熱電廠鍋爐沖灰除渣循環(huán)水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳 寧

（1 安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

（2 安徽機(jī)械工業(yè)學(xué)校機(jī)電部，安徽 淮南 232052）

1 引言

鍋爐沖灰除渣循環(huán)水處理系統(tǒng)是熱電廠生產(chǎn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響熱電廠鍋爐的安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)由蓄水沉淀池、沖灰水泵、渣漿泵、儲(chǔ)酸罐、進(jìn)出水管道等部分組成。其工藝流程為：沖灰水泵將清水池的水送至鍋爐，沖灰除渣后的沖灰水將攜帶鍋爐燃燒后的灰渣送至灰渣池，使粉煤灰沉淀后,清水通過灰?guī)靸?nèi)的溢流井送到灰壩泵房,再用泵將清水送回廠內(nèi)的回水泵房進(jìn)行再次沖灰,循環(huán)利用，不僅大大節(jié)約了水資源的使用量，也減少了廢水的排放，對(duì)于節(jié)能環(huán)保有著巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。目前沖渣循環(huán)水系統(tǒng)的壓力、流量、液位、pH值和渣漿循環(huán)泵監(jiān)控主要采用人工手段進(jìn)行，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度較低，而且準(zhǔn)確性和可靠性難以保證，若調(diào)整不及時(shí)，會(huì)造成灰渣池抽空、灰渣泵及出口管道堵塞、振動(dòng)，影響灰渣系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，一旦發(fā)生事故，將造成難以估量的損失。因此，實(shí)現(xiàn)沖灰除渣循環(huán)水系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控具有重要意義。為此，本文提出了基于PLC控制的系統(tǒng)解決方案。通過控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)灰渣泵的啟動(dòng)、停止及增減負(fù)荷控制，灰渣池液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)，灰渣泵前后軸瓦溫度、出口壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)視，以及灰渣泵出入口電動(dòng)閥門、沖灰水泵、軸封泵的遠(yuǎn)程操作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 技術(shù)要求分析

分析和研究[1，2，3]表明：實(shí)現(xiàn)沖灰除渣循環(huán)水系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控的基本技術(shù)要求如下：

①系統(tǒng)運(yùn)行工況參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警

②沖渣循環(huán)水處理過程的自動(dòng)控制

③監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄與查詢

④具有手動(dòng)和自動(dòng)控制切換功能

其中，工況參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警是一項(xiàng)必不可少的要求，因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中，存在大量的工況變量，如水泵壓力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸瓦溫度、進(jìn)出水流量、蓄水池液位和循環(huán)水pH值等，需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)；另外，循環(huán)水處理過程的自動(dòng)控制，即實(shí)現(xiàn)蓄池液位和循環(huán)水pH值的自動(dòng)調(diào)節(jié)以及渣漿泵啟停的連鎖控制也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，必須充分確保在線調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性和連鎖控制的安全可靠性；其次，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存和歷史數(shù)據(jù)報(bào)表的在線調(diào)閱，保證運(yùn)行管理人員操作的便利性也是一項(xiàng)重要指標(biāo)。

2.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)沖渣循環(huán)水處理系統(tǒng)的工藝原理和控制技術(shù)要求，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的控制系統(tǒng)方案。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，即基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)（簡(jiǎn)稱L1系統(tǒng)）和過程計(jì)算機(jī)級(jí)（簡(jiǎn)稱L2系統(tǒng)）。基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)采用SIEMENS的S7-300系列的PLC產(chǎn)品，主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)沖渣循環(huán)水處理系統(tǒng)的自動(dòng)控制、過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)視、過程與設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視與報(bào)警、過程趨勢(shì)數(shù)據(jù)的采集與處理、以及過程計(jì)算機(jī)所需數(shù)據(jù)的收集、處理和傳輸，或接收過程計(jì)算機(jī)送來的指令數(shù)據(jù)等。過程計(jì)算機(jī)級(jí)采用了1臺(tái)研華IPC-610MB工控機(jī)，布置在回水泵房值班室。利用雙網(wǎng)卡的連接方式，采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通信協(xié)議，一端連接二級(jí)網(wǎng)絡(luò)，一端連接一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了一、二級(jí)系統(tǒng)之間的隔離。過程計(jì)算機(jī)級(jí)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)沖渣循環(huán)水處理過程監(jiān)控和管理，完成與基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)系統(tǒng)以及其他前后工序過程計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換和信息通訊等，其主要處理功能包括：過程數(shù)據(jù)的監(jiān)視及報(bào)警、系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整與設(shè)定、數(shù)據(jù)報(bào)表的存檔和打印等。L1和L2級(jí)的軟件開發(fā)平臺(tái)分別是Step7 V5.4和SIMATIC WinCC。

