朱孟強(qiáng)

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100094)

0 引言

在火力發(fā)電廠中，水既是熱力系統(tǒng)的工作介質(zhì)，也是某些熱力設(shè)備的冷卻介質(zhì)。在電廠運(yùn)行的過(guò)程中，需要消耗大量的水。為了維持火電廠熱力系統(tǒng)汽水循環(huán)的正常運(yùn)行，就需要補(bǔ)充大量的除鹽水。

火力發(fā)電廠運(yùn)行時(shí)，幾乎所有的熱力設(shè)備中都有水或汽在流動(dòng)，所以水質(zhì)的優(yōu)劣，直接影響到發(fā)電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。威海三期鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)水源為海水反滲透(SWRO)系統(tǒng)的出水，海水淡化方案采用澄清、超濾，為膜法海水淡化工藝。鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)采用兩級(jí)反滲透加電除鹽(RO-RO-EDI)工藝，一級(jí)反滲透作為預(yù)脫鹽裝置，脫除水中大部分的溶解鹽類、顆粒、活性硅;二級(jí)反滲透和EDI作為精脫鹽裝置，進(jìn)一步脫除水中微量的溶解鹽類、活性硅，使整個(gè)系統(tǒng)的出水達(dá)到超超臨界鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)的要求，滿足熱力系統(tǒng)安全運(yùn)行的需要［1］。鍋爐補(bǔ)給水的預(yù)處理工藝在海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行，同時(shí)采用了兩級(jí)反滲透加電除鹽的工藝，使鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，需控制的閥門和監(jiān)督儀表也相應(yīng)的減少，I/O測(cè)點(diǎn)不足500點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案的選擇及其工藝流程

1.1 方案的選擇

目前在火力發(fā)電廠水處理工藝中有三種方式：

1)預(yù)處理→陽(yáng)床/陰床→混床

2)預(yù)處理→反滲透→混床

3)預(yù)處理→反滲透→EDI

第一種方式為傳統(tǒng)的除鹽方式，水中的鹽全部依靠離子交換的方式除去，需要大量酸堿溶液對(duì)離子交換樹脂再生，因此運(yùn)行費(fèi)用增加，并且再生后的排水對(duì)環(huán)境也有一定的污染。

第二種方式為改良的除鹽方式，水中的大部分鹽類用反滲透方式除去，但混床中交換樹脂的再生仍需要酸堿。因此，此種方式只是改良后的除鹽方式，運(yùn)行費(fèi)用稍有降低，對(duì)環(huán)境也有污染。

第三種方式為綠色的除鹽方式，它具有高脫鹽率、自動(dòng)化程度高、環(huán)保、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格也逐漸穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)。

綜合對(duì)比以上三種水處理方式，我們選擇第三種方式作為本工程鍋爐補(bǔ)給水處理的方案。

1.2 工藝系統(tǒng)的流程

威海三期鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)的工藝流程為：海水淡化箱出水→一級(jí)淡水反滲透給水泵→一級(jí)反滲透保安過(guò)濾器→一級(jí)反滲透裝置→一級(jí)淡水箱→二級(jí)淡水反滲透給水泵→二級(jí)反滲透保安過(guò)濾器→二級(jí)反滲透裝置→二級(jí)淡水箱→EDI給水泵→EDI保安過(guò)濾器→EDI裝置→除鹽水箱。

海水淡化系統(tǒng)出力為300t/h，一級(jí)反滲透的出力為180t/h，二級(jí)反滲透的出力為160t/h，EDI系統(tǒng)的出力為140t/h，即系統(tǒng)的最終出力為140t/h，能夠滿足兩臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行需求。

2 系統(tǒng)的控制要求和控制水平

鍋爐補(bǔ)給水控制系統(tǒng)主要包括鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)和公用水泵房系統(tǒng)?？紤]到化水車間離公用水泵房較近，把公用水泵房系統(tǒng)以遠(yuǎn)程I/O的方式接入鍋爐補(bǔ)給水控制系統(tǒng)，鍋爐補(bǔ)給水控制系統(tǒng)留有公用水泵房系統(tǒng)的通訊接口。鍋爐補(bǔ)給水控制系統(tǒng)采用PLC+上位機(jī)的控制模式，可以通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)與水網(wǎng)其他控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。PLC選用AB公司的第三代主流處理器ControlLogix 1756-L61，采用雙機(jī)熱備冗余配置。整個(gè)系統(tǒng)配電源柜1面、主控柜1面、IO卡件柜4面，布置在化水電子設(shè)備間。

