熱電勢。然後，此數據將用來相對於溫度差和電勢糾正ORP值並對ORP值去巻積。
線和帶可包括任何貴金屬，如金、銀、鉭、鉑、銠、銅和/或類似物。鉑是優選的。在實施方案中，此處所描述的任何線可以包括包裹在這種線周圍的絕緣材料，如塑料或Teflon 線26d連接到帶，並將電信號傳輸至陽離子連接件58。在實施方案中，另一條線(未顯示)將電信號從電阻式溫度檢測器的放置在尖端26a處的管封閉端內的"起作用"部分傳輸至溫度檢測器電連接件54。圖5闡釋了根據優選實施方案所描述的若千部件之間的空間關係的詳細剖視圖。在一個實施方案中，傳感器26的尾端穿過中間三通接頭伸出，並從FTC進入中間三通接頭的相對惻上的空間內(如圖5所示)。在該實施方案中，熱變電阻傳感器的起作用部分位於尖端26a處的管26f內。
參比電極的優選實施方案包括EPBRE75,其起到包封並熱絕緣參比電極的作用。在圖6中所闡釋的是EPBRE75的實施方案，其包括外管76、高壓接頭78、高壓連接器80、內管82、參比電極84、多孔玻璃料86、插入件88、多接頭外殼90、異徑接頭92、 BNC連接器94、鎖緊螺母96、螺栓98和緊固件102。此實施方案中的外管是1/8到1/2英寸內徑的不鏽鋼管並罩住內管。在實施方案中，EPBRE包括一個或多個插入件88,其起到允許內管被分離以補充、檢查、替換、更新電解液等的作用，如以下所更詳細描述的。
製成，例如由不鏽鋼、鋁，Teflon氣塑料、其他合適的聚合物材料或其他合適的金屬製成。優選地，外管是不鏽鋼管(如從Elmhurst, IL的McMaster-Can^購得的1/4英寸外徑的316不鏽鋼管材)，而內管是與外管過盈配合的Teflot^。在此實施方案中，外管76約5到約25英寸長。優選地，外管約10到20英寸長。外管的長度起到使參比電極(EPBRE內)與熱水系統熱隔絕的作用，同時保持熱水系統和參比電極之間大約相等的壓力。外管可由任何合適的管材材料製成，且可採用任何合適的直徑或長度。
多接頭外殼或EPBRE的"底座"的實施方案闡釋在圖7中，其包括密封接合件100、緊固件102和參比電極的參比電極連接件84b。密封接合件優選地包括非金屬的多套圈材料。在此實施方案中，密封接合件的密封材料包括用3/16英寸的螺母固定到多接頭外殼的3個分離的Tefloi^套圈。這種套圈"組件"的實施例包括零件NO.T-303和T-304 (從Solon， OH的Swagelok"'購得)。在其他實施方案中，不同類型的密封件和密封材料可用於密封接合件。例如，密封材料可包括密封墊、彈性體、矽膠、軟木塞、擴口式接頭、槔膠襯套、O型圏或任何合適的密封件或密封村料。在此實施方案中，套圈起到向由內管包封的參比電極84施壓的作用。連接器80通過例如標準不鏽鋼套圈連接到異徑接頭92。套圈向外管施加壓力，從而將外管維持在合適的位置，並提供壓力安全邊界。
參比電極優選約2.5到約3.5英寸長，且從尖端84a到密封接合件100逐漸變細。在實施方案中，參比電極的直徑從密封接合件到參比電極連接件84b保持恆定。參比電極連接件端的直徑通常約0.125英寸，且尖端的直徑通常約0.01英寸。根據可選擇的實施方案，這些直徑可以是任何合適的直徑。參比電極(優選銀/氯化銀半電池，其中錐形的杆型電極包括帶有氯化銀塗層的銀)從內管內部(即，尖端與填充的電解液接觸)延伸到外管端部，並接觸參比電極連接件。根據實施方案，參比電極連接件端包括凹口以容納將參比電極連接到BNC連接器94以可操作地將電信號從參比電極傳輸至接收器或控制器的線。螺栓98起到防止參比電極在系統壓力下彈出的作用，且通常由諸如尼龍、PVC或其他塑料的任何電絕緣材料製成。