圖1 控制系統(tǒng)方案制結(jié)構(gòu)

2.3 傳感器配置

考慮到?jīng)_渣循環(huán)水處理工藝的特點(diǎn)及控制過程的復(fù)雜性，系統(tǒng)傳感器配置、檢測(cè)點(diǎn)的位置和取源部件的安裝均按照設(shè)計(jì)要求以及自動(dòng)化儀表工程施工標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范進(jìn)行，主要包括液位和pH值監(jiān)控以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)三個(gè)部分，如圖2所示。

根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的介質(zhì)特性、液位檢測(cè)采用非接觸式雷達(dá)液位傳感器，以保證可靠性，液位控制采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。由于沖渣循環(huán)水的pH值一般超標(biāo)（高達(dá)11以上），長(zhǎng)期運(yùn)行不僅影響循環(huán)水的利用率，而且使回水管的結(jié)垢速度加快、管徑變小,影響沖灰水系統(tǒng)的正常運(yùn)行,為此采用硫酸自動(dòng)加酸裝置處理方案,即將pH取樣點(diǎn)設(shè)置在泵前入口處，以保證測(cè)量結(jié)果可以準(zhǔn)確反映輸送管道中介質(zhì)的pH值，并根據(jù)測(cè)量值，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PVC電動(dòng)閥的開度，將pH值控制在設(shè)定范圍內(nèi)[5]。

對(duì)于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)環(huán)節(jié)所采取的設(shè)計(jì)方案是：分別在兩路輸水母管安裝壓力傳感器，通過實(shí)時(shí)測(cè)量壓力信號(hào)監(jiān)測(cè)渣漿泵出水壓力狀態(tài)；在電機(jī)端蓋部位安裝插入式Pt100熱電阻，實(shí)時(shí)采集電機(jī)軸瓦工作溫度；通過電流互感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)并記錄電機(jī)電流變化趨勢(shì)，以監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；另外，對(duì)于電機(jī)、水泵等設(shè)備的工作啟停狀態(tài)信號(hào)，可通過繼電器干接點(diǎn)進(jìn)行采集。

圖2 沖渣循環(huán)水處理自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)儀表安裝管線圖

2.4 PLC選型

PLC目前已成為工業(yè)控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，它不僅可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時(shí)的閉環(huán)控制功能。PLC抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好、體積小，能在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間、不間斷運(yùn)行。考慮到用戶的使用習(xí)慣和維護(hù)的方便性，本系統(tǒng)選用西門子S7-300 PLC產(chǎn)品。它具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能，可用多個(gè)PLC連接成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成完整的過程控制系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)總線聯(lián)網(wǎng)，也可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)通信。其硬件配置如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)控制器PLC硬件配置

3 PH值控制方案設(shè)計(jì)

3.1 控制原理

由于沖渣循環(huán)水pH值控制要求為8.0±1.5范圍，針對(duì)其變化和波動(dòng)特性，本文采用模糊控制方案來實(shí)現(xiàn)循環(huán)水PH值的自動(dòng)調(diào)節(jié)，主要有參數(shù)可調(diào)整PID和模糊控制器兩部分組成，如圖3所示。

圖3 模糊控制方案

主控制器PID的輸出u與輸入e之間的表達(dá)式為：u=kp·e+ki·∫edt+kd·dedt

其中比例系數(shù)kp=△kp0+kp，積分作用系數(shù)ki=△ki0+ki，微分作用系數(shù) kd=△kd0+kd，式中kp0、ki0和kd0為根據(jù)某一工況設(shè)定的初始值。輸入量為系統(tǒng)設(shè)定值，e（t）=r（t）-y（t）為系統(tǒng)誤差，ec=de（t）/dt為誤差變化率。以誤差和誤差變化率分別作為輸入，△kp、△ki和△kd為模糊控制器的3個(gè)輸出，它們隨著偏差的變化按一定規(guī)律變化，從而實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)自校正。

