張浩龍,楊明望,張倍堯,于年鑫,崔 燦

(華能澠池?zé)犭娪邢挢?zé)任公司,河南 三門峽 472499)

0 引言

鍋爐給水pH值是火電廠水汽監(jiān)督的重要指標(biāo)之一,其合格與否嚴(yán)重影響熱力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。當(dāng)鍋爐給水pH≤7時(shí)呈酸性,會(huì)造成給水的氫去極化腐蝕,大量的腐蝕物進(jìn)入鍋爐造成鍋爐內(nèi)結(jié)垢和腐蝕,導(dǎo)致鍋爐效率下降,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致鍋爐發(fā)生爆管事故。當(dāng)鍋爐給水pH值過(guò)高時(shí)呈堿性,堿性物質(zhì)在鍋爐內(nèi)經(jīng)過(guò)受熱分解、蒸發(fā)濃縮,會(huì)引起爐水pH值超標(biāo),一方面會(huì)造成金屬鈍化膜的破壞,另一方面易引發(fā)鍋爐爐水的二次水垢。因此鍋爐給水的pH值控制有嚴(yán)格規(guī)定,在GB/T 12145—2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》中規(guī)定,加氧處理給水pH值為8.5～9.3(25 ℃)［1］。

氨是熱力系統(tǒng)用于金屬防腐最常用的堿化劑。目前控制給水pH值的方法主要是采用加氨調(diào)節(jié)。pH控制就是控制給水的酸堿度,但pH控制存在嚴(yán)重的非線性、滯后性、時(shí)變性,其精確控制難度較大［2］。針對(duì)pH值的控制原理,有很多關(guān)于控制原理和算法的研究和應(yīng)用,如常規(guī)PID、模糊自適應(yīng)PID和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID［3-5］等。但是單一PID控制適用于建立了精確數(shù)學(xué)模型的確定線性系統(tǒng)。模糊系統(tǒng)的模糊規(guī)則和隸屬函數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)只能依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇,實(shí)際影響較大。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然具有較強(qiáng)的適應(yīng)和學(xué)習(xí)功能,但不具備處理不確定信息的功能。目前實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中大多是通過(guò)人工調(diào)整加氨計(jì)量泵來(lái)控制給水pH值,存在操作量大、pH控制不嚴(yán)格及加氨耗量偏大等諸多問(wèn)題。因此在實(shí)際生產(chǎn)中,如何采用較小成本對(duì)給水pH精確控制,嚴(yán)格控制加氨量是需要解決的問(wèn)題。

1 概況

某電廠加氨系統(tǒng)為2臺(tái)機(jī)組公用,設(shè)置兩級(jí)加氨,分為凝結(jié)水加氨(一級(jí)加氨)和給水加氨(二級(jí)加氨)。一級(jí)加氨點(diǎn)設(shè)置在精處理混床出口母管,二級(jí)加氨設(shè)置在除氧器出口母管。兩級(jí)加氨公用2個(gè)氨溶液箱,每個(gè)氨溶液箱配置1臺(tái)攪拌器,每級(jí)加氨設(shè)置3臺(tái)變頻加氨計(jì)量泵,運(yùn)行方式為每臺(tái)機(jī)組使用1臺(tái),第3臺(tái)備用,全部在1號(hào)機(jī)組公用DCS系統(tǒng)進(jìn)行控制。氨溶液配藥方式為加入溶液箱固定濃度工業(yè)氨水,再根據(jù)氨溶液箱的底部電導(dǎo)率表加入凝結(jié)水,使氨溶液電導(dǎo)率在850 μs/cm。加氨方式為運(yùn)行人員進(jìn)行手動(dòng)控制加氨計(jì)量泵頻率,進(jìn)而控制給水pH值,加氨系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 加氨系統(tǒng)