組裝
雖然存在用於組裝所描述的ORP設備的多種方法，但是示例性的方法包括用1/8英寸(或匹配管26f尺寸的任何尺寸)的鑽鑽透中間三通接頭50,以允許管26f穿過中間三通接頭插入。L型支架60隨後連接(例如，焊接)到中間三通接頭，而聯接器28連接到中間三通接頭的FTC側。在接下來的步驟中，聯接器用於將中間三通接頭固定到FTC上的埠中的一個埠 ，如埠 25c。
形成ORP探針(在實施方案中，貴金屬帶26c)包括使用具有約1/]6到約1/2英寸(優選約1/4英寸)的寬度和大到足以圍繞管26f裝配的直徑的帶(優選鉑)。絕緣熱縮套管26b熱套到管26f上，剩下約l/8英寸的管封閉端被暴露。隨後切割出一小部分帶，此刻，"C型"帶緊緊地包裡或摺疊在絕緣熱縮套管周圍。最後組裝時，帶的切掉部分或接縫最終應該面朝著離開多孔玻璃料86的方向。線26d的一端設置在絕緣熱縮套管和帶之間，然後巻曲到絕緣熱縮套管上。此巻曲將線26d固定在絕緣熱縮套管和帶之間。線通常還通過焊接，軟焊等固定到帶。此線的直徑通常約0.001英寸到約0.01英寸，且具有足夠的長度(通常約2.5英寸到約4.5英寸)以到達ORP探針連接件58。
在實施方案中，熱變電阻傳感器放置在管26f內。例如，4線熱變電阻傳感器轉變成2線連接器，並連結到BNC溫度檢測器電連接件54。少量熱縮套管材料或其他穩定性材料可以設置在熱變電阻傳感器上，以提供支撐和電絕緣。電阻傳感器隨後插入管26f的開口端，直至到達管的封閉端。隨著管外表面的溫度相對於含水流變化，熱變化觸發熱變電阻傳感器中的電阻變化，熱變電阻傳感器又將合適的電信號發送至控制器系統。
因此，根據實施方案，管26f在內部罩住或包封熱變電阻傳感器，且包括了貴金屬帶26c的ORP探針存在於管26f的外表面上。管通常約3.5英寸到約5英寸；然而，任何合適的長度都將起作用。在將管切割至一定長度並將絕緣熱縮套管放置在管的一部分上時，線和帶就被固定在合適的位置。絕緣熱縮套管或者可以幾乎覆蓋整個管，或者僅部分地覆蓋管，因此剩下管各端的一部分被暴露。例如，封閉端的一小部分例如1Z8英寸以及開口端的稍微長點的部分例如約1/2英寸到約1英寸可以被暴露。
另一部件錨固熱縮套管26e，起到有助於將帶和線固定在合適位置的作用。在實施方案中，錨固熱縮套管的第一部分放置在帶的前面(即，帶
18和管封閉端的尖端之間)，而錨固熱縮套管的第二部分放置在帶的另一側上。錨固熱縮套管的第二部分稍微與帶重疊，並起到進一步將帶和線固定到管26f的作用。
之後，組裝好的管滑入中間三通接頭並如下所述鎖定在合適的位置。
從帶延伸的線穿過中間三通接頭的底部部分朝向套圈56b插入，且管端(還有熱變電阻傳感器的端)朝向套圈56a插入中間三通接頭。然後套圈被鎖住並密封。從ORP探針和熱變電阻傳感器延伸的線隨後固定到BNC連接器，優選通過軟焊固定到BNC連接器。應當進行電檢查，以確保帶和BNC接頭之間的連續性，並確保在帶或線與組件的其餘部分之間無電導性。
在一個實施方案中，多接頭外殼90通常由不鏽鋼(也可以設想其他合適的金屬、塑料等)製成，且具有兩個主要作用。第一個作用是罩住參比電極電連接件，第二個作用是提供結構支撐以防止參比電極84在系統壓力下彈出。異徑接頭螺母被焊接或以其他方式連接到多接頭外殼的第 一個接頭。鎖緊螺母％固定到多接頭外殼的第二個接頭的內部。螺栓98插入到鎖緊螺母以確保參比電極對壓力安全。BNC連接器94連接到多接頭外殼的第三個接頭。上述部件的每一個可以採用任何合適的方式包括焊接、軟焊、用環氧樹脂粘合等來固定。
