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    1 應(yīng)用背景 

                           

    電廠化學水處理系統(tǒng)作為電廠輔機程控系統(tǒng)的重要組成部分，其運行關(guān)系到整個鍋爐的安全性與生產(chǎn)的連續(xù)性，并影響著整個電廠的工作安全性和機組的使用壽命。

    隨著化學水處理工藝的不斷更新變化，復(fù)雜程度越來越高，對系統(tǒng)自動控制的要求也越來越嚴格。一般電廠化學水處理自動控制系統(tǒng)都采用以PLC（可編程邏輯控制器）為主，結(jié)合現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，功能包括對化學水處理過程的自動化控制、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、實時報警、統(tǒng)計打印等。

    基于和利時公司LK的化學水處理系統(tǒng)應(yīng)用解決方案充分發(fā)揮了LK在可靠性、易用性、靈活性等方面技術(shù)的優(yōu)勢。與常規(guī)控制方案相比，具有控制功能更強大、控制水平更高、開放性更優(yōu)秀等方面特點。

    2 電廠化學水處理子系統(tǒng)

    電廠的水處理系統(tǒng)一般包含三個子系統(tǒng)：鍋爐補給水系統(tǒng)、凝結(jié)水處理系統(tǒng)、綜合水（廢水）系統(tǒng)。

    補給水系統(tǒng)由預(yù)處理系統(tǒng)、反滲透預(yù)脫鹽系統(tǒng)、化學除鹽系統(tǒng)、酸堿系統(tǒng)四部分組成，控制范圍還包括水工凈水站。

    凝結(jié)水系統(tǒng)主要工藝流程包括：凝結(jié)水精處理及樹脂再生系統(tǒng)、水汽取樣分析系統(tǒng)、化學加藥系統(tǒng)等幾個部分。凝結(jié)水精處理及樹脂再生系統(tǒng)包括混床、樹脂捕捉器、再循環(huán)泵、旁路及單元內(nèi)所有的管道、管件、閥門、就地儀表等；水汽取樣分析系統(tǒng)包括熱力系統(tǒng)的水汽取樣分析系統(tǒng)和凝汽器檢漏取樣分析系統(tǒng)。熱力系統(tǒng)水汽取樣分析系統(tǒng)由高溫高壓架、儀表盤組成。凝汽器檢漏取樣分析系統(tǒng)由檢漏取樣架和分析儀表盤組成；化學加藥系統(tǒng)由三部分組成：給水及凝結(jié)水加氨系統(tǒng)；給水加聯(lián)氨系統(tǒng)；爐水加磷酸鹽系統(tǒng)。

    廢水系統(tǒng)用來處理電廠的全部廢水，包括灰渣廢水、化學廢水、生活廢水和脫硫廢水等。

    1、鍋爐補給水處理

    其主要目的是將天然水在進入汽水系統(tǒng)之前除去水中的雜質(zhì),一般流程為:天然水→ 混凝沉淀→ 過濾→ 離子交換→ 補給水。主要的控制過程如下：

    混凝沉淀：除去水中的小顆粒懸浮物和膠質(zhì)體物質(zhì)，有化學混凝和電混凝兩種方式。

    過濾處理：除去混凝處理后的水中殘留的少量懸浮物，常采用石英砂或無煙煤或直接過濾。

    化學除鹽：脫除清水含鹽(金屬離子和酸根)，使之成為可供鍋爐使用的無鹽水。包括陽離子交換，去CO2，陰離子交換，混合離子交換等。

    主要控制：濾池、澄清池、加藥設(shè)備、過濾器、陽床、陰床、混床、水箱、泵、風機、酸堿儲存和計量設(shè)備等。

       

    2、凝結(jié)水處理

    凝結(jié)水處理系統(tǒng)包括凝結(jié)水精處理系統(tǒng)和體外再生系統(tǒng)。一般由高速混床、陽樹脂再生罐、陰樹脂再生罐、再循環(huán)泵、樹脂存儲罐、混脂罐、酸堿設(shè)備、沖洗水泵、風機等組成。凝結(jié)水處理系統(tǒng)中的設(shè)備大都是周期性工作的，要求定時進行還原和再生。

