鍋爐給水自動(dòng)加氨系統(tǒng)改造與應(yīng)用研究

陳雷，高小春，張建杰，劉濤，孟立軍

（國能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 江門 529228）

隨著我國電力行業(yè)的發(fā)展，高容量機(jī)組越來越多，對(duì)機(jī)組給水品質(zhì)的要求也就越來越高。鍋爐給水加氨技術(shù)是電廠保證汽水品質(zhì)的重要手段之一。自動(dòng)加氨系統(tǒng)包括自動(dòng)配氨和控制加氨自動(dòng)化兩部分：配氨裝置引入脫硝氨氣和除鹽水自動(dòng)配比成期望濃度的氨水；加氨選用單點(diǎn)加氨，泵選用凝結(jié)水加氨泵，對(duì)除氧器入口的電導(dǎo)率進(jìn)行控制，根據(jù)電導(dǎo)率和pH 之間的換算公式pH=8.57+lgSC，同時(shí)引入凝結(jié)水流量信號(hào)，即可保證在負(fù)荷變化時(shí)，給水pH 依舊穩(wěn)定。從根源上降低了化學(xué)原因?qū)е碌脑O(shè)備事故，保證了機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

1 給水pH 波動(dòng)的原因

鍋爐給水pH 保持在9.0 ～9.3 時(shí)能夠有效降低水系統(tǒng)的金屬腐蝕，但是目前的人工加氨配比的氨水濃度不一致、加氨后省煤器入口pH 具有較大的滯后性，且機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，人工干預(yù)后的不確定性會(huì)造成給水pH經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)。

1.1 氨水濃度波動(dòng)

由于目前氨水的來源是采購的外來濃氨水，在使用過程中，運(yùn)行人員將濃氨水倒入氨溶液箱中，之后引入除鹽水稀釋。整個(gè)過程人工操作，濃氨水氣味刺鼻，且每批次采購的濃氨水濃度不一致，致使運(yùn)行人員無法保證氨水溶液箱中氨水的濃度，氨水濃度的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致加氨后的給水pH 的波動(dòng)。

1.2 省煤器入口pH 采樣的滯后性

自動(dòng)加氨系統(tǒng)的加氨點(diǎn)取在精處理出口，從該加氨點(diǎn)至省煤器入口采樣點(diǎn)距離較長，且中間有除氧器的存在，導(dǎo)致氨水加入后到省煤器入口采樣時(shí)，時(shí)間較長，難以控制。同時(shí)，pH 在線表受溶液電阻的影響，自身滯后性大，易產(chǎn)生偏差，不適合作為直接性的控制目標(biāo)，而除氧器入口電導(dǎo)率在線表采樣反應(yīng)快，準(zhǔn)確度高，且滯后性小，適合作為加氨系統(tǒng)的。

1.3 機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)

機(jī)組根據(jù)電網(wǎng)的需求進(jìn)行負(fù)荷的改變，負(fù)荷改變后，凝結(jié)水流量也就發(fā)生了變化，如果此時(shí)不改變加氨量，或者過快的改變加氨量，由于機(jī)組給水系統(tǒng)自身的滯后性，同樣會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組給水pH 發(fā)生波動(dòng)。

以上3 點(diǎn)是給水pH 發(fā)生波動(dòng)的原因。當(dāng)鍋爐給水pH 忽高忽低，長時(shí)間給水pH 不達(dá)標(biāo)，使得水汽品質(zhì)降低，可能會(huì)造成熱力系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕、結(jié)垢甚至爆管故障。

2 自動(dòng)加氨系統(tǒng)

