锅炉补给水处理控制系统的设计优化

2011-07-05朱孟强

仪器仪表用户 2011年5期

朱孟强

(国核电力规划设计研究院，北京100094)

0 引言

在火力发电厂中，水既是热力系统的工作介质，也是某些热力设备的冷却介质。在电厂运行的过程中，需要消耗大量的水。为了维持火电厂热力系统汽水循环的正常运行，就需要补充大量的除盐水。

火力发电厂运行时，几乎所有的热力设备中都有水或汽在流动，所以水质的优劣，直接影响到发电厂安全经济运行。威海三期锅炉补给水处理系统设计水源为海水反渗透(SWRO)系统的出水，海水淡化方案采用澄清、超滤，为膜法海水淡化工艺。锅炉补给水处理系统采用两级反渗透加电除盐(RO-RO-EDI)工艺，一级反渗透作为预脱盐装置，脱除水中大部分的溶解盐类、颗粒、活性硅;二级反渗透和EDI作为精脱盐装置，进一步脱除水中微量的溶解盐类、活性硅，使整个系统的出水达到超超临界锅炉补给水水质的要求，满足热力系统安全运行的需要［1］。锅炉补给水的预处理工艺在海水淡化系统进行，同时采用了两级反渗透加电除盐的工艺，使锅炉补给水处理系统大大简化，需控制的阀门和监督仪表也相应的减少，I/O测点不足500点。

1 系统方案的选择及其工艺流程

1.1 方案的选择

目前在火力发电厂水处理工艺中有三种方式：

1)预处理→阳床/阴床→混床

2)预处理→反渗透→混床

3)预处理→反渗透→EDI

第一种方式为传统的除盐方式，水中的盐全部依靠离子交换的方式除去，需要大量酸碱溶液对离子交换树脂再生，因此运行费用增加，并且再生后的排水对环境也有一定的污染。

第二种方式为改良的除盐方式，水中的大部分盐类用反渗透方式除去，但混床中交换树脂的再生仍需要酸碱。因此，此种方式只是改良后的除盐方式，运行费用稍有降低，对环境也有污染。

第三种方式为绿色的除盐方式，它具有高脱盐率、自动化程度高、环保、运行成本低等优点，且价格也逐渐稳定经济。

综合对比以上三种水处理方式，我们选择第三种方式作为本工程锅炉补给水处理的方案。

1.2 工艺系统的流程

威海三期锅炉补给水系统的工艺流程为：海水淡化箱出水→一级淡水反渗透给水泵→一级反渗透保安过滤器→一级反渗透装置→一级淡水箱→二级淡水反渗透给水泵→二级反渗透保安过滤器→二级反渗透装置→二级淡水箱→EDI给水泵→EDI保安过滤器→EDI装置→除盐水箱。

海水淡化系统出力为300t/h，一级反渗透的出力为180t/h，二级反渗透的出力为160t/h，EDI系统的出力为140t/h，即系统的最终出力为140t/h，能够满足两台机组的运行需求。

2 系统的控制要求和控制水平

锅炉补给水控制系统主要包括锅炉补给水系统和公用水泵房系统。考虑到化水车间离公用水泵房较近，把公用水泵房系统以远程I/O的方式接入锅炉补给水控制系统，锅炉补给水控制系统留有公用水泵房系统的通讯接口。锅炉补给水控制系统采用PLC+上位机的控制模式，可以通过以太网交换机与水网其他控制系统进行通讯。PLC选用AB公司的第三代主流处理器ControlLogix 1756-L61，采用双机热备冗余配置。整个系统配电源柜1面、主控柜1面、IO卡件柜4面，布置在化水电子设备间。

锅炉补给水处理控制系统PLC作为全厂水系统控制网络上的一个站点，通过水系统操作员站对锅炉补给水处理工艺系统、公用水泵房的主辅工艺设备的所有被控对象进行监视和单个(或成组)设备的启动和停止操作，包括电动机启、停控制，阀门打开关闭操作、设备启停状态、阀门已开已关状态、远方/就地切换状态和主要工艺参数的监视，并完成设备的联锁保护，实现就地无人值班。

3 控制系统的设计

本工程锅炉补给水处理控制系统共分为四层。系统的底层为设备层，主要完成系统主辅工艺设备的控制和数据采集。第二层为PLC控制层，完成各个PLC分站控制网络集成，负责接收下层输送的数据及上层指令并将指令传送至设备层，完成水网信息层与设备层之间的数据传输和交换。第三层为水网信息层，主要完成对整个系统水处理及其辅助设备的在线监视、控制和保护。最顶层为辅助网络层主要完成水、煤、灰、凝结水精处理和空调自控等系统的在线监视和控制，并传输信息给厂级信息管理系统，厂级信息管理系统再通讯给管理信息系统。整个系统的结构图如图1所示。

