淺談在線儀表在火力發(fā)電廠鍋爐水處理中的應(yīng)用

季海燕 劉冬冬

（1、大慶油田熱電廠化學(xué)分廠，黑龍江 大慶 163314；2、宏偉熱電廠，黑龍江 大慶 163314）

引言

當(dāng)今隨著電子技術(shù)的發(fā)展和以計算機(jī)為代表的控制技術(shù)的突飛猛進(jìn)，水質(zhì)在線監(jiān)測儀表、變頻器技術(shù)和plc的應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各方面。水質(zhì)在線儀表是生產(chǎn)現(xiàn)場最直接的檢測設(shè)備，被稱為自動化的“眼睛”，其準(zhǔn)確性直接影響到自動化控制的精度。變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，以其明顯節(jié)能效果、高可靠性、較高功率因數(shù)及效率等諸多優(yōu)點，越來越被人們所重視?？删幊绦蜻壿嬁刂破?plc)，是近年來發(fā)展起來的并得到廣泛應(yīng)用的新一代工業(yè)自動化控制裝置，它已成為解決自動控制問題的最有效工具之一，它編程簡單并且穩(wěn)定可靠，plc可以用于各種工業(yè)過程的閉環(huán)控制。當(dāng)前自動加藥系統(tǒng)已廣泛采用plc自動控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)。

1 我廠投入爐內(nèi)協(xié)調(diào)磷酸鹽自動加藥系統(tǒng)的原因及控制目標(biāo)

引入原因：由于鍋爐在運行中，因凝汽器的滲泄漏和爐水大量蒸發(fā)而引起的爐水鹽分極度濃縮，會造成爐管積鹽、結(jié)垢。以前我廠投入的一套手動加藥系統(tǒng)每天人員分幾班倒，人工取樣實驗室分析爐水的ph值和磷酸根值，靠人為經(jīng)驗配藥后開啟手動加藥泵加藥。因取樣不及時、實驗室儀表不準(zhǔn)確、人的素質(zhì)參差不齊等因素造成了系統(tǒng)加藥不理想，該加的時候不加，不加的時候又大量加，這樣不僅浪費了大量的人力物力，最關(guān)健的是造成了鍋爐設(shè)備腐蝕程度嚴(yán)重加劇。因而我廠經(jīng)過考查研究引入了這套自動協(xié)調(diào)磷酸鹽加藥系統(tǒng)，該方法要求嚴(yán)格控制ph值和磷酸根值，從而實現(xiàn)r值(鈉離子的量濃度與磷酸根爐離子的量濃度比)的嚴(yán)格控制以保證協(xié)調(diào)磷酸鹽處理的水質(zhì)工況。協(xié)調(diào)磷酸鹽自動加藥系統(tǒng)常采用開關(guān)量控制二鈉和三鈉的選擇，當(dāng)磷酸鹽超過給定值時停泵；當(dāng)磷酸鹽低于給定值時啟動泵。

控制目標(biāo)：自動連續(xù)分析爐水磷酸根和ph值，輸出信號送上位機(jī)系統(tǒng)和plc系統(tǒng)，加藥量，根據(jù)水質(zhì)、水量的變化，實現(xiàn)實時自動調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳處理效果。當(dāng)某泵故障時，備用泵自動投入使用，調(diào)節(jié)池液位實施連鎖，低液位自動停泵并報警。根據(jù)工藝參數(shù)要求自動開啟二鈉和三鈉藥箱電磁閥加相應(yīng)的藥，低液位時開啟補(bǔ)水閥補(bǔ)除鹽水。實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、匯總、打印，上位機(jī)出現(xiàn)故障時，plc可脫離上位機(jī)獨立運行。

2 控制原理

自動加磷裝置通過對爐水自動協(xié)調(diào)磷酸鹽處理，控制ph值 (9-10ph)和磷酸根值(315mg/1)，從而實現(xiàn)r值(鈉離子的量濃度與磷酸根離子的量濃度之比)的嚴(yán)格控制，以防止機(jī)組運行時雜質(zhì)進(jìn)人鍋爐而引起積鹽結(jié)垢。其控制原理為：通過汽水取樣盤的在線磷表和ph表監(jiān)測爐內(nèi)磷酸根含量和ph值并輸出4-20ma標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)入plc，整個plc控制系統(tǒng)按用戶要求實現(xiàn)pid調(diào)節(jié)功能通過一系列算法處理 (pid)再經(jīng)過功能模塊輸出4-20ma信號進(jìn)電控柜內(nèi)變頻器，相應(yīng)控制計量泵的轉(zhuǎn)速，以便自動調(diào)節(jié)計量泵的輸出流量，調(diào)節(jié)流量范圍為0100%。在plc中配有ad和da模塊，來自磷表和ph表的420ma信號經(jīng)plc進(jìn)行pid運算后輸出至變頻器控制計量泵調(diào)節(jié)加藥量。啟動備計量泵時，plc先輸出接點信號(開關(guān)量)到交流接觸器，接通變頻器電源，然后再正常啟動泵。