自動(dòng)加氨系統(tǒng)如圖1 所示，其中包括氨水溶液箱、加氨泵和除氧器入口汽水采樣。通過自動(dòng)配氨裝置保證了氨水溶液箱內(nèi)部氨水濃度的穩(wěn)定性；采集除氧器入口電導(dǎo)率信號(hào)，使用前饋補(bǔ)償PID 運(yùn)算邏輯，計(jì)算出此時(shí)機(jī)組所需的加氨量后，對(duì)加氨泵進(jìn)行控制，在凝結(jié)水加氨點(diǎn)進(jìn)行加氨，最終實(shí)現(xiàn)除氧器入口電導(dǎo)率穩(wěn)定。控制系統(tǒng)的采樣點(diǎn)選擇在除氧器入口，這樣既可以保證給水的pH 值，也可以降低系統(tǒng)的滯后性。

圖1 鍋爐加氨系統(tǒng)

2.1 自動(dòng)配氨裝置

自動(dòng)配氨裝置作為自動(dòng)加氨系統(tǒng)的一部分，具有重要的作用。自動(dòng)加氨裝置將脫銷使用的氨氣和加氨間室內(nèi)的除鹽水引入裝置接口，通過西門子PLC 控制器對(duì)閥門進(jìn)行控制，完成配比，得到所需濃度的氨水。其內(nèi)部包括電導(dǎo)率表、液位計(jì)、西門子PLC 控制器、觸摸顯示屏、截止閥、逆止閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。氨水箱內(nèi)部安裝電導(dǎo)率在線采樣表和液位計(jì)，氨氣電調(diào)閥的控制氨水的電導(dǎo)率，除鹽水電調(diào)閥控制氨水箱的液位，保證了氨水箱內(nèi)部的氨水濃度穩(wěn)定。自動(dòng)配氨裝置內(nèi)部如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)配氨裝置

2.2 加氨自動(dòng)化設(shè)計(jì)

自動(dòng)配氨裝置保證了加氨系統(tǒng)原料氨水濃度的穩(wěn)定性。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)，由于沒有自動(dòng)控制的保護(hù)，加氨系統(tǒng)自身的滯后性和人工過度的干預(yù)，導(dǎo)致加氨量的不穩(wěn)定，使得給水pH 發(fā)生波動(dòng)。本次自動(dòng)加氨系統(tǒng)使用凝結(jié)水單點(diǎn)加氨，控制目標(biāo)為除氧器入口電導(dǎo)率，電導(dǎo)率目標(biāo)反應(yīng)快且準(zhǔn)確，同時(shí)與該點(diǎn)的pH 具有pH=8.57+lgSC 關(guān)系，這樣可以降低加氨系統(tǒng)由于采樣儀表帶來的滯后性。

自動(dòng)加氨系統(tǒng)的邏輯控制增加在輔控DCS 上，引入凝結(jié)水流量和除氧器入口電導(dǎo)率信號(hào)，同時(shí)保證輔控DCS 對(duì)該加氨泵的可控性。

自動(dòng)加氨控制采用前饋補(bǔ)償PID 調(diào)節(jié)，如圖3 所示，前饋補(bǔ)償PID 控制包括兩部分，一部分是PID 輸出，另一部分是由前饋參數(shù)組成。PID 部分是控制系統(tǒng)準(zhǔn)確度的保證，主要是根據(jù)設(shè)定值與采樣值之間的偏差量，修改運(yùn)算輸出數(shù)據(jù)，從而達(dá)到采樣值與設(shè)定值一致；前饋部分是控制系統(tǒng)快速性的保證，主要是根據(jù)凝結(jié)水流量的變化，快速地改變控制系統(tǒng)的運(yùn)算量，從而減小控制系統(tǒng)在外部干擾下，達(dá)到設(shè)定值的快速性。結(jié)合自動(dòng)加氨控制特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了前饋補(bǔ)償PID 控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集凝結(jié)水流量，根據(jù)凝結(jié)水流量進(jìn)行加氨量前饋比例調(diào)節(jié)，同時(shí)采集除氧器入口電導(dǎo)率值，進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，兩者疊加后，實(shí)現(xiàn)前饋補(bǔ)償PID 控制，改變加氨泵的頻率，保證除氧器入口電導(dǎo)率的穩(wěn)定，即實(shí)現(xiàn)給水pH 平穩(wěn)控制。

