“無人值守”化學(xué)水處理系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

賀 超，尹立新，傅遠(yuǎn)雄，安子健

（北京京能未來燃?xì)鉄犭娪邢薰?，北?02207）

發(fā)電機(jī)組中的水作為熱能動力的工質(zhì)，類似人體中血液，起著能量傳遞的作用。水汽循環(huán)系統(tǒng)中對作為熱力系統(tǒng)工作介質(zhì)及冷卻介質(zhì)的水有嚴(yán)格的水質(zhì)要求，如高壓鍋爐給水不僅要求硬度低、溶氧量極微、固體含量和有機(jī)物含量也極微小。據(jù)近年來的統(tǒng)計(jì)，我國大型火電廠因鍋爐省煤器、水冷壁、過熱器、再熱器管道（簡稱“四管”）爆破引起的停機(jī)事故，占鍋爐設(shè)備非計(jì)劃停用時(shí)間的70%，其中化學(xué)因素占有一定的比重，所以沒有達(dá)到給水標(biāo)準(zhǔn)的水將會使發(fā)電廠設(shè)備無法安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需要嚴(yán)格控制用水水質(zhì)。隨著電廠機(jī)組容量增大，自動化水平提高，運(yùn)行人員減少，化學(xué)水質(zhì)監(jiān)測儀表的測量水平逐步提高，化學(xué)制水系統(tǒng)在現(xiàn)代電廠中顯得越來越重要。

“無人值守”化學(xué)水處理系統(tǒng)的目的是在人員有限的情況下，盡可能提高系統(tǒng)自動化水平，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行工況自動投運(yùn)，自動調(diào)節(jié)加藥量，制出合格的除鹽水，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，以期達(dá)到逐步實(shí)現(xiàn)化學(xué)制水系統(tǒng)無人值守的目的。

1 “無人值守”化學(xué)水處理系統(tǒng)技術(shù)原理

1.1 制水系統(tǒng)組成及工藝流程

北京京能未來燃?xì)鉄犭姀SE級一拖一燃?xì)鈾C(jī)組的制水系統(tǒng)，由蓄水水池系統(tǒng)、PCF纖維過濾器系統(tǒng)、超濾系統(tǒng)、一級反滲透系統(tǒng)、二級反滲透系統(tǒng)、電除鹽系統(tǒng)組成。

本工程的鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)主要工藝流程如下：進(jìn)廠后的城市再生水→主廠房生水加熱器→原水箱→原水泵→PCF纖維過濾器→超濾→清水箱→清水泵→一級反滲透→除碳器→一級淡水箱→一級淡水泵→二級反滲透→二級淡水箱→二級淡水泵→EDI給水泵→EDI→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房。

二級反滲透濃水回收至清水箱。

為了監(jiān)測水質(zhì)和控制運(yùn)行，系統(tǒng)中安裝有在線儀表和控制設(shè)備，如壓力變送器、溫度測量元件、流量表變送器、濁度表、導(dǎo)電率表、余氯表、p H表、硅表等就地和遠(yuǎn)傳設(shè)備，以滿足化學(xué)制水系統(tǒng)全自動無人職守運(yùn)行方式，由控制室操作員對水處理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和運(yùn)行操作。

控制系統(tǒng)采用了德國西門子公司的T3000控制系統(tǒng)，就地所有遠(yuǎn)傳儀表數(shù)據(jù)都被采集進(jìn)入該系統(tǒng)、所有設(shè)備都由該系統(tǒng)控制運(yùn)行?；瘜W(xué)制水控制系統(tǒng)可以分成EDI子程控系統(tǒng)、一級反滲透子程控系統(tǒng)、二級反滲透子程控系統(tǒng)、預(yù)處理子程控系統(tǒng)。

各個(gè)子系統(tǒng)可以單獨(dú)運(yùn)行制水，并采用了PID控制器改變加藥泵的頻率對加藥量進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率改變系統(tǒng)出力。

1.2 EDI子程控子系統(tǒng)

EDI子系統(tǒng)包括1～2號除鹽水箱、1～2號EDI裝置、1～2號除鹽水泵、1～3號給水泵、二級淡水箱、電導(dǎo)率表、硅表等設(shè)備。其中每次EDI系統(tǒng)啟動1～2號EDI裝置會按順序啟動，共同制水，當(dāng)有一套出現(xiàn)問題時(shí)退出自動，單獨(dú)運(yùn)行一套。1～2號除鹽水箱液位高度為0～6.7 m，兩個(gè)水箱聯(lián)通，當(dāng)有一個(gè)水箱檢修時(shí)，可以手動退出邏輯關(guān)聯(lián)。1～3號給水泵為工頻運(yùn)行，正常啟動時(shí)一臺備用，兩臺運(yùn)行。