組裝EPBRE包括製備參比電極，其具有延伸跨過參比電極長度的錐形，如上所述。參比電極的錐形部分放置在電解液中。參比電極優選通過將其浸入在約1摩爾鹽酸溶液中並施加約3.5毫安電流流過參比電極和輔助電才及(counter electrode )糹々4小時來電IU匕。
電氯化參比電極的示例性方法包括在1升玻璃池中設置約1升的l摩爾鹽酸溶液。連接在一起的兩個碳輔助電極用作輔助電極(將被連接到恆電位儀的輔助電極引線)。參比電極優選為如上所描述的銀棒，其懸垂在玻璃池的中心。兩個輔助電極在玻璃池的相對邊以180度隔開。典型的恆電位儀設置是電流範圍100mA，恆電流模式(mode galvanostat);設定掃描設置II OA;延遲ls到IOs;掃描HmA/s; 12-8.3raA (以0.083mA供給)；延遲2 6500;掃描2 10s; 13 0A。電氯化後，電極可保存在0.1N的KCl溶液中。在實施方案中，內管包括一個插入件88,其將內管分成上部部分和底
座部分(且從功能上分，還可以將外管分成兩部分)。上部部分連接到FTC上的埠的其中一個，而底座部分連接到EPBRE的底座。兩部分利用插入件進行連接。這種分離性允許在內管中維護電解液。
為了形成上部部分，約12英寸長的一段Teflo,熱縮套管管材(收縮到約1/8英寸的外徑)在窯中加熱到345。C並冷卻。通常，設置在Teflon*管材內部的薄的不鏽鋼(或其他合適的材料)管在加熱和冷卻過程中提供結構支撐。冷卻後去除支撐管。在此實施例中，多孔玻璃料86具有約1/8英寸的外徑、約1/2英寸的長度和約10%到約20%的孔隙率。收縮管材(shrunk tubing )的一端被削減以獲得約11.45英寸的長度，而另 一端被稍微擴口。多孔玻璃料被壓入收縮管的切割端約1/2英寸長，多孔玻璃料尖端的約0.05英寸到約0.15英寸通常被暴露超出內管。約1英寸長的插入件將裝配在擴口端內部(直到約1/2英寸)。在實施方案中，插入件也經歷如上所述的收縮過程。可選擇地，插入件並不收縮，且是將要被插入到熱縮套管Tefloi '中的包括內管上部部分的合適尺寸的Teflon，
內管的底座部分收縮且稍微擴口，如上面對上部部分所描述的。在實施方案中，底座部分的連接到多接頭外殼的端部用額外的Tefloi嚴熱縮套管管材(或其他類似的材料)增強，且在其頂端擴口以使剩餘的約/2英寸的插入件(即，保持在內管上部部分的底部部分外側的插入件部分)插入。增強材料有助於為異徑接頭92處的內管提供支撐。電氯化參比電極隨後被壓入底座部分的增強端，而參比電極的錐形端被插入內管。
在一個實施方案中，內管82填充有任意濃度的電解液，如NaCl、 KC1、氯化亞汞(即，氯化亞汞(I)或Hg2Cl2 )、類似物及其組合。在實施方案中，填充內管包括經由插入件將管分開，並利用長針注射器使電解液填充上部部分和底座部分的內體積。這兩部分通常被填充略超過容量，從而形
成彎月面。當兩部分被連接時，電解液結合，由此在連接的內管部分內部無氣泡。氣泡的存在將造成不準確的和開路測量結果。優選地，內管填充有約0.1NKC1。可選擇地，電解液包括約0.001N到約3.8N KC1。在其他實施方案中，EPBRE並不具有內管，且外管用電解液填充。也就是說，一個管將執行組合的內管和外管的功能。在可選擇的實施方案中，多個管可
被組裝或同心組合，以執行所描述的功能。在又一實施方案中，EPBRE包