图1 控制系统的结构图

3.1 设备层

设备层处于整个控制系统的最底层，主要完成上一层下发的所有控制命令的执行和数据采集。设备层包括各类的传感器、变送器、监视仪表及执行机构。各类变送器从现场采集模拟信号，变送为标准信号，经A/D转换、数字调节运算后，控制各种执行机构。本系统的IO点的监视原则为：气动阀门和电动阀门均采用双电控方案，气动阀门其输入/输出信号按每个气动阀门2DI，2DO考虑，电动阀门的输入/输出信号按每个电动阀门4DI，2DO考虑，各水泵电动机的输入/输出信号按每台电机5DI，2DO和1AI考虑。

系统统一考虑系统内仪表、受控设备及阀门等驱动装置的电源配置。程控系统接受380/220VAC的动力电源，接受220VAC的控制电源。重要负荷需同时有两路不同段电源进线(通常工作电源为UPS，备用电源为工作段)，并配置自动切换装置，实现两路电源的自动切换。系统内其它电压等级的电源，由系统内自行转换分配。

3.2 PLC 控制层

锅炉补给水处理过程中用到大量的阀门、水泵、电动机等机械设备，这些设备需要按照一定的程序、时间和逻辑关系定时启停。工艺过程还需要在一定的温度、压力、流量、液位、PH值等条件的限制。PLC控制的目的是实现数据的采集、控制命令的下发以及工艺信号的联锁等功能。它主要用于实现工艺逻辑控制以及控制算法，并可直接控制电动机及电动阀，同时通过A/D转换器采集现场仪表的输入信号。程序控制应包括锅炉补给水处理装置的投运、停止程序及联锁保护程序。对于顺序控制必须设置必要的分步操作、成组操作、单独操作等，并有跳步、中断或旁路等操作功能，还应设有必要的步骤时间、状态指示和逻辑闭锁功能［2］。

3.3 水网信息层

水网信息层是整个控制系统的核心，它由位于锅炉补给水控制室的LCD操作员站、以太网交换机和controlLogix的监控软件组成，主要完成各设定值的优化计算、设定值的输入、通讯、系统报警、运行管理以及所有工艺参数和设备运行状态的显示。在水网信息层我们采用基于TCP/IP通讯协议的工业以太网(Ethernet)作为网络媒介，网络传输速率为10/100Mbps。LCD操作员站作为主要的人机接口方式，通过LCD画面、键盘和鼠标对过程进行监视和控制。它能对包括锅炉水处理系统在内的各个水系统控制网络站点的工艺过程、运行工况进行监视，并对单个/成套/成组主辅设备的启动和停止进行操作。所有运行参数及报警信息均能通过打印机进行记录并制表［3］。

3.4 辅助网络层

辅助网络层处于整个控制系统的最顶层。水网信息层网络与辅控网络连接，当系统稳定运行后可在机炉集中控制室通过辅控网操作员站实现全厂辅助车间统一监控。辅助网络的集中监控点设在集控室，它是由位于集控室内的计算机、服务器、以太网交换机和辅助网络监控软件组成。辅助网络控制系统克服了原有独立且分散的控制系统的缺点，可最大可能的将运行管理人员减到最少。控制系统在基本不提高造价的情况下，使辅助网络控制系统的水平达到与机组DCS控制系统基本相当的水平，对水、煤、灰网运行状态的实时监控，实现真正的远程控制［4］。

4 锅炉补给水控制系统硬件配置

本工程的基本硬件配置如下：1756-A7和1756-A13机架，1756-PA72电源模块，控制器选择 ControlLogix1756-L61，Controlnet网络模块选择1756-CNBR，ETHERNET/IP网络模块选择1756-ENBT，冗余模块1757-SRM，9个数字量输人模块1756-IB32，5个数字量输出模块1756-0B32、7个模拟量输入模块1756-IF16和3个模拟量输出模块1756-OF8。对于开关量输出采用中间继电器隔离的方式。PLC的各类型I/O点均留有不小于20%的裕度，I/O插槽也留有不小于20%的插槽裕度。

1756-L61控制器是系统的核心，可用软件9324-RLD300NXENE进行编程。控制器安装于1756-A7框架，程序扫描时间为0.08ms/k，典型的IO扫描速度为5ms/k。1756-CNBR支持冗余的Controlnet网通讯，从而实现PLC的CPU与I/O的双工冗余通讯。ControlLogix系列自动化产品还支持以太网络连接方式，在本控制方案中PLC与上位监控站采用冗余的EtherNet网络连接。