3.2 模糊控制規(guī)則表制定

模糊控制器的輸入輸出變量的模糊子集分別為：E，EC，△kp、△ki和△kd，各個(gè)變量的語言值為：｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，記為｛NB,NM,NS，ZO，PS，PM，PB｝，論域?yàn)閇-6，6]間的整數(shù)，其隸屬度函數(shù)如圖4、圖5所示。

圖4 e和ec模糊子集的隸屬度函數(shù)

圖5 Δkp、Δki和Δkd的模糊隸屬度函數(shù)

模糊控制器中的量化因子由經(jīng)驗(yàn)公式得出：

通過實(shí)驗(yàn)修正并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得到△kp、△ki和△kd的模糊控制規(guī)則庫如表2、3、4所示。

表2 Δkp模糊規(guī)則表

表3 Δki模糊規(guī)則表

表4 Δkd模糊規(guī)則表

4 工程應(yīng)用

本文應(yīng)用對(duì)象為總裝機(jī)容量100MW的某熱電廠，由三臺(tái)220t/h高溫高壓煤粉鍋爐和兩臺(tái)50MW的汽輪發(fā)電機(jī)組成。設(shè)計(jì)能力為年供電5.24億kWh,外供蒸汽42.95×105GJ。三臺(tái)鍋爐年耗煤約50萬噸,出灰、渣量約10余萬噸。在以上系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文采用西門子S7-300 PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，以Step7梯形圖（LAD）指令語言開發(fā)PLC應(yīng)用控制程序。考慮到液位波動(dòng)變化具有一定的滯后性，并滿足電動(dòng)執(zhí)行器設(shè)備不頻繁動(dòng)作的要求，控制器調(diào)節(jié)周期設(shè)置為7～9秒。控制程序包括一個(gè)FB1功能塊和一個(gè)FC1功能，其中FB1用作PID控制器，F(xiàn)C1用作計(jì)算kp,ki和kd的值。上位機(jī)監(jiān)控軟件以WinCC組態(tài)環(huán)境作為開發(fā)工具，監(jiān)控畫面包括工藝流程監(jiān)視、報(bào)警記錄、歷史趨勢(shì)和參數(shù)設(shè)置幾個(gè)部分，具體實(shí)現(xiàn)功能如下：

4.1 工藝流程監(jiān)視

實(shí)時(shí)顯示液位以及pH值、管道壓力等參數(shù)信息；在排水階段，可監(jiān)視渣漿泵的工作狀態(tài)。

4.2 報(bào)警記錄

對(duì)于液位、pH值等一些重要的參數(shù)變量進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。當(dāng)處于監(jiān)控下的任何一個(gè)變量超過預(yù)先設(shè)定的安全值時(shí)，就會(huì)自動(dòng)彈出報(bào)警對(duì)話框。在該對(duì)話框中操作員可觀察報(bào)警值超出的范圍以及報(bào)警點(diǎn)位置，并采取對(duì)應(yīng)措施。

4.3 歷史趨勢(shì)

在此畫面中，可查詢液位、溫度、壓力、流量和pH值等參數(shù)的歷史趨勢(shì)，操作員還可以檢查過去的過程值記錄，觀察了解這些參數(shù)變量的變化趨勢(shì)。

4.4 參數(shù)設(shè)置

可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)調(diào)節(jié)方式切換，調(diào)節(jié)器、報(bào)警閾值等參數(shù)的設(shè)定。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)目前鍋爐沖灰除渣循環(huán)水處理系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，分析和闡述了控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)、運(yùn)行狀況及所存在的問題，提出了基于PLC控制技術(shù)的自動(dòng)化改造方案并予以實(shí)施。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)灰渣泵的啟動(dòng)、停止及增減負(fù)荷控制，灰渣池液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)，灰渣泵前后軸瓦溫度、出口壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)視，以及灰渣泵出入口電動(dòng)閥門、沖灰水泵、軸封泵的遠(yuǎn)程操作，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)管理人員的工作勞動(dòng)強(qiáng)度，并改善了運(yùn)行操作環(huán)境，有效提高了控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。論文通過對(duì)pH值調(diào)節(jié)回路的特點(diǎn)分析，將模糊PID控制技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)中，具有響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本文提出的設(shè)計(jì)方案，通過采用西門子PLC硬件設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)集成，并開發(fā)Step7和WinCC監(jiān)控軟件投入工程應(yīng)用，達(dá)到了較好的生產(chǎn)使用效果。

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