括標準的氬電極或其他合適的參比電極。
一旦組裝好的內管滑入外管76中以形成管組件時，管組件的底部端連接到多接頭外殼，而管組件的頂部端連接到FTC。外管的一小部分(例如，約0.05英寸到約0.25英寸)應當保持暴露超出外管的任一端上的各自的異徑接頭。組裝異徑接頭通常涉及型鍛、冷壓活接頭等以形成密封。
根據實施方案，組裝多接頭外殼包括焊接或以其他方式將緊固件102連接到多接頭外殼。密封接合件100裝配到緊固件並為內管的底座部分提供密封。高壓連接器80、異徑接頭92和緊固件102被組裝以將底座部分連接到多接頭外殼。參比電極的一小部分伸入多接頭外殼以允許用線或其他導電材料將參比電極連接到BNC連接器94。鎖緊螺母96和螺栓98隨後組裝到多接頭外殼上以確保參比電極在操作壓力下保持壓入應有位置。
組裝管組件的頂部包括將高壓接頭78連接到FTC上的其中一個埠 。在實施方案中，使用了異徑接頭，如零件No.SS-400-R-6BT (從Solon，OH的Swagelok"購得)。在可選擇的實施方案中，任何合適的緊固件、聯接器等可用於將管組件的頂部連接到FTC。在實施方案中，多孔玻璃料86(多孔玻璃料在FTC端終止了 EPBRE )和帶之間的距離或空間間隙約1/64英寸或更大。優選地，該距離約1/8英寸到約1/2英寸，且最優選地，該距離約3/16英寸。通常，該距離是參比電極的參比電極連接件端的直徑的約1.5倍，且可以是該直徑的約1到約2倍。該端的直徑優選約1/100英寸到約l英寸，更優選約/8英寸到約1/2英寸，且最優選約3/16英寸。在可選擇的實施方案中，該端可具有任何合適的直徑，如約1/100英寸或更小到約幾英寸或更大。在每一個實施方案中，端的直徑與空間間隙有關，且ORP設備的校準(下面將解釋)包括容納空間間隙的調整。
校準和安裝
ORP設備的校準包括，例如檢查EPBRE對飽和氯化鉀標準半電池的電化學電勢。在校準條件下，通常連接到ORP探針(即，在工作條件下)的電連接器連接到EPBRE，而通常連接到EPBRE的電連接器連接到已知的標準半電池。兩個電才及都應當浸入飽和氯化鉀溶液中。如果環境溫度在
約25°C,那麼這兩個電極之間的電勢差應該是約82mV到約92mV (優選約90mV)。雖然電勢差是溫度的函數，但是溫度效應相對小，即從約O"C到約5(TC是約2mV。這些圖形中的任何明顯變化通常表明，在填充的電解液或損壞的參比電極中有氣泡。當通常用於ORP探針的連接件被縮短到通常用於參比電極的連接器時，校準過的ORP設備應提供O毫伏的讀數。
圖8描繪了安裝在熱水系統200中的典型ORP設備的實施方案。應當理解， 一個、兩個或多個ORP設備可用在熱水系統中。例如，某些工廠使用多個除氣器，其中給水經由多個鍋爐進給泵和備用系統沿路線輸送到多個鍋爐。在這些情況中，可能需要安裝在若千不同的樣品點位置處的若干ORP設備。在實施方案中，來自這些位置中一處或多處的ORP信號被輸送至控制器，而控制器計算並確定對系統化學的任何必要的變化。
包括在圖8中的閥是為了方便而命名。可在每一處存在閥的位置使用任何類型的閥，如2向閥、3向閥、Y形閥、旋塞閥、針閥、球閥、截止閥、止回閥、導向閥、閘門閥、±萊形閥、類似物或任何合適的岡樣式的閥。而且，閥可以是自動化的、手動控制的或按照特定應用所需的任何方式操作，以調整穿過流通池的流速。在此實施方案中，熱水系統包括可鎖定閥204，該可鎖定閥204在線接收來自給水出口 202的樣品並作為通過輸送管206和隔離閥208將流體引入ORP設備的起始點。在此實施例中，給水出口連接到節省器入口，在圖8中標示為"鍋爐給水泵之後的節省器入口樣品點"。可以採用任何合適的流速，根據操作器或控制器系統來確定。對圖8中所描述的系統的不同部分來說，流速可以是不同的且受到獨立地控制。而且，恆定的流速通常提供更準確的ORP測量結果。如上所述，流速優選約50 ml/min到約1000 ml/min。更優選的流速約100 ml/min到約500ml/mhi。
