“無人值守”化學水處理系統技術開發及應用

賀 超，尹立新，傅遠雄，安子健

（北京京能未來燃氣熱電有限公司，北京102207）

發電機組中的水作為熱能動力的工質，類似人體中血液，起著能量傳遞的作用。水汽循環系統中對作為熱力系統工作介質及冷卻介質的水有嚴格的水質要求，如高壓鍋爐給水不僅要求硬度低、溶氧量極微、固體含量和有機物含量也極微小。據近年來的統計，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”）爆破引起的停機事故，占鍋爐設備非計劃停用時間的70%，其中化學因素占有一定的比重，所以沒有達到給水標準的水將會使發電廠設備無法安全經濟運行，需要嚴格控制用水水質。隨著電廠機組容量增大，自動化水平提高，運行人員減少，化學水質監測儀表的測量水平逐步提高，化學制水系統在現代電廠中顯得越來越重要。

“無人值守”化學水處理系統的目的是在人員有限的情況下，盡可能提高系統自動化水平，實現系統根據運行工況自動投運，自動調節加藥量，制出合格的除鹽水，保障系統安全穩定運行，以期達到逐步實現化學制水系統無人值守的目的。

1 “無人值守”化學水處理系統技術原理

1.1 制水系統組成及工藝流程

北京京能未來燃氣熱電廠E級一拖一燃氣機組的制水系統，由蓄水水池系統、PCF纖維過濾器系統、超濾系統、一級反滲透系統、二級反滲透系統、電除鹽系統組成。

本工程的鍋爐補給水處理系統主要工藝流程如下：進廠后的城市再生水→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。

為了監測水質和控制運行，系統中安裝有在線儀表和控制設備，如壓力變送器、溫度測量元件、流量表變送器、濁度表、導電率表、余氯表、p H表、硅表等就地和遠傳設備，以滿足化學制水系統全自動無人職守運行方式，由控制室操作員對水處理系統進行監視和運行操作。

控制系統采用了德國西門子公司的T3000控制系統，就地所有遠傳儀表數據都被采集進入該系統、所有設備都由該系統控制運行?；瘜W制水控制系統可以分成EDI子程控系統、一級反滲透子程控系統、二級反滲透子程控系統、預處理子程控系統。

各個子系統可以單獨運行制水，并采用了PID控制器改變加藥泵的頻率對加藥量進行調節，通過調節變頻器的頻率改變系統出力。

1.2 EDI子程控子系統

EDI子系統包括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、電導率表、硅表等設備。其中每次EDI系統啟動1～2號EDI裝置會按順序啟動，共同制水，當有一套出現問題時退出自動，單獨運行一套。1～2號除鹽水箱液位高度為0～6.7 m，兩個水箱聯通，當有一個水箱檢修時，可以手動退出邏輯關聯。1～3號給水泵為工頻運行，正常啟動時一臺備用，兩臺運行。

程序增加設計了根據液位自動啟停制水的控制程序：當除鹽水箱液位低于5 m、淡水箱液位大于1.5 m時，EDI系統啟動，1號EDI給水泵首先啟動，如果EDI出口母管電導率不大于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，EDI裝置退出運行。

1.3 二級反滲透子程控

二級反滲透系統包括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。

該系統也采用了以液位為控制參數的控制程序，當淡水箱液位低于1.6 m、中間水箱液位大于1.2 m時，二級反滲透系統啟動。由于該系統需要加堿以調節系統入口的PH，二級反滲透系統有加藥泵2臺，每套二級RO系統配一臺加藥泵，為變頻控制，控制中應用了T3000系統的CCTRL邏輯控制塊，該邏輯塊帶有PID調節兼人機接口功能，如圖1。

圖1 PID控制邏輯

當系統給水PH與設定值比較偏小時增加變頻器頻率，當系統給水PH與設定值比較偏大時減小變頻器頻率輸出，運行人員可以手動設置系統PH設定值。

當給水泵啟動后，順序啟動1號二級RO系統，并啟動1臺加藥泵，當1號二級反滲透系統產水電導小于0.03μs／cm后，關閉產水超標排放閥，并投入2號二級RO系統。

高壓給水泵為變頻控制，控制參數選取二級RO系統一段壓力，運行人員可以給定該壓力值，經過PID運算改變變頻器的頻率，改變系統出力，并保證系統壓力工作在安全范圍內，防止系統壓力過大造成管道破裂。

