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。
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)。
2.1.1 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。
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)。
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。
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
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。
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。
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。
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