热电厂锅炉冲灰除渣循环水控制系统设计与应用

吴 宁

（1 安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

（2 安徽机械工业学校机电部，安徽 淮南 232052）

1 引言

锅炉冲灰除渣循环水处理系统是热电厂生产过程的关键环节，直接影响热电厂锅炉的安全、稳定和可靠运行。整个系统由蓄水沉淀池、冲灰水泵、渣浆泵、储酸罐、进出水管道等部分组成。其工艺流程为：冲灰水泵将清水池的水送至锅炉，冲灰除渣后的冲灰水将携带锅炉燃烧后的灰渣送至灰渣池，使粉煤灰沉淀后,清水通过灰库内的溢流井送到灰坝泵房,再用泵将清水送回厂内的回水泵房进行再次冲灰,循环利用，不仅大大节约了水资源的使用量，也减少了废水的排放，对于节能环保有着巨大的经济与社会效益。目前冲渣循环水系统的压力、流量、液位、pH值和渣浆循环泵监控主要采用人工手段进行，不仅劳动强度大、自动化程度较低，而且准确性和可靠性难以保证，若调整不及时，会造成灰渣池抽空、灰渣泵及出口管道堵塞、振动，影响灰渣系统安全经济运行，一旦发生事故，将造成难以估量的损失。因此，实现冲灰除渣循环水系统的自动监控具有重要意义。为此，本文提出了基于PLC控制的系统解决方案。通过控制软件实现对灰渣泵的启动、停止及增减负荷控制，灰渣池液位的自动调节，灰渣泵前后轴瓦温度、出口压力的实时监视，以及灰渣泵出入口电动阀门、冲灰水泵、轴封泵的远程操作。

2 系统设计方案

2.1 技术要求分析

分析和研究[1，2，3]表明：实现冲灰除渣循环水系统的自动监控的基本技术要求如下：

①系统运行工况参数的自动监测与报警

②冲渣循环水处理过程的自动控制

③监测数据自动记录与查询

④具有手动和自动控制切换功能

其中，工况参数的自动监测与报警是一项必不可少的要求，因为在生产过程中，存在大量的工况变量，如水泵压力、驱动电机轴瓦温度、进出水流量、蓄水池液位和循环水pH值等，需要对其进行实时采集和监测；另外，循环水处理过程的自动控制，即实现蓄池液位和循环水pH值的自动调节以及渣浆泵启停的连锁控制也是一个重要环节，必须充分确保在线调节的实时性和连锁控制的安全可靠性；其次，实现系统状态监测数据的自动保存和历史数据报表的在线调阅，保证运行管理人员操作的便利性也是一项重要指标。

2.2 系统组成

根据冲渣循环水处理系统的工艺原理和控制技术要求，本文设计了如图1所示的控制系统方案。控制系统设计采用两级分布式结构，即基础自动化级（简称L1系统）和过程计算机级（简称L2系统）。基础自动化级采用SIEMENS的S7-300系列的PLC产品，主要负责对整个冲渣循环水处理系统的自动控制、过程实时数据的采集与监视、过程与设备状态的监视与报警、过程趋势数据的采集与处理、以及过程计算机所需数据的收集、处理和传输，或接收过程计算机送来的指令数据等。过程计算机级采用了1台研华IPC-610MB工控机，布置在回水泵房值班室。利用双网卡的连接方式，采用标准的TCP/IP通信协议，一端连接二级网络，一端连接一级网络，实现了一、二级系统之间的隔离。过程计算机级主要实现对整个冲渣循环水处理过程监控和管理，完成与基础自动化级系统以及其他前后工序过程计算机的数据交换和信息通讯等，其主要处理功能包括：过程数据的监视及报警、系统参数的调整与设定、数据报表的存档和打印等。L1和L2级的软件开发平台分别是Step7 V5.4和SIMATIC WinCC。

图1 控制系统方案制结构

2.3 传感器配置

考虑到冲渣循环水处理工艺的特点及控制过程的复杂性，系统传感器配置、检测点的位置和取源部件的安装均按照设计要求以及自动化仪表工程施工标准及规范进行，主要包括液位和pH值监控以及系统运行状态参数检测三个部分，如图2所示。

根据检测对象的介质特性、液位检测采用非接触式雷达液位传感器，以保证可靠性，液位控制采用电动调节阀。由于冲渣循环水的pH值一般超标（高达11以上），长期运行不仅影响循环水的利用率，而且使回水管的结垢速度加快、管径变小,影响冲灰水系统的正常运行,为此采用硫酸自动加酸装置处理方案,即将pH取样点设置在泵前入口处，以保证测量结果可以准确反映输送管道中介质的pH值，并根据测量值，实时调节PVC电动阀的开度，将pH值控制在设定范围内[5]。