            

    i. 凝結(jié)水精處理系統(tǒng)：

    前置過濾器

    前置過濾器的工作狀態(tài)有“備用”、“運行”、“沖洗”三種狀態(tài)。“備用”狀態(tài)是過濾器處于靜止狀態(tài)，要經(jīng)投運程序后才具備運行條件。“運行”狀態(tài)是過濾器正常制水。“沖洗”狀態(tài)是過濾器運行失效后進行反洗等一系列程序。操作方式分為全自動、步進/ 退、點操三種方式。全自動控制按備用—運行—沖洗—備用的順序循環(huán)進行。步進/ 退可以任意啟動某一具體步序，該步結(jié)束后自動停止。每臺設(shè)備只能處于一種狀態(tài)之下。反洗水泵在反洗時一備一用。當?shù)谝慌_水泵啟動失效時自動啟備用泵并報警，程序不中斷，當備用泵也失效時，系統(tǒng)報警，程序中斷。一次門是帶定位器的調(diào)節(jié)閥，該閥開度大小的調(diào)節(jié)在CRT/TFT畫面上以手操方式實現(xiàn)。

    混床和再生設(shè)備

    混床和再生設(shè)備的工作狀態(tài)有“備用”、“運行”、“樹脂輸送”、“再生”。備用狀態(tài)表示混床處于靜止狀態(tài)，床內(nèi)為有效樹脂。運行狀態(tài)表示混床經(jīng)升壓、投運等一系列程序后進入穩(wěn)定制水狀態(tài)。樹脂輸送表示混床失效樹脂送入陽再生塔，再生好的樹脂送回混床。再生表示再生設(shè)備內(nèi)的樹脂進行一系列的再生處理。防止樹脂輸送時混淆兩份樹脂，保證在充分的條件下開始再生，必須建立以下輔助標志：“允許樹脂輸送”和“允許再生”。

    ii. 再生系統(tǒng)：

    再生系統(tǒng)的控制方式與前置過濾器系統(tǒng)的控制方式基本相同。

    3、綜合水（廢水）處理

    廢水系統(tǒng)用來處理電廠的全部廢水，包括灰渣廢水、化學廢水、生活廢水和脫硫廢水等。一般情況下，廢水不作為回收利用的對象，只進行達標水處理排放。工藝比鍋爐補給水系統(tǒng)、凝結(jié)水處理系統(tǒng)簡單，不再贅述。

    3 化學水處理典型工藝介紹

    目前發(fā)電廠水處理的典型工藝有：

    離子交換法

    離子交換法，即利用離子交換樹脂將水中溶鹽的離子吸收。經(jīng)過一定時間的運行以后，離子交換樹脂會失效，這時就需要停止運行以對樹脂進行再生（還原），以便使樹脂可以重新使用（陽離子交換樹脂失效時，使用酸進行再生，陰離子交換樹脂失效時，使用堿進行再生) 。

       

    RO（Reverse Osmosis）反滲透技術(shù)

    RO（Reverse Osmosis）反滲透技術(shù)，是先進和節(jié)能的脫鹽技術(shù)，其原理是利用高分子材料經(jīng)過特殊工藝制成的半透膜，它只容許水分子通過，而不容許溶質(zhì)通過。在高壓泵的壓力作用下，原水中的水壓超過滲透壓，水分子則透過半透膜進入另一側(cè)，從而獲得除鹽水、純凈水。而原水中的溶解和非溶解的無機鹽、重金屬離子、有機物、菌體、膠體等物質(zhì)均無法通過半透膜，被截留在濃水中。

       

    EDI (ElectroDeIonization ) 填充床電滲析

    EDI (ElectroDeIonization ) 填充床電滲析，又稱電去離子法，是一種將離子交換技術(shù)、離子交換膜技術(shù)和離子電遷移技術(shù)相結(jié)合的水處理技術(shù)。利用離子交換能深度脫鹽來克服電滲析極化而導(dǎo)致的脫鹽不徹底，利用電滲析極化而發(fā)生水電離產(chǎn)生H+和OH-離子實現(xiàn)樹脂自再生來克服樹脂失效后通過化學藥劑再生的缺陷，是20世紀80年代以來逐漸興起的新技術(shù)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，EDI技術(shù)已經(jīng)在北美及歐洲占據(jù)了相當部分的市場。

       

