熱電廠化學(xué)水加藥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

凌偉平，范 琳，黃凌云

(1.遼寧電力勘測設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽 110179;2.遼寧電力建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧 沈陽 110005)

撫順石油化工公司熱電廠9號鍋爐為460 t/h煤粉鍋爐，電廠加藥流程:人工采集水樣、化驗(yàn)室分析測定、人工調(diào)整溶液濃度、調(diào)整加藥泵行程。該加藥方式弊病很多，主要表現(xiàn)為人為干擾因素很大，溶液濃度的配置全憑感覺，濃度不均勻，對設(shè)備影響很大。特別是在水質(zhì)惡化或負(fù)荷變化的情況下，不能及時調(diào)整加藥量，必然出現(xiàn)短時間內(nèi)水汽質(zhì)量惡化，這種現(xiàn)象頻繁發(fā)生將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，造成水冷壁管腐蝕、穿孔乃至爆管、汽機(jī)積鹽、出力下降以至被迫停爐等。因此，針對熱電廠水汽采樣和化學(xué)加藥控制系統(tǒng)存在的問題從硬件控制結(jié)構(gòu)和控制算法兩方面提出了解決方案。

1 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)分為上、下位機(jī)兩部分。上位機(jī)采用工控機(jī)和組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控，對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行配置，編輯人機(jī)界面。友好的人機(jī)界面應(yīng)能實(shí)現(xiàn)以下功能:實(shí)時顯示現(xiàn)場信息、歷史數(shù)據(jù)庫查詢、定時打印和報警。計(jì)算機(jī)、組態(tài)軟件及工業(yè)以太網(wǎng)作為DCS子站的管理層。

下位機(jī)選用S7－400H熱備冗余系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)和電廠的DCS通信，用Profibus總線擴(kuò)展3個遠(yuǎn)方從站，控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和化學(xué)加藥。針對化學(xué)加藥系統(tǒng)大時滯的特點(diǎn)，將模糊自適應(yīng)PID控制應(yīng)用于化學(xué)加藥系統(tǒng)，代替手動加藥系統(tǒng)和傳統(tǒng)的PID控制，利用總線系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場控制，以以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控管理，采用先進(jìn)的模糊控制技術(shù)，由現(xiàn)場控制層、監(jiān)控層和企業(yè)管理層組成先進(jìn)完整的電廠水質(zhì)監(jiān)控管理系統(tǒng)。

2 加藥系統(tǒng)控制對象數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 加藥系統(tǒng)控制對象

2.1.1 控制對象的選擇

根據(jù)工藝要求需在熱工系統(tǒng)的幾個不同部位加注相關(guān)藥液，根據(jù)控制工藝的不同可分別采用手動加藥和自動加藥。

在熱電廠中，由于給水的原因，熱力系統(tǒng)腐蝕及結(jié)垢等問題日益突出。真正對鍋爐起腐蝕作用的是CO2和O2，因此，為保證熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行，必須除去水中的CO2和O2，防止熱力系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕所帶來的不良影響。

給水加氨的目的是為了提高凝結(jié)水或給水的pH值，pH值過低將引起金屬的酸性腐蝕，pH值過高將引起金屬的堿性腐蝕及銅合金材料的氧化腐蝕，直接影響機(jī)組的正常運(yùn)行。加聯(lián)氨的作用是用聯(lián)氨化學(xué)反應(yīng)除去給水的CO2和O2，防止熱力系統(tǒng)結(jié)垢。因此，以給水加氨為例，研究加藥控制方法。

2.1.2 控制對象特性

電廠化學(xué)加藥系統(tǒng)的控制對象具有大滯后、非線性、時變特性。導(dǎo)致滯后的原因很多，主要有采樣時間的滯后、分析處理時間的滯后，執(zhí)行加藥時間的滯后和反饋時間的滯后。