对于设备运行状态检测环节所采取的设计方案是：分别在两路输水母管安装压力传感器，通过实时测量压力信号监测渣浆泵出水压力状态；在电机端盖部位安装插入式Pt100热电阻，实时采集电机轴瓦工作温度；通过电流互感器，实时检测并记录电机电流变化趋势，以监控电机运行状态；另外，对于电机、水泵等设备的工作启停状态信号，可通过继电器干接点进行采集。

图2 冲渣循环水处理自动化监控系统仪表安装管线图

2.4 PLC选型

PLC目前已成为工业控制系统的主流产品，它不仅可实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能。PLC抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行。考虑到用户的使用习惯和维护的方便性，本系统选用西门子S7-300 PLC产品。它具有很强的网络功能，可用多个PLC连接成工业网络，构成完整的过程控制系统，既可实现总线联网，也可实现点到点通信。其硬件配置如表1所示。

表1 现场控制器PLC硬件配置

3 PH值控制方案设计

3.1 控制原理

由于冲渣循环水pH值控制要求为8.0±1.5范围，针对其变化和波动特性，本文采用模糊控制方案来实现循环水PH值的自动调节，主要有参数可调整PID和模糊控制器两部分组成，如图3所示。

图3 模糊控制方案

主控制器PID的输出u与输入e之间的表达式为：u=kp·e+ki·∫edt+kd·dedt

其中比例系数kp=△kp0+kp，积分作用系数ki=△ki0+ki，微分作用系数 kd=△kd0+kd，式中kp0、ki0和kd0为根据某一工况设定的初始值。输入量为系统设定值，e（t）=r（t）-y（t）为系统误差，ec=de（t）/dt为误差变化率。以误差和误差变化率分别作为输入，△kp、△ki和△kd为模糊控制器的3个输出，它们随着偏差的变化按一定规律变化，从而实现了PID参数自校正。

3.2 模糊控制规则表制定

模糊控制器的输入输出变量的模糊子集分别为：E，EC，△kp、△ki和△kd，各个变量的语言值为：｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，记为｛NB,NM,NS，ZO，PS，PM，PB｝，论域为[-6，6]间的整数，其隶属度函数如图4、图5所示。

图4 e和ec模糊子集的隶属度函数

图5 Δkp、Δki和Δkd的模糊隶属度函数

模糊控制器中的量化因子由经验公式得出：

通过实验修正并结合实际运行经验得到△kp、△ki和△kd的模糊控制规则库如表2、3、4所示。

表2 Δkp模糊规则表

表3 Δki模糊规则表

表4 Δkd模糊规则表

4 工程应用

本文应用对象为总装机容量100MW的某热电厂，由三台220t/h高温高压煤粉锅炉和两台50MW的汽轮发电机组成。设计能力为年供电5.24亿kWh,外供蒸汽42.95×105GJ。三台锅炉年耗煤约50万吨,出灰、渣量约10余万吨。在以上系统方案设计的基础上，本文采用西门子S7-300 PLC作为现场控制器，以Step7梯形图（LAD）指令语言开发PLC应用控制程序。考虑到液位波动变化具有一定的滞后性，并满足电动执行器设备不频繁动作的要求，控制器调节周期设置为7～9秒。控制程序包括一个FB1功能块和一个FC1功能，其中FB1用作PID控制器，FC1用作计算kp,ki和kd的值。上位机监控软件以WinCC组态环境作为开发工具，监控画面包括工艺流程监视、报警记录、历史趋势和参数设置几个部分，具体实现功能如下：

4.1 工艺流程监视

实时显示液位以及pH值、管道压力等参数信息；在排水阶段，可监视渣浆泵的工作状态。

4.2 报警记录

对于液位、pH值等一些重要的参数变量进行实时报警。当处于监控下的任何一个变量超过预先设定的安全值时，就会自动弹出报警对话框。在该对话框中操作员可观察报警值超出的范围以及报警点位置，并采取对应措施。

4.3 历史趋势

在此画面中，可查询液位、温度、压力、流量和pH值等参数的历史趋势，操作员还可以检查过去的过程值记录，观察了解这些参数变量的变化趋势。

4.4 参数设置

可实现手动与自动调节方式切换，调节器、报警阈值等参数的设定。

5 结束语

本文针对目前锅炉冲灰除渣循环水处理系统的生产工艺，分析和阐述了控制系统的技术特点、运行状况及所存在的问题，提出了基于PLC控制技术的自动化改造方案并予以实施。从而实现对灰渣泵的启动、停止及增减负荷控制，灰渣池液位的自动调节，灰渣泵前后轴瓦温度、出口压力的实时监视，以及灰渣泵出入口电动阀门、冲灰水泵、轴封泵的远程操作，大大降低了现场管理人员的工作劳动强度，并改善了运行操作环境，有效提高了控制系统运行的稳定性和可靠性。论文通过对pH值调节回路的特点分析，将模糊PID控制技术应用于该系统中，具有响应速度快，抗干扰能力强、鲁棒性好等优点。根据本文提出的设计方案，通过采用西门子PLC硬件设备进行系统集成，并开发Step7和WinCC监控软件投入工程应用，达到了较好的生产使用效果。

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