    幾種典型工藝的比較

    表1 給出了離子交換、反滲透、電去離子三種典型化學水處理工藝的比較。從表中可以看到，從處理技術(shù)的先進性、處理效果、對環(huán)境的污染等方面電去離子法相對于另外兩種方法具有明顯的優(yōu)勢，發(fā)展前景廣闊，但由于其項目的前期資金投入比較多，對原水水質(zhì)要求較高和其他方面的因素，在國內(nèi)電廠化學水處理工藝上應(yīng)用范圍還很有限。離子交換法和反滲透法需要的項目前期資金投入相對較少，而且在國內(nèi)應(yīng)用比較普遍、工藝比較成熟。

    表1 幾種典型化學水處理工藝的比較表

        

    比較項目 傳統(tǒng)除鹽方式 改良的除鹽方式 綠色的除鹽方式

    處理方法 離子交換 反滲透，RO 電除鹽，EDI

    項目初期投資 低 中 高

    運行費用 高 中 低

    環(huán)境污染程度 高 中 無

    進水水質(zhì)要求 低 中 高

    出水連續(xù)性 低 中 高

    產(chǎn)水率 低 中 高

    出水水質(zhì) 低 中 高

    4 基于LK PLC自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

    目前，離子交換法化學水處理工藝在電廠中應(yīng)用最為普遍，其控制系統(tǒng)主要是通過對水處理設(shè)備，以及相關(guān)的閥門、水泵等設(shè)備的控制，實現(xiàn)整個化學水處理流程的整體投運、設(shè)備切換、清洗再生和整體停運等工序的自動控制。

    化學水處理自動化控制系統(tǒng)由兩臺操作員站、一臺工程師站和三個冗余PLC控制站構(gòu)成。上位計算機系統(tǒng)采用工業(yè)級計算機構(gòu)成功能強大的監(jiān)測與控制系統(tǒng)，計算機上安裝和利時公司的FacView工業(yè)監(jiān)測與控制系統(tǒng)軟件，通過合理的系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)組態(tài)，實現(xiàn)對整個化學水處理工藝流程的動態(tài)監(jiān)視和控制。通過上位計算機系統(tǒng)和強大的工業(yè)控制傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)工藝工程的自動化管理和控制。

    PLC選用和利時公司HOLLiAS LK系列PLC冗余控制器，控制系統(tǒng)采用雙機熱備冗余方式，通過遠程I/O的方式連接現(xiàn)場需要監(jiān)測與控制的點。冗余的主控制站可以保證系統(tǒng)的停機維護時間為零，最大限度的減少人對系統(tǒng)的干預(yù)。主控制系統(tǒng)熱備系統(tǒng)和遠程I/O控制站之間采用高性能的冗余PROFIBUS-DP工業(yè)總線傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息的可靠、安全、穩(wěn)定的傳輸。

       

    PROFIBUS-DP是一種高速和便宜的現(xiàn)場總線，它專門設(shè)計為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散的I/O之間進行通信使用。

    上位計算機系統(tǒng)與PLC控制單元之間采用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)屬國際標準，工業(yè)以太網(wǎng)已達到高傳輸安全性和可靠性要求，現(xiàn)已廣泛用于程序維護、向MIS和MES系統(tǒng)傳遞工廠數(shù)據(jù)、監(jiān)控、連接人機界面、記錄事件和告警。工業(yè)以太網(wǎng)具有高傳輸速率(目前達到100Mbps)、交換機技術(shù)的確定性、不需考慮網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、傳輸物理介質(zhì)多樣(雙絞線、光纖)、網(wǎng)絡(luò)的擴展等優(yōu)點。

    通過以太網(wǎng)絡(luò)將上位計算機系統(tǒng)和現(xiàn)場監(jiān)測與控制點緊密的結(jié)合為一個整體，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。在這樣高速傳輸網(wǎng)絡(luò)上，可以很方便的利用PLC系統(tǒng)所特有的功能，實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的計算機在線遠程診斷功能。

        

    本化學水處理系統(tǒng)控制系統(tǒng)解決方案選用LK中支持冗余功能的CPU，其基本模塊性能如下：

?  型號：LK210 支持冗余

    處理器主頻：533 MHz

    存儲器：用于程序：16MB；用于數(shù)據(jù)：64MB＋1MB掉電保持

    指令執(zhí)行時間：位操作，最小0.013?s；字操作，最小：0.013?s；浮點數(shù)加法，最小：0.2?s

    I/O點容量：數(shù)字量通道，最大57344；模擬量通道，最大3584

    通信接口：2路以太網(wǎng)接口、2路PROFIBUS-D總線接口，2路串行接口

    支持冗余、支持帶電插拔

    供電電壓：20.4～28.8VDC

    支持多任務(wù)運行，最多支持32個任務(wù)