在加藥控制過程中系統(tǒng)模型參數(shù)是一個變數(shù)。如藥液濃度發(fā)生變化，對象特征也隨著變化。系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化，將引起給水流量的變化，使控制對象模型相應(yīng)改變。一次成功的加藥循環(huán)需要幾分鐘或十幾分鐘，可見存在嚴(yán)重滯后。

2.1.3 建立控制模型

根據(jù)電廠化學(xué)加藥的特點(diǎn)選用有自平衡能力的控制對象模型。選用測試法建模，首先選定模型結(jié)構(gòu)，然后確定傳遞函數(shù)參數(shù)。

a.選定模型結(jié)構(gòu)

對于自平衡現(xiàn)象，一般選以下3種形式:一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲、二階或n階慣性環(huán)節(jié)加純延遲、有理分式表示的傳遞函數(shù)。

b.確定傳遞函數(shù)參數(shù)確定傳遞函數(shù)參數(shù)的方法有作圖法和兩點(diǎn)法。本文采用兩點(diǎn)法確定傳遞函數(shù)的參數(shù)，根據(jù)對加藥過程特性分析，習(xí)慣上分別取y*(t)分別等于0.4和0.8，這樣就可以從曲線上確定其參數(shù)。

根據(jù)加氨的工藝要求和現(xiàn)場實(shí)際情況，對一次投入氨液到系統(tǒng)穩(wěn)定進(jìn)行測試，經(jīng)過多次測量結(jié)果對水汽中pH值的調(diào)節(jié)過程繪制出曲線。

2.2 控制算法的確定

電廠自動加藥一般采用傳統(tǒng)的PID控制，存在各參數(shù)的整定問題，因?yàn)橐淮握ǖ玫降腜ID參數(shù)很難保證其系統(tǒng)的控制效果始終處于最優(yōu)狀態(tài)，而且控制過程中各信號量及評價指標(biāo)不易定量表示。模糊理論是解決這一問題的有效途徑，把模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息，如評價指標(biāo)、初始pH值等作為知識存入計(jì)算機(jī)知識庫中，計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，即可自動實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。因此，采用以模糊PID參數(shù)自整定控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制加藥系統(tǒng)。

2.3 加藥模糊控制器的建立

隨著過程控制要求及自動控制技術(shù)的提高，大多數(shù)火電廠都要求對鍋爐給水加氨、加聯(lián)胺實(shí)現(xiàn)全自動控制。

撫順石油化工公司熱電廠9號鍋爐加藥系統(tǒng)改造要求給水及凝結(jié)水加氨實(shí)現(xiàn)全自動控制。圖1為鍋爐給水加藥熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖，圖中凝結(jié)水經(jīng)混床、n級凝結(jié)泵后在加藥泵出口處 (加藥點(diǎn))與氨水進(jìn)行充分混合，到達(dá)第一測量點(diǎn)。此凝結(jié)水經(jīng)低加到除氧器，除氧器出口再次加入氨水，到達(dá)第二測量點(diǎn)，此測量點(diǎn)處的凝結(jié)水再經(jīng)高加后，即可作為最終的鍋爐給水。

圖1 加藥系統(tǒng)工藝流程圖

給水加氨的控制最終目標(biāo)參數(shù)一般以省煤器入口pH值為對象，加氨部位是凝結(jié)水處理裝置的出水母管及除氧器下降管，目的是維持給水pH值在合適的范圍內(nèi)，防止系統(tǒng)腐蝕。如果直接以省煤器入口pH值作為控制參數(shù)，由于滯后原因，使系統(tǒng)很難達(dá)到理想的控制效果，因此，一般都以凝結(jié)水pH值或給水pH值作為控制參數(shù)。給水流量對加氨量有較大的影響，經(jīng)比例計(jì)算轉(zhuǎn)換為加藥的控制量［2］?？刂茀?shù)分別取自凝結(jié)水流量計(jì)輸出的4～20 mA信號和省煤器入口比導(dǎo)電能表輸出的信號。經(jīng)系統(tǒng)處理后將控制信號由PLC輸出控制信號來控制變頻器，驅(qū)動隔膜計(jì)量泵達(dá)到自動控制加氨的目的。