此系統(tǒng)最關(guān)鍵的設(shè)備是自動化在線分析儀磷表和ph表，它是保證整個閉環(huán)控制系統(tǒng)可靠運行的信號來源。在線儀表的測量值作為反饋，系統(tǒng)中采用pid算法，各系統(tǒng)plc與中控室計算機(jī)通訊。pid算法如下：

u：調(diào)節(jié)器的輸出信號；e(t)：調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值和給定值的之差；kp：調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；t1：調(diào)節(jié)器的積分時間；td：調(diào)節(jié)器的微分時間；u0：輸出補(bǔ)償。

3 控制系統(tǒng)的組成

所有測量數(shù)據(jù)如水位、液位、藥位在中央控制室集中顯示。磷酸鹽協(xié)調(diào)處理控制系統(tǒng)由ph表、磷酸根表；三菱plc控制器；西門子：6se6440-2ud21變頻器以及電磁閥、加藥泵和電機(jī)等組成。plc控制器根據(jù)ph值和磷酸根值計算出r值，由r值確定加藥的品種，去控制磁閥的開啟和關(guān)閉；磷酸根值作為系統(tǒng)的給定值。

4 控制算法

在協(xié)調(diào)磷酸鹽控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)存在很大的時延，并且有兩個反饋信號(鍋水ph值和磷酸根值)，控制參數(shù)也有兩個，即系統(tǒng)為兩輸入、兩輸出系統(tǒng)。由于對象的數(shù)學(xué)模型是變化的，因此用經(jīng)典的方法設(shè)計控制器十分困難。為了簡化系統(tǒng)硬件組成和控制算法，我們采用專家系統(tǒng)的方法對被控對象實施控制。專家控制器的控制算法可以用如下的語言模型來描述。

4.1 加藥品種選擇算法

當(dāng)鍋水r值大于某確定值(給定值)時，說明三鈉過量，應(yīng)補(bǔ)充二鈉；反之，應(yīng)補(bǔ)充三鈉。由于鍋爐純滯后時間過長，因而必須設(shè)定一個死區(qū)，否則會引起r值的振蕩，甚至?xí)^允許范圍。其算法如下：

其中，Rnom為R的給定值，為死區(qū)的寬度，SNa2、SNa3為二鈉和三鈉的控制開關(guān)值，等于1時接通，等于0時斷開。

4.2 加藥泵轉(zhuǎn)速控制算法

加藥泵轉(zhuǎn)速控制的目的是保證磷酸根的濃度在允許的范圍之內(nèi)。由于系統(tǒng)的滯后時間很長，所以在控制算法中必須考慮磷酸根濃度值的大小和控制器輸出之間的關(guān)系，可以用下列算法加以描述：

其中，Cmon（po4343）為磷酸根實測值、Cmon（po43）為磷酸根給定值。濃度的測定值和給定值，e為實測值和給定值之差，u為專家控制器的輸出值，Vp和Vs為根據(jù)鍋爐特性確定的常數(shù)，Kp和Ki為系數(shù)。

結(jié)束語

本文介紹了水質(zhì)在線分析儀、plc和變頻器組成閉環(huán)自動控制加藥系統(tǒng)在電廠爐內(nèi)協(xié)調(diào)磷酸鹽處理中的應(yīng)用。由于采用了水質(zhì)在線分析儀、plc可編程控制器、專家控制算法和變頻調(diào)速技術(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，解決了傳統(tǒng)的手動控制或常規(guī)的自動加藥控制系統(tǒng)存在的問題，建議在工業(yè)自動化現(xiàn)場大量推廣。

[1]肖作善，熱力設(shè)備水汽理化過程[m].北京：水利電力出版社，1987

[2]俞云奎，羅耀華.可編程序調(diào)節(jié)器、控制器原理與應(yīng)用[m].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1997