基于力控平臺的卡琳娜循環集散測控系統

章永潔 葉建東 蔣建云 楊旭凱

(1.北京市可持續發展促進會，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集散測控系統

章永潔1葉建東1蔣建云1楊旭凱2

(1.北京市可持續發展促進會，北京 100082；2.天津鼎拓科技有限公司，天津 300134)

為監控卡琳娜循環余熱發電系統運行中的各項參數,并保護超高轉速運行的汽輪機正常工作，設計了基于力控組態軟件的監測系統，實現循環系統的實時監控和保護。

參數監測 卡琳娜循環余熱發電系統 力控組態軟件

卡琳娜循環余熱發電系統(Kalina Cycle)是一種利用氨和水的混合物作為工作介質的新穎、高效的動力循環系統，利用工質相變過程非等溫和改變混合物成分濃度的方法，使得循環在整體上更好地與熱源、冷源相匹配，從而提高熱源利用率，改善循環性能[1]，已被證明在很多領域比傳統動力循環更具優越性[2]。該系統對數據監控和系統運行，尤其是高速運轉的汽輪機的保護有著非常高的要求。

力控組態軟件是一款可以進行數據采集與過程控制的專用軟件[3～5]，DCS系統是隨著工業生產不斷發展而成的一種分布式控制系統，是當今自動化領域技術發展的熱點之一[6～8]。筆者基于力控組態軟件設計了卡琳娜循環集散測控系統，將數據與界面結合，實現對現場數據的實時分析，使現場控制更準確高效。

1 卡琳娜循環系統測點的設計①

卡琳娜循環余熱發電系統的工作流程[9,10]如圖1所示。具有一定質量分數的氨-水基液(8)接收蒸發器吸收熱源的熱量變為高溫溶液(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)進入汽輪機做功，汽輪機帶動發電機工作，從汽輪機出來的乏氣(2)和從高溫回熱器中出來的經節流降壓后的富水溶液(11)在混合器中混合成一定質量分數的氨-水基液(3)，氨-水基液先經過低溫回熱器降溫為基液(4)，再經過冷凝器冷凝成基液(5)，基液(5)經工質泵變為更高壓的基液(6)再進入低溫回熱器中預熱為基液(7)，由低溫回熱器出來的基液(7)進入高溫回熱器進一步預熱成為基液(8)，最終進入蒸發器，完成一個循環。

圖1 卡琳娜循環余熱發電系統的工作流程示意圖

采用控制變量法對各點參數的變化關系進行分析，系統中所需測量的變量有：蒸發器進出口溫度、壓力，膨脹機入口和出口溫度、壓力，冷凝器進出口溫度、壓力，工質泵出口溫度、壓力，熱源進出口溫度，冷源進出口溫度，熱源流量，冷卻水流量，基液質量流量，基液氨濃度和汽輪機轉速。

2 監控系統的搭建

監控系統通過分析后將反饋信號給系統中的電動調節閥或變頻器，實現控制分離器的液位控制和控制點的溫度控制。狀態監測系統直觀地顯示出卡琳娜循環實驗系統工作參數及其運行狀況，并將監控參數實時顯示在可視化界面上。此外，由于汽輪機以超高轉速運行，所以在汽輪機負載失靈的情況下，保護顯得格外重要，而系統會在轉速超過設定值的瞬間，控制旁通液動閥瞬間打開，以降低汽輪機轉速，實現對整個系統的保護。

現場總線是一種全分散、雙向、互聯的通信網絡，用于現場儀表與控制系統之間的通信。本測控系統上位機從傳感器輸入模擬信號，轉換為數字信號后，再通過組態軟件實現對循環系統各部件的參數采集監控和運行部件的實時控制保護。

如圖2所示，卡琳娜循環余熱發電系統的流程界面是依據系統流程和示范工程現場具體安裝情況綜合制作而成的，在界面中加入數據部分，使操作人員更為方便、快捷地了解現場實時運行參數，并能及時反饋進行調節。利用開發軟件的圖形界面系統對流程進行模擬和仿真，使界面具有立體感，可以與現場設備相對應。

圖2 卡琳娜循環余熱發電系統的流程界面

為了方便及時地對所有數據進行匯總并分析，將所有實時數據匯集到一個應用界面(圖3)上，這樣就可以直觀地觀測每一個點的實時數據，并進行控制。

圖3 實時數據顯示界面

在測控系統中，為了將數據和結論以報表形式保存，在上位機軟件中設置了數據間隔10s自動記錄的功能，為避免繁雜而重復的數據出現在報表中，可以人工選擇保存時間段和時間間隔，確保報表數據簡潔并且實用。歷史數據顯示界面如圖4所示。

圖4 歷史數據顯示界面

數據查詢界面如圖5所示，方便查詢記錄時間段內指定時間間隔的數據情況。還可以將查詢條件下的數據保存成文檔，并導出到計算機，數據導出界面如圖6所示。

圖5 數據查詢界面

圖6 數據導出界面

綜上所述，基于力控組態軟件實現的功能有：可視化流程界面顯示、測試數據實時監控、歷史數據記錄和導出、自動生成Excel文件并保存到計算機以便查看分析。

3 結束語

以氨-水溶液為循環工質的卡琳娜循環余熱發電系統是一套復雜的實驗系統，它對各個部件的實驗參數監控和運行保護有較高的要求。筆者基于力控組態軟件工具對監控系統進行設計，通過選擇合適的測試點、傳感設備和儀表，實現了對系統流程的實時監控、系統保護等多項功能，獲得了可視化流程監控界面，能夠對各項參數進行全面監測，并具有完善的數據處理分析功能。對于溫度、壓力及流量等數據的測量精度高，界面直觀方便、操作簡單且自動化程度高。

[1] 張穎,何茂剛,賈真,等.Kalina循環的熱力學第一定律分析[J].動力工程,2007,27(2):218～222.

[2] 陳效儒.介紹一種熱力循環(Kalina)循環[J].上海電力,1995,8(3):18～19.

[3] 劉素娟.基于力控軟件的鍋爐變頻補水控制系統[J].化工自動化及儀表,2015,42(5):582～584.

[4] 王麗艷.基于組態技術的蒸汽鍋爐控制系統[J].電子設計工程,2014,22(1):88～90.

[5] 甘明,魏天星,廖全飛.組態軟件與SQL數據庫在橡膠配料控制系統的應用[J].化工自動化及儀表,2012,39(5):647～649.

[6] 付揚.集散控制系統組態軟件的設計與實現[J].基礎自動化,2001,8(2):57～58.

[7] 陳其松,陳孝威.基于CAN和傳統集散控制系統的Ethernet[J].自動化與儀表,2007，(2):49～52.

[8] 王楠,贠衛國,王冰.DCS在2×660MW機組脫硫控制系統中的應用與分析[J].化工自動化及儀表,2015,42(7):818～822,837.

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[10] 李惟毅,梁娜,孟金英,等.基液氨濃度對卡琳娜循環不同目標參數的影響[J].化工進展,2015,34(4):957～964.

TH865

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1000-3932(2016)10-1119-03

2016-08-15(修改稿)

北京市科技計劃項目(Z111100058911008)