運(yùn)行中存在問(wèn)題有:①?gòu)哪Y(jié)水母管加入氨溶液到省煤器入口檢測(cè)出pH值的變化,存在嚴(yán)重滯后,約滯后30 min,造成pH值波動(dòng)較大;②機(jī)組升降負(fù)荷,加氨量變化較大,運(yùn)行人員需頻繁監(jiān)視調(diào)整,工作量較大;③由于溫度、監(jiān)測(cè)儀表、外界干擾、純水靜電荷、校準(zhǔn)等因素影響,pH值的準(zhǔn)確性很難保證,造成加氨控制難度增大;④加氨泵在1號(hào)機(jī)組控制,監(jiān)測(cè)儀表在輔網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),無(wú)法通過(guò)集中監(jiān)視調(diào)整進(jìn)行自動(dòng)控制;⑤由于無(wú)法精準(zhǔn)控制給水pH值,pH值過(guò)高易造成氨水浪費(fèi),pH值過(guò)低造成無(wú)法達(dá)到熱力系統(tǒng)防腐效果。

2 自動(dòng)加氨控制系統(tǒng)

2.1 控制目標(biāo)

給水pH值的測(cè)量影響因素較大,不宜作為加氨自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制目標(biāo)。給水加氨后,氨溶于水呈弱堿性,增強(qiáng)了溶液的導(dǎo)電能力,使給水電導(dǎo)率增大10倍以上,因此給水電導(dǎo)率大小主要取決于水中氨的濃度。經(jīng)研究表明,在25 ℃以下,水中氨濃度與pH值和電導(dǎo)率之間存在確定關(guān)系［6-9］,如表1所示。根據(jù)給水電導(dǎo)率與pH值的關(guān)系,可以通過(guò)電導(dǎo)率計(jì)算出pH值［10］。電導(dǎo)率通過(guò)在電極兩端增加正弦波電壓,在電場(chǎng)作用下,帶電的離子產(chǎn)生一定方向移動(dòng),產(chǎn)生電流信號(hào)經(jīng)放大處理后測(cè)得。電極是2塊金屬板,比較穩(wěn)定,不受其他外界因素干擾。由于電導(dǎo)率是通過(guò)測(cè)量溶液阻抗再轉(zhuǎn)換電流得到,基本不受純水靜電荷影響,測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性大大提高。根據(jù)加氨量與電導(dǎo)率基本成線性關(guān)系、pH值與電導(dǎo)率存在確定關(guān)系的特性,pH=8.57+lgSC(SC:25 ℃時(shí)直接電導(dǎo)率,2 μs/cm),可選用給水電導(dǎo)率作為加氨自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制目標(biāo)。根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系,電導(dǎo)率控制在2.8～3.2 μs/cm即可使給水pH值控制在9.02～9.07,滿足控制要求。給水電導(dǎo)率與pH值的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 給水電導(dǎo)率與pH值的關(guān)系(加氨25 ℃)

2.2 控制系統(tǒng)

根據(jù)目前設(shè)備情況,不增加監(jiān)測(cè)儀表,不利用常用外加PLC設(shè)備的情況下,所有設(shè)備和信號(hào)全部利用現(xiàn)有DCS系統(tǒng),就可實(shí)現(xiàn)整體自動(dòng)調(diào)節(jié)和監(jiān)視的自動(dòng)加氨控制。氨溶液箱及溶液箱電導(dǎo)率、變頻加氨計(jì)量泵等信號(hào)控制在1號(hào)機(jī)組公用DCS網(wǎng)絡(luò)中,給水流量信號(hào)分別在機(jī)組DCS網(wǎng)絡(luò)中,給水電導(dǎo)率監(jiān)視信號(hào)在輔網(wǎng)DCS網(wǎng)絡(luò)中,將所有信號(hào)全部引入1號(hào)機(jī)組公用DCS系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加氨,如圖2所示。

圖2 自動(dòng)加氨控制系統(tǒng)

2.3 控制原理

自動(dòng)加氨控制方法采用復(fù)合式PID調(diào)節(jié),如圖3所示,復(fù)合式PID控制包括兩部分,一部分為PID輸出,另一部分由前饋參數(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)給水流量的變化,快速改變控制系統(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)復(fù)合式PID控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集給水流量,根據(jù)給水流量進(jìn)行加氨量前饋比例調(diào)節(jié),同時(shí)采集省煤器入口電導(dǎo)率值,與電導(dǎo)率設(shè)定值比較,進(jìn)行PID調(diào)節(jié),兩者疊加后,實(shí)現(xiàn)復(fù)合式PID控制,改變加氨泵的頻率,實(shí)現(xiàn)給水pH自動(dòng)平穩(wěn)控制,自動(dòng)加氨控制原理如圖3所示。