3 熱電廠化學(xué)加藥模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 自動加藥控制系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

配藥濃度:氨水溶液1%

啟動初期及凝結(jié)水處理系統(tǒng)不正常情況下給水pH值:9～9.6

正常運(yùn)行時下給水pH值:8.0～9.0

除氧器出口水含氧量 (啟動初期及凝結(jié)水處理系統(tǒng)不正常):≤7 μg/L

給水聯(lián)氨含量 (啟動初期及凝結(jié)水處理系統(tǒng)不正常):50 ～100 μg/L

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

給水自動加氨控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC控制器、變頻器、測量儀表、控制器、打印機(jī)等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動加藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有遠(yuǎn)程全自動程控操作、遠(yuǎn)方控制操作、就地盤柜硬操作三種控制方式，三種控制方式都可實(shí)現(xiàn)自動配藥自動調(diào)節(jié)加藥量，更好地控制給水品質(zhì)［1］。同時系統(tǒng)在上位機(jī)和PLC的CPU單元采用冗余結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)系統(tǒng)監(jiān)控的安全可靠性。

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)工程的實(shí)際情況和目前電廠化學(xué)加藥現(xiàn)狀，將參數(shù)自整定模糊PID運(yùn)用于化學(xué)加藥控制，依靠計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)控制。控制算法程序軟件在上位機(jī)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場傳感器將檢測來的參數(shù)送入PLC，PLC將數(shù)據(jù)傳送到上位監(jiān)控機(jī)中，經(jīng)過量化后進(jìn)行在線模糊推理，得出PID控制參數(shù)的增量，再與設(shè)定值合成，得到優(yōu)化的Kp、Ki、Kd值。經(jīng)模糊與參數(shù)計(jì)算，得出該時刻應(yīng)采用的PID控制參數(shù)。利用PID功能計(jì)算控制量，再將控制量傳送到PLC，最后得出控制的輸出量與下位機(jī)控制程序結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場加藥控制［4］。

自動加藥控制在PLC中實(shí)現(xiàn)，控制流程如圖3所示。

自動配藥程序在PLC中實(shí)現(xiàn)，其控制流程如圖4所示。

4 結(jié)束語

熱電廠加藥控制一般采用手動控制或傳統(tǒng)的PID自動控制，在短時間內(nèi)可能反映不出這些控制的弊端，但從電廠設(shè)備長期維護(hù)和延長設(shè)備使用壽命來看，更科學(xué)、更先進(jìn)的控制會得到更好的節(jié)能實(shí)效［5］。隨著電廠規(guī)模的擴(kuò)大，工藝水平要求的提高，先進(jìn)的控制方法的實(shí)施是發(fā)展方向，在目前眾多的先進(jìn)控制算法中，模糊PID控制更適合于加藥控制的特點(diǎn)，將模糊PID控制與電廠化學(xué)加藥系統(tǒng)相結(jié)合將增強(qiáng)加藥的控制效果。

［1］王永旭，劉志華，張鳳龍.導(dǎo)致爐水加藥系統(tǒng)堵塞的原因［J］.東北電力技術(shù)，1999，25(5):32－33.

［2］周 洪，劉勝榮，方彥軍.交流變頻自動加藥調(diào)節(jié)系統(tǒng)方案 ［J］.東北電力技術(shù)，1999，25(9):45－47.

［3］郭寶臣;孫效偉.PLC可編程序控制器在機(jī)組控制中的應(yīng)用 ［J］.東北電力技術(shù)，2011，32(6):32－36.

［4］薛鳳蓮.自動加氨技術(shù)的研究與合理應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù)，2004，25(8):26－29.

［5］周玉國.變頻調(diào)速節(jié)能分析 ［J］.東北電力技術(shù)，2004，25(8):26－29.