任何合適材料的任何尺寸的管材或導管可用於輸送管，雖然1/4或3/8英寸的不鏽鋼管材是優選的。三通管2L3放置在隔離閥和ORP設備之間。也連接到三通管的是壓力計量器214，其可以是簡單的計量器或者是能夠將壓力數據轉發至任何接收器的壓力傳感設備/組件。在典型安裝中，應在
22給水出口和ORP設備之間的部件上使用合適的絕緣，以減少熱量損耗並確保在ORP設備中維持穩定的溫度。隨後，取樣的給水流過ORP設備，任選地^L冷卻並降壓，或者可選擇地被返回到系統中或者作為廢物通過自由排放口 220排出。
在工業鍋爐應用(如，常規的蒸汽鍋爐或電站鍋爐)中，ORP設備(及其部件)通常設置在靠近給水線路樣品取出的位置(在工作溫度和壓力下)。在常規的蒸汽鍋爐情況下，其位置優選在主進給泵之後，但在節省器之前或除氣器之後。在發電的電站鍋爐中，樣品取出通常在除氣器之前。應當理解，ORP設備的位置可根據特定的應用和構型變化。通常應對電站給水進行徹底地檢查，以確定何處的ORP測量結果(即，"氧化還原應力")會為任何特定的應用提供最大的益處。
實施例
通過參考下面的實施例，可以更好地理解前述內容，此實施例期望用於闡釋的目的，且並不是要限制本發明的範圍。
圖9顯示了在模擬的工業鍋爐給水系統(@T ORPTM )中高溫和高壓ORP信號變化的多個實施例。Y軸顯示了用此處所描述的ORP設備所測量的ORP讀數。X軸顯示了對應於每一次讀數的溶解氧讀數。測試條件和可能導致ORP數目變化的一些變量在圖9的圖例中給出。在沿著從"A"到"B"的線段的移動過程中，逐漸增加的氧量通過機械除氣而被從系統中去除。然而，從點"B"到點"C",添加逐漸增加的還原劑(此實施例中的碳醯肼)的量，結果ORP值減小。在這種情況下，圖中的標示'T'對應於添加的0.06ppm (IX)的碳醯肼。點"5"和"10"是添加5X和10X的碳醯肼。正如所看到的，逐漸減少的溶解氧的量和添加的逐漸增加的氧淨化劑/還原劑的量對溫度和壓力下測得的ORP值具有顯著的影響。
應當理解，對此處所描述的目前優選的實施方案的各種變化和修改對本領域的技術人員來說是顯而易見的。可做出這種變化和修改而並不偏離本發明的主旨和範圍且不會削弱本發明預期的優勢。因此，期望這種變化和修改由所附權利要求覆蓋。
權利要求
1.一種設備，其用於在工作溫度和壓力下測量熱水系統中的氧化還原電勢(「ORP」)，且可操作來將所測得的ORP和所測得的溫度傳輸至控制器系統，所述所測得的ORP和所述所測得的溫度任選地電子傳輸至所述控制器系統，所述設備包括(a)流通池；(b)ORP探針，其與所述流通池相關聯；(c)溫度檢測器，其與所述流通池相關聯；以及(d)參比電極。
2. 如權利要求1所述的設備，其中，所述流通池包括至少一個流入端 口和至少一個流出埠 。
3. 如權利要求1所述的設備，其中，所述流通池包括多個流入埠和 /或多個流出埠 。
4. 如權利要求1所述的設備，其中，所述流通池包括一個或多個埠 。
5. 如權利要求4所述的設備，其中，所述埠中的至少一個包括至所 述溫度檢測器的連接件。
