熱電廠化學水加藥控制系統的設計

凌偉平，范 琳，黃凌云

(1.遼寧電力勘測設計院，遼寧 沈陽 110179;2.遼寧電力建設監理有限公司，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、化驗室分析測定、人工調整溶液濃度、調整加藥泵行程。該加藥方式弊病很多，主要表現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，對設備影響很大。特別是在水質惡化或負荷變化的情況下，不能及時調整加藥量，必然出現短時間內水汽質量惡化，這種現象頻繁發生將產生嚴重后果，造成水冷壁管腐蝕、穿孔乃至爆管、汽機積鹽、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加藥控制系統存在的問題從硬件控制結構和控制算法兩方面提出了解決方案。

1 總體設計方案

系統分為上、下位機兩部分。上位機采用工控機和組態軟件進行監控，對計算機系統進行配置，編輯人機界面。友好的人機界面應能實現以下功能:實時顯示現場信息、歷史數據庫查詢、定時打印和報警。計算機、組態軟件及工業以太網作為DCS子站的管理層。

下位機選用S7－400H熱備冗余系統，通過工業以太網與上位機和電廠的DCS通信，用Profibus總線擴展3個遠方從站，控制現場數據的采集和化學加藥。針對化學加藥系統大時滯的特點，將模糊自適應PID控制應用于化學加藥系統，代替手動加藥系統和傳統的PID控制，利用總線系統進行現場控制，以以太網系統進行監控管理，采用先進的模糊控制技術，由現場控制層、監控層和企業管理層組成先進完整的電廠水質監控管理系統。

2 加藥系統控制對象數學模型的建立

2.1 加藥系統控制對象

2.1.1 控制對象的選擇

根據工藝要求需在熱工系統的幾個不同部位加注相關藥液，根據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，熱力系統腐蝕及結垢等問題日益突出。真正對鍋爐起腐蝕作用的是CO2和O2，因此，為保證熱力系統經濟安全運行，必須除去水中的CO2和O2，防止熱力系統結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，直接影響機組的正常運行。加聯氨的作用是用聯氨化學反應除去給水的CO2和O2，防止熱力系統結垢。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

電廠化學加藥系統的控制對象具有大滯后、非線性、時變特性。導致滯后的原因很多，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模型參數是一個變數。如藥液濃度發生變化，對象特征也隨著變化。系統負荷發生變化，將引起給水流量的變化，使控制對象模型相應改變。一次成功的加藥循環需要幾分鐘或十幾分鐘，可見存在嚴重滯后。

2.1.3 建立控制模型

根據電廠化學加藥的特點選用有自平衡能力的控制對象模型。選用測試法建模，首先選定模型結構，然后確定傳遞函數參數。

a.選定模型結構

對于自平衡現象，一般選以下3種形式:一階慣性環節加純延遲、二階或n階慣性環節加純延遲、有理分式表示的傳遞函數。

b.確定傳遞函數參數確定傳遞函數參數的方法有作圖法和兩點法。本文采用兩點法確定傳遞函數的參數，根據對加藥過程特性分析，習慣上分別取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。

根據加氨的工藝要求和現場實際情況，對一次投入氨液到系統穩定進行測試，經過多次測量結果對水汽中pH值的調節過程繪制出曲線。

2.2 控制算法的確定

電廠自動加藥一般采用傳統的PID控制，存在各參數的整定問題，因為一次整定得到的PID參數很難保證其系統的控制效果始終處于最優狀態，而且控制過程中各信號量及評價指標不易定量表示。模糊理論是解決這一問題的有效途徑，把模糊控制規則及有關信息，如評價指標、初始pH值等作為知識存入計算機知識庫中，計算機根據控制系統的實際響應情況，運用模糊推理，即可自動實現對PID參數的最佳調整。因此，采用以模糊PID參數自整定控制代替傳統的PID控制加藥系統。

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的提高，大多數火電廠都要求對鍋爐給水加氨、加聯胺實現全自動控制。

撫順石油化工公司熱電廠9號鍋爐加藥系統改造要求給水及凝結水加氨實現全自動控制。圖1為鍋爐給水加藥熱力系統結構簡圖，圖中凝結水經混床、n級凝結泵后在加藥泵出口處 (加藥點)與氨水進行充分混合，到達第一測量點。此凝結水經低加到除氧器，除氧器出口再次加入氨水，到達第二測量點，此測量點處的凝結水再經高加后，即可作為最終的鍋爐給水。

圖1 加藥系統工藝流程圖

給水加氨的控制最終目標參數一般以省煤器入口pH值為對象，加氨部位是凝結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，防止系統腐蝕。如果直接以省煤器入口pH值作為控制參數，由于滯后原因，使系統很難達到理想的控制效果，因此，一般都以凝結水pH值或給水pH值作為控制參數。給水流量對加氨量有較大的影響，經比例計算轉換為加藥的控制量［2］。控制參數分別取自凝結水流量計輸出的4～20 mA信號和省煤器入口比導電能表輸出的信號。經系統處理后將控制信號由PLC輸出控制信號來控制變頻器，驅動隔膜計量泵達到自動控制加氨的目的。

3 熱電廠化學加藥模糊控制系統的設計與實現

3.1 自動加藥控制系統主要技術指標

配藥濃度:氨水溶液1%

啟動初期及凝結水處理系統不正常情況下給水pH值:9～9.6

正常運行時下給水pH值:8.0～9.0

除氧器出口水含氧量 (啟動初期及凝結水處理系統不正常):≤7 μg/L

給水聯氨含量 (啟動初期及凝結水處理系統不正常):50 ～100 μg/L

3.2 硬件系統設計方案

給水自動加氨控制系統由上位機、PLC控制器、變頻器、測量儀表、控制器、打印機等組成，系統結構如圖2所示。

圖2 自動加藥系統結構

監控系統設計有遠程全自動程控操作、遠方控制操作、就地盤柜硬操作三種控制方式，三種控制方式都可實現自動配藥自動調節加藥量，更好地控制給水品質［1］。同時系統在上位機和PLC的CPU單元采用冗余結構，增強系統監控的安全可靠性。

3.3 軟件實現

根據工程的實際情況和目前電廠化學加藥現狀，將參數自整定模糊PID運用于化學加藥控制，依靠計算機程序實現系統控制。控制算法程序軟件在上位機組態軟件實現，現場傳感器將檢測來的參數送入PLC，PLC將數據傳送到上位監控機中，經過量化后進行在線模糊推理，得出PID控制參數的增量，再與設定值合成，得到優化的Kp、Ki、Kd值。經模糊與參數計算，得出該時刻應采用的PID控制參數。利用PID功能計算控制量，再將控制量傳送到PLC，最后得出控制的輸出量與下位機控制程序結合，實現現場加藥控制［4］。

自動加藥控制在PLC中實現，控制流程如圖3所示。

自動配藥程序在PLC中實現，其控制流程如圖4所示。

4 結束語

熱電廠加藥控制一般采用手動控制或傳統的PID自動控制，在短時間內可能反映不出這些控制的弊端，但從電廠設備長期維護和延長設備使用壽命來看，更科學、更先進的控制會得到更好的節能實效［5］。隨著電廠規模的擴大，工藝水平要求的提高，先進的控制方法的實施是發展方向，在目前眾多的先進控制算法中，模糊PID控制更適合于加藥控制的特點，將模糊PID控制與電廠化學加藥系統相結合將增強加藥的控制效果。

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

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

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

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

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