鍋爐補(bǔ)給水處理控制系統(tǒng)PLC作為全廠水系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)站點(diǎn)，通過(guò)水系統(tǒng)操作員站對(duì)鍋爐補(bǔ)給水處理工藝系統(tǒng)、公用水泵房的主輔工藝設(shè)備的所有被控對(duì)象進(jìn)行監(jiān)視和單個(gè)(或成組)設(shè)備的啟動(dòng)和停止操作，包括電動(dòng)機(jī)啟、?？刂?，閥門打開關(guān)閉操作、設(shè)備啟停狀態(tài)、閥門已開已關(guān)狀態(tài)、遠(yuǎn)方/就地切換狀態(tài)和主要工藝參數(shù)的監(jiān)視，并完成設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)，實(shí)現(xiàn)就地?zé)o人值班。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本工程鍋爐補(bǔ)給水處理控制系統(tǒng)共分為四層。系統(tǒng)的底層為設(shè)備層，主要完成系統(tǒng)主輔工藝設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集。第二層為PLC控制層，完成各個(gè)PLC分站控制網(wǎng)絡(luò)集成，負(fù)責(zé)接收下層輸送的數(shù)據(jù)及上層指令并將指令傳送至設(shè)備層，完成水網(wǎng)信息層與設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換。第三層為水網(wǎng)信息層，主要完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)水處理及其輔助設(shè)備的在線監(jiān)視、控制和保護(hù)。最頂層為輔助網(wǎng)絡(luò)層主要完成水、煤、灰、凝結(jié)水精處理和空調(diào)自控等系統(tǒng)的在線監(jiān)視和控制，并傳輸信息給廠級(jí)信息管理系統(tǒng)，廠級(jí)信息管理系統(tǒng)再通訊給管理信息系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

3.1 設(shè)備層

設(shè)備層處于整個(gè)控制系統(tǒng)的最底層，主要完成上一層下發(fā)的所有控制命令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)采集。設(shè)備層包括各類的傳感器、變送器、監(jiān)視儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。各類變送器從現(xiàn)場(chǎng)采集模擬信號(hào)，變送為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字調(diào)節(jié)運(yùn)算后，控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)的IO點(diǎn)的監(jiān)視原則為：氣動(dòng)閥門和電動(dòng)閥門均采用雙電控方案，氣動(dòng)閥門其輸入/輸出信號(hào)按每個(gè)氣動(dòng)閥門2DI，2DO考慮，電動(dòng)閥門的輸入/輸出信號(hào)按每個(gè)電動(dòng)閥門4DI，2DO考慮，各水泵電動(dòng)機(jī)的輸入/輸出信號(hào)按每臺(tái)電機(jī)5DI，2DO和1AI考慮。

系統(tǒng)統(tǒng)一考慮系統(tǒng)內(nèi)儀表、受控設(shè)備及閥門等驅(qū)動(dòng)裝置的電源配置。程控系統(tǒng)接受380/220VAC的動(dòng)力電源，接受220VAC的控制電源。重要負(fù)荷需同時(shí)有兩路不同段電源進(jìn)線(通常工作電源為UPS，備用電源為工作段)，并配置自動(dòng)切換裝置，實(shí)現(xiàn)兩路電源的自動(dòng)切換。系統(tǒng)內(nèi)其它電壓等級(jí)的電源，由系統(tǒng)內(nèi)自行轉(zhuǎn)換分配。

3.2 PLC 控制層

鍋爐補(bǔ)給水處理過(guò)程中用到大量的閥門、水泵、電動(dòng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備需要按照一定的程序、時(shí)間和邏輯關(guān)系定時(shí)啟停。工藝過(guò)程還需要在一定的溫度、壓力、流量、液位、PH值等條件的限制。PLC控制的目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、控制命令的下發(fā)以及工藝信號(hào)的聯(lián)鎖等功能。它主要用于實(shí)現(xiàn)工藝邏輯控制以及控制算法，并可直接控制電動(dòng)機(jī)及電動(dòng)閥，同時(shí)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采集現(xiàn)場(chǎng)儀表的輸入信號(hào)。程序控制應(yīng)包括鍋爐補(bǔ)給水處理裝置的投運(yùn)、停止程序及聯(lián)鎖保護(hù)程序。對(duì)于順序控制必須設(shè)置必要的分步操作、成組操作、單獨(dú)操作等，并有跳步、中斷或旁路等操作功能，還應(yīng)設(shè)有必要的步驟時(shí)間、狀態(tài)指示和邏輯閉鎖功能［2］。

3.3 水網(wǎng)信息層

水網(wǎng)信息層是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它由位于鍋爐補(bǔ)給水控制室的LCD操作員站、以太網(wǎng)交換機(jī)和controlLogix的監(jiān)控軟件組成，主要完成各設(shè)定值的優(yōu)化計(jì)算、設(shè)定值的輸入、通訊、系統(tǒng)報(bào)警、運(yùn)行管理以及所有工藝參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示。在水網(wǎng)信息層我們采用基于TCP/IP通訊協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)作為網(wǎng)絡(luò)媒介，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為10/100Mbps。LCD操作員站作為主要的人機(jī)接口方式，通過(guò)LCD畫面、鍵盤和鼠標(biāo)對(duì)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視和控制。它能對(duì)包括鍋爐水處理系統(tǒng)在內(nèi)的各個(gè)水系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的工藝過(guò)程、運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)視，并對(duì)單個(gè)/成套/成組主輔設(shè)備的啟動(dòng)和停止進(jìn)行操作。所有運(yùn)行參數(shù)及報(bào)警信息均能通過(guò)打印機(jī)進(jìn)行記錄并制表［3］。