當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時停止制水，按照停止制水程控依次停止各設備，退出制水。

1.4 一級反滲透子程控

一級反滲透系統包括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。

該系統也采用了以液位為控制參數的控制程序，當中間水箱液位低于1.3 m、超濾水箱液位大于1.5 m時一級反滲透系統自動開始制水。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，兩組裝置輪流運行。但是西門子T3000系統中沒有合適的邏輯功能塊，根據系統運行需要自主設計D觸發器，應用D觸發器的分頻功能達到兩套裝置輪流運行的目的。D觸發器結構原理圖如圖2。

加藥系統在給水泵啟動的同時啟動，通過加酸、加還原劑調節一級反滲透裝置的ORP、電導率、余氯值。加酸計量泵、阻垢劑計量泵、還原劑計量泵各5臺，系統根據ORP儀表、電導率儀表、余氯表的在線測量值調節投入計量泵的數量及頻率。并根據儀表的數值調節計量泵的頻率將電導率值、溶解氧值、氯值控制在合理的范圍內。

圖2 D觸發器原理圖

1.5 預處理子程控

預處理系統包括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、次氯酸鈉計量泵2臺、酸計量泵2臺，堿計量泵2臺。

該系統采用了以超濾水箱、原水箱液位為控制參數的控制程序，當超濾水箱的液位低于2 m、原水箱液位大于1.5 m時，系統自動開始制水。1～2號原水泵、1～2號PCF裝置輪流投入運行，同樣采用了D觸發器來選擇需要運行的原水泵及PCF裝置，系統根據原水泵出口母管的壓力設定值來自動調節原水泵的頻率。設定值為1.35 MPa，當原水泵出口母管的壓力小于設定值時，增加原水泵變頻器頻率；當原水泵出口母管的壓力大于設定值時，減小原水泵變頻器頻率。

1～2號超濾裝置依次投入，當產水濁度小于0.06 NTU時，關閉超濾反洗超標氣動閥，開始向超濾水箱制水，當水箱水位達到設定值后系統停止制水。

1.6 水箱水位測量系統濾波技術

北京某燃氣熱電廠化學制水系統共有水箱10個，水位測量裝置采用了超聲波物位計。超聲波物位計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水方式，容易對反射聲波造成干擾，致使水位不穩定，如圖3所示。

圖3 水位波動曲線

由圖3可知，當系統開始向水箱中制水時，水位開始波動，當停止向水箱中制水時水位波動現象停止。水位的波動會使液位測量超過水位設定閥值，產生誤動，對系統自動的投運和停止造成了不利。為解決水位波動對系統自動運行的影響，根據水位波動曲線波動頻率高、時間短的特點，特設計了如圖4濾波程序。

圖4 濾波程序

由于物位計的測量信號波動大，首先測量信號經過SPC模塊，SPC模塊可以設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，如圖5所示。

圖5 濾波后液位曲線

2 結 論

在該技術研究設計過程中，配合系統的運行特性及設備特點，實現了系統的自動投運、自動退出，子系統中多個設備輪流運行，根據水質參數自動調節加藥量的目標。系統中D觸發器的設計應用為系統的設備運行提供了很大便利。

針對超聲波測量液位波動大的問題，設計超聲波物位計濾波程序，使液位測量信號平滑，滿足了系統自動運行的要求。

該系統投運后，取得了很好的應用效果，電廠精簡了制水系統運行人員，只需要配置必要的巡檢及化驗人員，基本達到了“無人值守”的目的，大大節省人力成本，提高了設備資源利用率，具有很好的示范意義，是“智能電廠”的重要組成部分。

3 節能減排及經濟效益

該技術投運后，化學制水系統可以自動運行，大大節省了人力，精簡了運行人員。按照精簡6個人，每個人按照10萬元／年計算，可以為電廠每年節省費用60萬元，充分利用了西門子DCS控制系統的設備資源。本技術成果成功應用于電廠的化學制水系統，驗證了本項技術的可行與合理，提高了經濟效益、控制系統利用率，為今后電廠項目的建設提供了參考和借鑒。

［1］馬 陽.火電廠化學水處理控制系統設計與開發［D］.沈陽：東北大學，2008.

［2］胡壽松.自動控制原理［M］.北京：清華大學出版社，2001.

［3］馬書磊.水處理智能控制系統［D］.鄭州：鄭州大學，2003.

［4］西門子電氣公司.西門子SPPA-T3000用戶手冊［Z］，2010.