    以某自備電廠的水處理系統(tǒng)中的補給水系統(tǒng)為例，系統(tǒng)采用RO反滲透+離子交換處理工藝，系統(tǒng)包含6組機械過濾器，4組RO，3組混合離子交換器，水泵（清水泵3，反洗泵1，高壓泵4，中間泵3，沖洗泵1，卸酸1，卸堿1，除鹽2，再生3，清洗
1）。控制系統(tǒng)主要設(shè)備配置如下：

       

    序號 模塊名稱 型號及規(guī)格 數(shù)量

    控制站（DI:260 DO:162 AI:66 RTD:21 A0:13）

    1 電源模塊5A LK910,電源模塊，輸入120/230VAC，輸出24VDC，5A 6

    2 CPU模塊 LK210,冗余CPU模塊，533MHZ，位指令0.013ms/K，程序16M，數(shù)據(jù)64MB＋1MB掉電保持區(qū) 2

    3 通信接口模塊 LK231,PROFIBUS-DP通信接口模塊 5

    4 16點數(shù)字量輸入模塊 LK610,16通道數(shù)字量輸入模塊，12/24V DC，漏型 17

    5 16點數(shù)字量輸出模塊 LK710,16通道常開晶體管輸出模塊，24V DC 11

    6 8點模擬量輸入模塊 LK411,8通道模擬量輸入模塊，16位，電流信號 9

    7 4點模擬量輸出模塊 LK511,4通道模擬量輸出模塊，12位，電流信號，隔離 4

    8 6點熱電阻輸入模塊 LK430，6點熱電阻， 4

    9 本地背板 LK121,本地背板，冗余CPU插槽，10 IO槽 1

    10 擴展背板 LK111,本地背板，10 IO槽 4

    11 擴展電纜 3M LKX002 2

    12 占空模塊 LKC131 3

    13 LK I/O端子矮蓋板 LKC110 48

    14 I/O端子矮蓋板透明標簽 LKL022 48

    15 I/O底板編碼銷轉(zhuǎn)動工具 LKF003 1

    5 系統(tǒng)功能

    本軟件系統(tǒng)是以微軟公司的Windows 2000/Windows XP為工作平臺使用和利時公司FacView 監(jiān)控組態(tài)軟件開發(fā)出來的，全中文組態(tài)，功能強大，易學易用，完全開放。

    軟件系統(tǒng)按工藝過程設(shè)計有足夠多的監(jiān)控畫面，對每一個工藝處理過程都可監(jiān)控及操作。各監(jiān)控界面可用于監(jiān)視流程狀態(tài)也可在畫面上對流程實施操作，將整個工藝流程在監(jiān)控畫面上反映出來，同時畫面以虛擬儀表的方式實時顯示現(xiàn)場的信息，具有直觀、動態(tài)、實時的效果。

        

    運行人員可通過計算機對整個化學水處理系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)過程狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、實時圖形監(jiān)視、實時報警、統(tǒng)計打印等。即運行人員在控制室就可以對報表、圖形實時查詢，對生產(chǎn)情況進行了解并作出指導(dǎo)，實現(xiàn)生產(chǎn)管理自動化，并可與上位機聯(lián)網(wǎng)通訊，提高全廠自動化水平。

    化學水處理系統(tǒng)控制方式設(shè)計為現(xiàn)場設(shè)備就地手動控制、遠程手動控制、遠程自動控制三種控制模式。即使在程控系統(tǒng)完全故障的情況下還可以通過就地控制實現(xiàn)手動制水，保證機組鍋爐的可靠用水。控制箱上選用3位選擇開關(guān)，分別為就地開、就地關(guān)、遠程控制。選擇遠程控制時，控制閥由操作員在操作站上控制。操作員可以在操作站對控制閥進行狀態(tài)監(jiān)視和動作控制，對控制閥的控制可分選擇自動和手動方式。在自動方式時控制閥受PLC邏輯程序控制，在手動方式時控制閥由操作員直接在操作界面上點擊控制。

        

    具體控制程序設(shè)計包括：

    正常制水程序控制

    水箱水位控制

    制水設(shè)備自動切換投運的控制

    機械過濾器的清洗、自動切換控制

    除鹽與反洗、再生的全自動周期運行控制

    陰床、陽床的再生程序控制

    混床再生的自動周期運行控制

    加酸、加堿系統(tǒng)控制

    廢酸、廢堿中和系統(tǒng)控制

    壓縮空氣系統(tǒng)控制

    其他控制功能

        

