章永潔 葉建東 蔣建云 楊旭凱

(1.北京市可持續(xù)發(fā)展促進(jìn)會，北京 100082；2.天津鼎拓科技有限公司，天津 300134)

基于力控平臺的卡琳娜循環(huán)集散測控系統(tǒng)

章永潔1葉建東1蔣建云1楊旭凱2

(1.北京市可持續(xù)發(fā)展促進(jìn)會，北京 100082；2.天津鼎拓科技有限公司，天津 300134)

為監(jiān)控卡琳娜循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù),并保護(hù)超高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的汽輪機(jī)正常工作，設(shè)計了基于力控組態(tài)軟件的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控和保護(hù)。

參數(shù)監(jiān)測 卡琳娜循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng) 力控組態(tài)軟件

卡琳娜循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)(Kalina Cycle)是一種利用氨和水的混合物作為工作介質(zhì)的新穎、高效的動力循環(huán)系統(tǒng)，利用工質(zhì)相變過程非等溫和改變混合物成分濃度的方法，使得循環(huán)在整體上更好地與熱源、冷源相匹配，從而提高熱源利用率，改善循環(huán)性能[1]，已被證明在很多領(lǐng)域比傳統(tǒng)動力循環(huán)更具優(yōu)越性[2]。該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)監(jiān)控和系統(tǒng)運(yùn)行，尤其是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)的保護(hù)有著非常高的要求。

力控組態(tài)軟件是一款可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件[3～5]，DCS系統(tǒng)是隨著工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展而成的一種分布式控制系統(tǒng)，是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一[6～8]。筆者基于力控組態(tài)軟件設(shè)計了卡琳娜循環(huán)集散測控系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)與界面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時分析，使現(xiàn)場控制更準(zhǔn)確高效。

1 卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)測點(diǎn)的設(shè)計①

卡琳娜循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)的工作流程[9,10]如圖1所示。具有一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨-水基液(8)接收蒸發(fā)器吸收熱源的熱量變?yōu)楦邷厝芤?9)，高溫溶液(9)在分離器被分離成富氨蒸氣(1)和富水溶液(10)，富氨蒸氣(1)進(jìn)入汽輪機(jī)做功，汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)工作，從汽輪機(jī)出來的乏氣(2)和從高溫回?zé)崞髦谐鰜淼慕?jīng)節(jié)流降壓后的富水溶液(11)在混合器中混合成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨-水基液(3)，氨-水基液先經(jīng)過低溫回?zé)崞鹘禍貫榛?4)，再經(jīng)過冷凝器冷凝成基液(5)，基液(5)經(jīng)工質(zhì)泵變?yōu)楦邏旱幕?6)再進(jìn)入低溫回?zé)崞髦蓄A(yù)熱為基液(7)，由低溫回?zé)崞鞒鰜淼幕?7)進(jìn)入高溫回?zé)崞鬟M(jìn)一步預(yù)熱成為基液(8)，最終進(jìn)入蒸發(fā)器，完成一個循環(huán)。

圖1 卡琳娜循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)的工作流程示意圖

采用控制變量法對各點(diǎn)參數(shù)的變化關(guān)系進(jìn)行分析，系統(tǒng)中所需測量的變量有：蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度、壓力，膨脹機(jī)入口和出口溫度、壓力，冷凝器進(jìn)出口溫度、壓力，工質(zhì)泵出口溫度、壓力，熱源進(jìn)出口溫度，冷源進(jìn)出口溫度，熱源流量，冷卻水流量，基液質(zhì)量流量，基液氨濃度和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的搭建

監(jiān)控系統(tǒng)通過分析后將反饋信號給系統(tǒng)中的電動調(diào)節(jié)閥或變頻器，實(shí)現(xiàn)控制分離器的液位控制和控制點(diǎn)的溫度控制。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)直觀地顯示出卡琳娜循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作參數(shù)及其運(yùn)行狀況，并將監(jiān)控參數(shù)實(shí)時顯示在可視化界面上。此外，由于汽輪機(jī)以超高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，所以在汽輪機(jī)負(fù)載失靈的情況下，保護(hù)顯得格外重要，而系統(tǒng)會在轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值的瞬間，控制旁通液動閥瞬間打開，以降低汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的保護(hù)。

現(xiàn)場總線是一種全分散、雙向、互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)，用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)之間的通信。本測控系統(tǒng)上位機(jī)從傳感器輸入模擬信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，再通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對循環(huán)系統(tǒng)各部件的參數(shù)采集監(jiān)控和運(yùn)行部件的實(shí)時控制保護(hù)。

如圖2所示，卡琳娜循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)的流程界面是依據(jù)系統(tǒng)流程和示范工程現(xiàn)場具體安裝情況綜合制作而成的，在界面中加入數(shù)據(jù)部分，使操作人員更為方便、快捷地了解現(xiàn)場實(shí)時運(yùn)行參數(shù)，并能及時反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用開發(fā)軟件的圖形界面系統(tǒng)對流程進(jìn)行模擬和仿真，使界面具有立體感，可以與現(xiàn)場設(shè)備相對應(yīng)。

圖2 卡琳娜循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)的流程界面

為了方便及時地對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并分析，將所有實(shí)時數(shù)據(jù)匯集到一個應(yīng)用界面(圖3)上，這樣就可以直觀地觀測每一個點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)，并進(jìn)行控制。

圖3 實(shí)時數(shù)據(jù)顯示界面

在測控系統(tǒng)中，為了將數(shù)據(jù)和結(jié)論以報表形式保存，在上位機(jī)軟件中設(shè)置了數(shù)據(jù)間隔10s自動記錄的功能，為避免繁雜而重復(fù)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在報表中，可以人工選擇保存時間段和時間間隔，確保報表數(shù)據(jù)簡潔并且實(shí)用。歷史數(shù)據(jù)顯示界面如圖4所示。

圖4 歷史數(shù)據(jù)顯示界面

數(shù)據(jù)查詢界面如圖5所示，方便查詢記錄時間段內(nèi)指定時間間隔的數(shù)據(jù)情況。還可以將查詢條件下的數(shù)據(jù)保存成文檔，并導(dǎo)出到計算機(jī)，數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面如圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)查詢界面

圖6 數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面

綜上所述，基于力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)的功能有：可視化流程界面顯示、測試數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)記錄和導(dǎo)出、自動生成Excel文件并保存到計算機(jī)以便查看分析。

3 結(jié)束語

以氨-水溶液為循環(huán)工質(zhì)的卡琳娜循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)是一套復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它對各個部件的實(shí)驗(yàn)參數(shù)監(jiān)控和運(yùn)行保護(hù)有較高的要求。筆者基于力控組態(tài)軟件工具對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，通過選擇合適的測試點(diǎn)、傳感設(shè)備和儀表，實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)流程的實(shí)時監(jiān)控、系統(tǒng)保護(hù)等多項(xiàng)功能，獲得了可視化流程監(jiān)控界面，能夠?qū)Ω黜?xiàng)參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測，并具有完善的數(shù)據(jù)處理分析功能。對于溫度、壓力及流量等數(shù)據(jù)的測量精度高，界面直觀方便、操作簡單且自動化程度高。

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1000-3932(2016)10-1119-03

2016-08-15(修改稿)

北京市科技計劃項(xiàng)目(Z111100058911008)