3 設(shè)備的應(yīng)用案例

本次自動(dòng)加氨系統(tǒng)改造應(yīng)用在國家能源某電廠660MW 調(diào)峰機(jī)組，該機(jī)組在未改造前采用人工配氨水，將采購回來的濃氨水倒入氨溶液箱中，加氨泵的頻率是運(yùn)行人員在輔控的操作員站進(jìn)行手動(dòng)更改頻率，每次負(fù)荷變化時(shí)，運(yùn)行人員根據(jù)此時(shí)的給水pH 值手動(dòng)增加和降低加氨泵的頻率。運(yùn)行人員既要配氨水，又要修改加藥泵的頻率，工作量較大。由此，我方提出的全自動(dòng)加氨系統(tǒng)改造，應(yīng)用于該電廠。

自動(dòng)加氨系統(tǒng)的配氨部分從鍋爐脫硝的氨氣母管上引來氨氣至加藥間自動(dòng)配氨設(shè)備處，在加藥間引一路除鹽水至自動(dòng)配氨設(shè)備處，按照設(shè)備要求改造氨水溶液箱，引入氨溶液箱的電導(dǎo)率和液位信號(hào)至自動(dòng)配氨設(shè)備的西門子PLC 控制器。對(duì)焊接的管路進(jìn)行打壓測試，正常后確認(rèn)氨氣母管壓力為0.4MPa，除鹽水壓力為0.3MPa，滿足自動(dòng)配氨裝置的系統(tǒng)要求，在自動(dòng)配氨裝置的觸摸屏上設(shè)置電導(dǎo)率為1100μS/cm，液位設(shè)定在75cm，投入自動(dòng)后，氨水溶液箱能夠保證氨水濃度和液位在設(shè)定值范圍內(nèi)。

確認(rèn)氨水溶液箱濃度液位穩(wěn)定后，將凝結(jié)水流量和除氧器入口電導(dǎo)率信號(hào)引入輔控DCS 控制器中，將前饋補(bǔ)償PID 算法塊按照以下邏輯說明搭建，邏輯說明是采樣值為除氧器入口電導(dǎo)率信號(hào)，前饋量是凝結(jié)水流量信號(hào)，控制量為加氨泵變頻器信號(hào)。修改組態(tài)畫面，操作小彈窗，如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)加氨系統(tǒng)加氨泵控制彈窗

手動(dòng)控制加氨泵啟動(dòng)，運(yùn)行至除氧器入口電導(dǎo)率穩(wěn)定。此時(shí)投運(yùn)自動(dòng)運(yùn)行，調(diào)整PID 參數(shù)，保證除氧器入口電導(dǎo)率能夠達(dá)到設(shè)定值；調(diào)整凝結(jié)水流量參數(shù)，保證在負(fù)荷波動(dòng)過程中，減小除氧器入口電導(dǎo)率在設(shè)定值上下的波動(dòng)。運(yùn)行效果如圖5 所示。

圖5 自動(dòng)加氨系統(tǒng)控制效果圖

根據(jù)表1 所示，當(dāng)除氧器入口電導(dǎo)率設(shè)定值為6.5μS/cm 時(shí)，可以得到全自動(dòng)加氨系統(tǒng)對(duì)除氧器入口電導(dǎo)率的控制可以保證在6.5±0.5μS/cm 以內(nèi)，省煤器入口pH 保證在9.2±0.05 以內(nèi)。

表1 除氧器入口電導(dǎo)率和省煤器入口pH 數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

自動(dòng)加氨系統(tǒng)在國家能源某電廠的應(yīng)用，通過自動(dòng)配氨裝置得到了氨水濃度的穩(wěn)定性，編寫自動(dòng)加氨控制邏輯，控制除氧器入口電導(dǎo)率在6.5±0.5μS/cm,省煤器入口pH 在9.2±0.05 以內(nèi)。不僅降低了運(yùn)行人員的工作量，而且大幅提高了加氨系統(tǒng)的精確度，從而提高了給水品質(zhì)，減緩了熱力系統(tǒng)腐蝕。