    一級除鹽設(shè)備的投運和再生由PLC實現(xiàn)自動控制，也可通過鍵盤和鼠標在控制室內(nèi)的操作站上進行遠方操作。一級除鹽設(shè)備的出水導(dǎo)電率超過規(guī)定值或周期制水量達規(guī)定值時，自動解列并報警，然后自動投入再生程序。混合離子交換器的投運和再生由PLC實現(xiàn)自動控制，或者通過鍵盤和鼠標進行遠方操作。當混合離子交換器出水導(dǎo)電率和二氧化硅超過規(guī)定值，或周期制水量達規(guī)定值時，自動解列并報警，然后自動投入再生程序。高效過濾器和活性碳過濾器由PLC實現(xiàn)自動控制，也可采用鍵盤和鼠標在控制室內(nèi)的操作站上進行遠方操作。當其進出口壓差超過規(guī)定值，或周期制水量達規(guī)定值時，自動解列并報警，然后自動投入反洗程序。以上操作以前都由操作人員執(zhí)行，執(zhí)行新系統(tǒng)后上述操作都可以不需要操作人員干預(yù)。

    中間水箱水位由PLC實現(xiàn)自動控制(通過調(diào)節(jié)陽床入口調(diào)節(jié)閥)，使一級除鹽系統(tǒng)投運時中間水箱水位穩(wěn)定在正常位置。中間水泵啟停與中間水位聯(lián)鎖，低液位啟泵、高液位停泵，保證中間水泵的安全使用。

        

    閥門、泵等的控制狀態(tài)顯示，自動/手動/就地操作和選擇聯(lián)鎖。系統(tǒng)所有流量、壓力可在操作界面上實時監(jiān)視，原水流量、陰床出口流量、混床出口流量顯示積算并作歷史紀錄，可分別查看一級除鹽、混床再生制水量。

    系統(tǒng)控制每列除鹽裝置的投運、停止和再生程序、自動加酸加堿程序、自動/半自動啟動另一列除鹽裝置程序等。對于順控設(shè)置必要的分步操作、成組操作或單獨操作等，并有跳步、中斷或旁路等操作功能。系統(tǒng)投運以及活性炭清洗、一級除鹽再生和混床再生可由系統(tǒng)自動完成或操作員步延、步進手動干預(yù)，在操作站界面上顯示各步驟設(shè)定時間和剩余時間以及步進、步延指示等。

    為便于管理，查找誤操作的時間，在控制系統(tǒng)中設(shè)有操作記錄畫面，可以隨時反映操作員的工作記錄。在參數(shù)設(shè)置畫面中具有工程師級別的人員可以根據(jù)情況修改每個步序的時間長度。在打印生產(chǎn)報表畫面中操作員可以根據(jù)需要隨時打印生產(chǎn)報表。由excel在制表方面的特長，所以報表的格式可以隨心所欲。

    6 系統(tǒng)特點

    系統(tǒng)先進、可靠、性能價格比高

    系統(tǒng)自動化水平高，有利于保證生產(chǎn)連續(xù)、穩(wěn)定和出水水質(zhì)的穩(wěn)定性

    系統(tǒng)控制方式多樣，具有完善的聯(lián)鎖、保護功能，自適應(yīng)能力強

    系統(tǒng)運行方式多樣，設(shè)置有程控、步進、單操、就地手動等功能

    上位監(jiān)控軟件功能豐富、完備，操作靈活、維護方便

    優(yōu)良的開放性和可擴展性，預(yù)留與其他系統(tǒng)的通訊接口

    7 結(jié)束語

    作為電廠工藝流程中的重要的環(huán)節(jié)，化學水處理系統(tǒng)自動控制在整個電廠的自動控制系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位。它的工作狀態(tài)將直接影響整個鍋爐系統(tǒng)的安全性與經(jīng)濟性，并影響到整個電廠的工作穩(wěn)定性與可靠性。本文總結(jié)了和利時公司LK在化學水處理自動控制系統(tǒng)中的項目實踐經(jīng)驗，并在此基礎(chǔ)上完善了系統(tǒng)設(shè)計和功能，為保證整套水處理設(shè)備安全、高效、穩(wěn)定運行提供了更加合理的解決方案，具有很好的借鑒和推廣價值。

    參考文獻

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