6. 如權利要求4所述的設備，其中所述埠中的至少一個包括至所述 參比電極的連接件。
7. 如權利要求4所述的設備，其中，所述溫度檢測器連接到與所述 ORP探針相同的埠或者連接到所述埠中的另 一個。
8. 如權利要求I所述的設備，其中，所述ORP探針和所述溫度檢測 器是一集成傳感器部件。
9. 如權利要求1所述的設備，其中，所述流通池包括第一埠和第二 埠 ，且其中包括所述ORP探針和所述溫度檢測器的集成傳感器連接到所 述第一埠 ，而所述參比電極連接到所述第二埠 。
10. 如權利要求l所述的設備，其中，所述ORP探針包括貴金屬。
11. 如權利要求IO所述的設備，其中，所述貴金屬是鉑。
12. 如權利要求l所述的設備，其中，所述溫度檢測器是熱變電阻傳感器。
13. 如權利要求l所述的設備，其包括多個溫度檢測器。
14. 如權利要求1所述的設備，其包括與所述控制器系統通信的多個 電連4妄件。
15. 如權利要求1所述的設備，其中，所述參比電極放置在包括電解 液的外部壓力平衡式參比電極組件中。
16. 如權利要求15所述的設備，其中，所述外部壓力平衡式參比電極 組件包括約0.001當量到約3.8當量的氯化鉀溶液。
17. 如權利要求15所述的設備，其中，所述外部壓力平衡式參比電極 組件包括銀/氯化銀半電池，所述銀/氯化銀半電池部分地放置在所述組件 內的電解液中。
18. —種方法，其通過使用如權利要求1所述的設備來防止熱水系統 中的腐蝕，所述方法包括(a )確定所述熱水系統的理想的氧化還原電勢("ORP")範圍；(b)在工作溫度和壓力下，測量所述熱水系統的實時ORP;(c )測量所述熱水系統的實時溫度；(d)將所述所測得的ORP和所述所測得的溫度轉發至控制器系統； (e )確定所述所測得的ORP是否落入理想的ORP範圍之內；(f) 任選地，調整通過流通池的流速；以及(g) 若所述所測得的ORP未落入所述理想的ORP範圍之內，那麼就 手動地和/或自動地向所述熱水系統的給水中添加有效量的氧或有效量的 一種或多種還原劑。
19. 一種設備，其用於在工作溫度和壓力下測量熱水系統中的氧化還原電勢("ORP")和溫度，所述設備包括(a) 具有多個埠的流通池，所述埠包括第 一埠 、第二埠 、流入埠禾口;危出埠 ；(b) 與所述第一埠相關聯的ORP探針和熱變電阻傳感器，傳感器至少部分地放置在所述流通池內，且每一種傳感器具有可操作來將信息轉發至控制器的至少一個電連接件；以及(c) 與所述第二埠相關聯的外部壓力平衡式參比電極組件，所述組 件包括位於部分地在所述流通池內的所述組件的第一端上的多孔玻璃料、 含有電解液並從所述組件的所述第一端延伸到所述組件的第二端的管，所 述組件的所述第二端連接到多接頭外殼，且具有銀/氯化銀半電池參比電 極，所述銀/氯化銀半電池參比電極部分地浸入在所述電解液中，且具有可 操作來將信息轉發至所述控制器的電連接件。
全文摘要
公開並要求保護一種用於在工作溫度和壓力下測量熱水系統中的氧化還原電勢的設備。該設備包括流通池、氧化還原電勢探針、溫度檢測器和外部壓力平衡式參比電極組件。該設備的每一個部件與其他部件一起工作，且每一個部件具有將信號傳輸至控制器的電連接件。控制器計算並確定對用於熱水系統的給水化學的調整。
文檔編號C23F11/08GK101595247SQ200880003298
公開日2009年12月2日 申請日期2008年1月29日 優先權日2007年1月29日
發明者M·亞歷山德拉·科諾斯, 彼得·D·希克斯 申請人:納爾科公司