程序增加設(shè)計(jì)了根據(jù)液位自動啟停制水的控制程序：當(dāng)除鹽水箱液位低于5 m、淡水箱液位大于1.5 m時(shí)，EDI系統(tǒng)啟動，1號EDI給水泵首先啟動，如果EDI出口母管電導(dǎo)率不大于0.4μs／cm則啟動1號EDI裝置，啟動完成后，順序投入2號EDI裝置。如果除鹽水箱液位大于6.7 m、二級淡水箱液位小于1.3 m時(shí)，EDI裝置退出運(yùn)行。

1.3 二級反滲透子程控

二級反滲透系統(tǒng)包括1～2號中間水箱、1～2號高壓給水泵、1～2號二級RO系裝置、淡水箱、加堿系統(tǒng)。

該系統(tǒng)也采用了以液位為控制參數(shù)的控制程序，當(dāng)?shù)湟何坏陀?.6 m、中間水箱液位大于1.2 m時(shí)，二級反滲透系統(tǒng)啟動。由于該系統(tǒng)需要加堿以調(diào)節(jié)系統(tǒng)入口的PH，二級反滲透系統(tǒng)有加藥泵2臺，每套二級RO系統(tǒng)配一臺加藥泵，為變頻控制，控制中應(yīng)用了T3000系統(tǒng)的CCTRL邏輯控制塊，該邏輯塊帶有PID調(diào)節(jié)兼人機(jī)接口功能，如圖1。

圖1 PID控制邏輯

當(dāng)系統(tǒng)給水PH與設(shè)定值比較偏小時(shí)增加變頻器頻率，當(dāng)系統(tǒng)給水PH與設(shè)定值比較偏大時(shí)減小變頻器頻率輸出，運(yùn)行人員可以手動設(shè)置系統(tǒng)PH設(shè)定值。

當(dāng)給水泵啟動后，順序啟動1號二級RO系統(tǒng)，并啟動1臺加藥泵，當(dāng)1號二級反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水電導(dǎo)小于0.03μs／cm后，關(guān)閉產(chǎn)水超標(biāo)排放閥，并投入2號二級RO系統(tǒng)。

高壓給水泵為變頻控制，控制參數(shù)選取二級RO系統(tǒng)一段壓力，運(yùn)行人員可以給定該壓力值，經(jīng)過PID運(yùn)算改變變頻器的頻率，改變系統(tǒng)出力，并保證系統(tǒng)壓力工作在安全范圍內(nèi)，防止系統(tǒng)壓力過大造成管道破裂。

當(dāng)二級淡水箱液位高于2.7 m或者中間水箱液位低于1.2 m時(shí)停止制水，按照停止制水程控依次停止各設(shè)備，退出制水。

1.4 一級反滲透子程控

一級反滲透系統(tǒng)包括1～2號中間水箱、1～4號高壓給水泵、1～3號一級RO系裝置、1～2號超濾水箱、加酸裝置、加還原劑裝置。

該系統(tǒng)也采用了以液位為控制參數(shù)的控制程序，當(dāng)中間水箱液位低于1.3 m、超濾水箱液位大于1.5 m時(shí)一級反滲透系統(tǒng)自動開始制水。二級反滲透裝置共有3套，分成兩組輪流制水，1號一級反滲透裝置、2號一級反滲透裝置為一組，3號一級反滲透裝置為另外一組，兩組裝置輪流運(yùn)行。但是西門子T3000系統(tǒng)中沒有合適的邏輯功能塊，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需要自主設(shè)計(jì)D觸發(fā)器，應(yīng)用D觸發(fā)器的分頻功能達(dá)到兩套裝置輪流運(yùn)行的目的。D觸發(fā)器結(jié)構(gòu)原理圖如圖2。

加藥系統(tǒng)在給水泵啟動的同時(shí)啟動，通過加酸、加還原劑調(diào)節(jié)一級反滲透裝置的ORP、電導(dǎo)率、余氯值。加酸計(jì)量泵、阻垢劑計(jì)量泵、還原劑計(jì)量泵各5臺，系統(tǒng)根據(jù)ORP儀表、電導(dǎo)率儀表、余氯表的在線測量值調(diào)節(jié)投入計(jì)量泵的數(shù)量及頻率。并根據(jù)儀表的數(shù)值調(diào)節(jié)計(jì)量泵的頻率將電導(dǎo)率值、溶解氧值、氯值控制在合理的范圍內(nèi)。

圖2 D觸發(fā)器原理圖

1.5 預(yù)處理子程控

預(yù)處理系統(tǒng)包括1～2號超濾水箱、1～2號超濾裝置、1～2號PCF裝置、1～3號原水泵、1～2號原水箱、次氯酸鈉計(jì)量泵2臺、酸計(jì)量泵2臺，堿計(jì)量泵2臺。