圖3 自動(dòng)加氨控制原理

3 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

a.根據(jù)給水氨含量與pH值和電導(dǎo)率的關(guān)系,調(diào)節(jié)作用選擇反作用,即電導(dǎo)率低于設(shè)定值,增加調(diào)節(jié)器輸出,使加氨計(jì)量泵輸出頻率增加。反之亦然。

b.前饋參數(shù)擬合。根據(jù)以往運(yùn)行工況,總結(jié)給水流量與加氨計(jì)量泵頻率之間的關(guān)系,擬合滿足給水電導(dǎo)率調(diào)整要求的關(guān)系曲線。再根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整前饋參數(shù)K值,一般設(shè)定為0.8左右,既能滿足負(fù)荷快速變化的要求,也能粗調(diào)給水電導(dǎo)率值。

c. PID參數(shù)整定。采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行摸索,開始只采用比例作用,積分時(shí)間Ti=∞,微分時(shí)間Td=0,比例增益Kp=0.5,觀察特性曲線情況進(jìn)行調(diào)整。曲線振蕩過(guò)小,應(yīng)加大比例增益,調(diào)節(jié)過(guò)于緩慢,余差過(guò)大,則減小比例增益,直到衰減率基本合乎要求。再加入積分作用,當(dāng)余差消除變慢,則加強(qiáng)積分作用縮短積分時(shí)間,當(dāng)被調(diào)量發(fā)生振蕩,則減弱積分作用增大積分時(shí)間。根據(jù)實(shí)際調(diào)整經(jīng)驗(yàn),調(diào)節(jié)系統(tǒng)不采用微分作用即可滿足調(diào)節(jié)要求。

4 實(shí)施效果

使用復(fù)合PID調(diào)節(jié)的自動(dòng)加氨控制系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度,減小運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)半年時(shí)間的運(yùn)行觀察,給水pH值得到精確控制,自動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

a.通過(guò)自動(dòng)加氨控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了給水電導(dǎo)率精確控制。機(jī)組加氨手動(dòng)控制時(shí),當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí),需運(yùn)行人員手動(dòng)控制加氨計(jì)量泵頻率,調(diào)節(jié)加氨量來(lái)控制給水電導(dǎo)率。人工調(diào)整存在較大控制偏差,給水電導(dǎo)率無(wú)法控制在2.8～3.2 μs/cm,存在忽高忽低的現(xiàn)象,如圖4所示。當(dāng)機(jī)組加氨自動(dòng)控制、機(jī)組負(fù)荷變化時(shí),加氨量隨負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)整,給水電導(dǎo)率可控制在2.88～3.15 μs/cm,如圖5所示。

圖4 加氨手動(dòng)給水電導(dǎo)率控制情況

圖5 加氨自動(dòng)給水電導(dǎo)率控制情況

b.大幅減少運(yùn)行人員的操作量。機(jī)組加氨手動(dòng)控制時(shí),運(yùn)行人員每天調(diào)整加氨計(jì)量泵頻率達(dá)上百次,且調(diào)整效果較差。機(jī)組加氨自動(dòng)控制時(shí),運(yùn)行人員幾乎不用調(diào)整加氨計(jì)量泵頻率,自動(dòng)控制完全可以達(dá)到控制要求。

c.大大節(jié)省氨水消耗量。機(jī)組加氨手動(dòng)控制時(shí),每月需向2 m3溶液箱增加850 μs/cm氨水6次。機(jī)組加氨自動(dòng)控制后,每月加氨水次數(shù)減少至4次,大大節(jié)省氨水消耗量,2臺(tái)機(jī)組每年可節(jié)約采購(gòu)氨水成本2萬(wàn)元左右。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明,本系統(tǒng)成本較低簡(jiǎn)單易行。采用復(fù)合PID控制的給水加氨自動(dòng),可實(shí)現(xiàn)給水pH的精確控制,滿足加氨系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié),達(dá)到良好效果。解決了手動(dòng)控制難以保證給水水質(zhì)要求、運(yùn)行人員工作強(qiáng)度大、加氨浪費(fèi)、熱力系統(tǒng)防腐效果不佳等問(wèn)題,大大提高了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。