3.4 輔助網(wǎng)絡(luò)層

輔助網(wǎng)絡(luò)層處于整個(gè)控制系統(tǒng)的最頂層。水網(wǎng)信息層網(wǎng)絡(luò)與輔控網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后可在機(jī)爐集中控制室通過(guò)輔控網(wǎng)操作員站實(shí)現(xiàn)全廠輔助車間統(tǒng)一監(jiān)控。輔助網(wǎng)絡(luò)的集中監(jiān)控點(diǎn)設(shè)在集控室，它是由位于集控室內(nèi)的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、以太網(wǎng)交換機(jī)和輔助網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件組成。輔助網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)克服了原有獨(dú)立且分散的控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，可最大可能的將運(yùn)行管理人員減到最少?？刂葡到y(tǒng)在基本不提高造價(jià)的情況下，使輔助網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的水平達(dá)到與機(jī)組DCS控制系統(tǒng)基本相當(dāng)?shù)乃?，?duì)水、煤、灰網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程控制［4］。

4 鍋爐補(bǔ)給水控制系統(tǒng)硬件配置

本工程的基本硬件配置如下：1756-A7和1756-A13機(jī)架，1756-PA72電源模塊，控制器選擇 ControlLogix1756-L61，Controlnet網(wǎng)絡(luò)模塊選擇1756-CNBR，ETHERNET/IP網(wǎng)絡(luò)模塊選擇1756-ENBT，冗余模塊1757-SRM，9個(gè)數(shù)字量輸人模塊1756-IB32，5個(gè)數(shù)字量輸出模塊1756-0B32、7個(gè)模擬量輸入模塊1756-IF16和3個(gè)模擬量輸出模塊1756-OF8。對(duì)于開關(guān)量輸出采用中間繼電器隔離的方式。PLC的各類型I/O點(diǎn)均留有不小于20%的裕度，I/O插槽也留有不小于20%的插槽裕度。

1756-L61控制器是系統(tǒng)的核心，可用軟件9324-RLD300NXENE進(jìn)行編程?？刂破靼惭b于1756-A7框架，程序掃描時(shí)間為0.08ms/k，典型的IO掃描速度為5ms/k。1756-CNBR支持冗余的Controlnet網(wǎng)通訊，從而實(shí)現(xiàn)PLC的CPU與I/O的雙工冗余通訊。ControlLogix系列自動(dòng)化產(chǎn)品還支持以太網(wǎng)絡(luò)連接方式，在本控制方案中PLC與上位監(jiān)控站采用冗余的EtherNet網(wǎng)絡(luò)連接。

5 應(yīng)該注意的問(wèn)題

1)鍋爐補(bǔ)給水處理車間要測(cè)量的參數(shù)種類繁多，原理多樣，加之工藝設(shè)備、管道具有防腐要求，導(dǎo)致儀表選型和安裝變的較為復(fù)雜。鍋爐補(bǔ)給水處理車間的儀表除常規(guī)儀表外還包括大量的分析儀表，這些儀表的選型需根據(jù)工藝參數(shù)及儀表安裝條件等因素結(jié)合產(chǎn)品樣本做出正確的儀表選型［5］。

2)由于設(shè)備布置在海濱，應(yīng)考慮設(shè)備的防鹽霧、防凍、防腐蝕，所有泵材料均采用316-L不銹鋼。用于測(cè)量有腐蝕性介質(zhì)的儀表應(yīng)考慮有防腐功能，同時(shí)取樣導(dǎo)管和閥門應(yīng)和主管道同材質(zhì)［6］，或用耐腐蝕不銹鋼316L。

3)EDI除鹽系統(tǒng)是水電并存的系統(tǒng)，因此安裝相應(yīng)的設(shè)備時(shí)應(yīng)保證設(shè)備各個(gè)部位分別可靠接地，同時(shí)還應(yīng)該考慮EDI設(shè)備的啟停順序。EDI啟動(dòng)時(shí)，先通電再通水，停運(yùn)時(shí)先斷電再斷水［7］。

6 結(jié)論

通過(guò)采用本系統(tǒng)對(duì)鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)進(jìn)行控制，保證了整個(gè)機(jī)組的用水需求，產(chǎn)水水質(zhì)明顯提高;同時(shí)系統(tǒng)高度的可靠性和直觀簡(jiǎn)易的操作性使得值班室內(nèi)的值班人數(shù)明顯減少，提高了勞動(dòng)效率;另外整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，機(jī)、電、爐運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性也進(jìn)一步增強(qiáng)。

［1］華東六省一市電機(jī)工程(電力)學(xué)會(huì).熱工自動(dòng)化［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［2］火力發(fā)電廠輔控運(yùn)行［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009：28-92.

［3］楊育紅，岳偉挺、徐愛東.基于ControlLogix的鍋爐補(bǔ)給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)技術(shù)，2007，(36)

［4］魏廣鴻.火電廠輔網(wǎng)集中控制的研究［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2009，(1)：47-49.

［5］葉江祺.熱工測(cè)量?jī)x表和控制儀表的安裝［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［6］火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化就地設(shè)備安裝、管路及電纜設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定DL/T 5182-2004［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［7］火力發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程DL/T 5068-2006［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.