該系統(tǒng)采用了以超濾水箱、原水箱液位為控制參數(shù)的控制程序，當(dāng)超濾水箱的液位低于2 m、原水箱液位大于1.5 m時(shí)，系統(tǒng)自動開始制水。1～2號原水泵、1～2號PCF裝置輪流投入運(yùn)行，同樣采用了D觸發(fā)器來選擇需要運(yùn)行的原水泵及PCF裝置，系統(tǒng)根據(jù)原水泵出口母管的壓力設(shè)定值來自動調(diào)節(jié)原水泵的頻率。設(shè)定值為1.35 MPa，當(dāng)原水泵出口母管的壓力小于設(shè)定值時(shí)，增加原水泵變頻器頻率；當(dāng)原水泵出口母管的壓力大于設(shè)定值時(shí)，減小原水泵變頻器頻率。

1～2號超濾裝置依次投入，當(dāng)產(chǎn)水濁度小于0.06 NTU時(shí)，關(guān)閉超濾反洗超標(biāo)氣動閥，開始向超濾水箱制水，當(dāng)水箱水位達(dá)到設(shè)定值后系統(tǒng)停止制水。

1.6 水箱水位測量系統(tǒng)濾波技術(shù)

北京某燃?xì)鉄犭姀S化學(xué)制水系統(tǒng)共有水箱10個(gè)，水位測量裝置采用了超聲波物位計(jì)。超聲波物位計(jì)是通過測量超聲波的反射聲波來測量水位，由于水箱采用的是上進(jìn)水方式，容易對反射聲波造成干擾，致使水位不穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3 水位波動曲線

由圖3可知，當(dāng)系統(tǒng)開始向水箱中制水時(shí)，水位開始波動，當(dāng)停止向水箱中制水時(shí)水位波動現(xiàn)象停止。水位的波動會使液位測量超過水位設(shè)定閥值，產(chǎn)生誤動，對系統(tǒng)自動的投運(yùn)和停止造成了不利。為解決水位波動對系統(tǒng)自動運(yùn)行的影響，根據(jù)水位波動曲線波動頻率高、時(shí)間短的特點(diǎn)，特設(shè)計(jì)了如圖4濾波程序。

圖4 濾波程序

由于物位計(jì)的測量信號波動大，首先測量信號經(jīng)過SPC模塊，SPC模塊可以設(shè)置輸出值的提升速率和下降速率，如果輸入信號突然增大，SPC輸出信號和原始信號做比較。如果偏差小于0.04 m則輸出值等于原始信號；如果偏差大于0.04 m則輸出值等于SPC輸出值。此濾波程序改善了液位測量信號，使信號平穩(wěn)，如圖5所示。

圖5 濾波后液位曲線

2 結(jié) 論

在該技術(shù)研究設(shè)計(jì)過程中，配合系統(tǒng)的運(yùn)行特性及設(shè)備特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動投運(yùn)、自動退出，子系統(tǒng)中多個(gè)設(shè)備輪流運(yùn)行，根據(jù)水質(zhì)參數(shù)自動調(diào)節(jié)加藥量的目標(biāo)。系統(tǒng)中D觸發(fā)器的設(shè)計(jì)應(yīng)用為系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行提供了很大便利。

針對超聲波測量液位波動大的問題，設(shè)計(jì)超聲波物位計(jì)濾波程序，使液位測量信號平滑，滿足了系統(tǒng)自動運(yùn)行的要求。

該系統(tǒng)投運(yùn)后，取得了很好的應(yīng)用效果，電廠精簡了制水系統(tǒng)運(yùn)行人員，只需要配置必要的巡檢及化驗(yàn)人員，基本達(dá)到了“無人值守”的目的，大大節(jié)省人力成本，提高了設(shè)備資源利用率，具有很好的示范意義，是“智能電廠”的重要組成部分。

3 節(jié)能減排及經(jīng)濟(jì)效益

該技術(shù)投運(yùn)后，化學(xué)制水系統(tǒng)可以自動運(yùn)行，大大節(jié)省了人力，精簡了運(yùn)行人員。按照精簡6個(gè)人，每個(gè)人按照10萬元／年計(jì)算，可以為電廠每年節(jié)省費(fèi)用60萬元，充分利用了西門子DCS控制系統(tǒng)的設(shè)備資源。本技術(shù)成果成功應(yīng)用于電廠的化學(xué)制水系統(tǒng)，驗(yàn)證了本項(xiàng)技術(shù)的可行與合理，提高了經(jīng)濟(jì)效益、控制系統(tǒng)利用率，為今后電廠項(xiàng)目的建設(shè)提供了參考和借鑒。

［1］馬 陽.火電廠化學(xué)水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［D］.沈陽：東北大學(xué)，2008.

［2］胡壽松.自動控制原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［3］馬書磊.水處理智能控制系統(tǒng)［D］.鄭州：鄭州大學(xué)，2003.

［4］西門子電氣公司.西門子SPPA-T3000用戶手冊［Z］，2010.