“无人值守”化学水处理系统技术开发及应用

贺 超，尹立新，傅远雄，安子健

（北京京能未来燃气热电有限公司，北京102207）

发电机组中的水作为热能动力的工质，类似人体中血液，起着能量传递的作用。水汽循环系统中对作为热力系统工作介质及冷却介质的水有严格的水质要求，如高压锅炉给水不仅要求硬度低、溶氧量极微、固体含量和有机物含量也极微小。据近年来的统计，我国大型火电厂因锅炉省煤器、水冷壁、过热器、再热器管道（简称“四管”）爆破引起的停机事故，占锅炉设备非计划停用时间的70%，其中化学因素占有一定的比重，所以没有达到给水标准的水将会使发电厂设备无法安全经济运行，需要严格控制用水水质。随着电厂机组容量增大，自动化水平提高，运行人员减少，化学水质监测仪表的测量水平逐步提高，化学制水系统在现代电厂中显得越来越重要。

“无人值守”化学水处理系统的目的是在人员有限的情况下，尽可能提高系统自动化水平，实现系统根据运行工况自动投运，自动调节加药量，制出合格的除盐水，保障系统安全稳定运行，以期达到逐步实现化学制水系统无人值守的目的。

1 “无人值守”化学水处理系统技术原理

1.1 制水系统组成及工艺流程

北京京能未来燃气热电厂E级一拖一燃气机组的制水系统，由蓄水水池系统、PCF纤维过滤器系统、超滤系统、一级反渗透系统、二级反渗透系统、电除盐系统组成。

本工程的锅炉补给水处理系统主要工艺流程如下：进厂后的城市再生水→主厂房生水加热器→原水箱→原水泵→PCF纤维过滤器→超滤→清水箱→清水泵→一级反渗透→除碳器→一级淡水箱→一级淡水泵→二级反渗透→二级淡水箱→二级淡水泵→EDI给水泵→EDI→除盐水箱→除盐水泵→主厂房。

二级反渗透浓水回收至清水箱。

为了监测水质和控制运行，系统中安装有在线仪表和控制设备，如压力变送器、温度测量元件、流量表变送器、浊度表、导电率表、余氯表、p H表、硅表等就地和远传设备，以满足化学制水系统全自动无人职守运行方式，由控制室操作员对水处理系统进行监视和运行操作。

控制系统采用了德国西门子公司的T3000控制系统，就地所有远传仪表数据都被采集进入该系统、所有设备都由该系统控制运行。化学制水控制系统可以分成EDI子程控系统、一级反渗透子程控系统、二级反渗透子程控系统、预处理子程控系统。

各个子系统可以单独运行制水，并采用了PID控制器改变加药泵的频率对加药量进行调节，通过调节变频器的频率改变系统出力。

1.2 EDI子程控子系统

EDI子系统包括1～2号除盐水箱、1～2号EDI装置、1～2号除盐水泵、1～3号给水泵、二级淡水箱、电导率表、硅表等设备。其中每次EDI系统启动1～2号EDI装置会按顺序启动，共同制水，当有一套出现问题时退出自动，单独运行一套。1～2号除盐水箱液位高度为0～6.7 m，两个水箱联通，当有一个水箱检修时，可以手动退出逻辑关联。1～3号给水泵为工频运行，正常启动时一台备用，两台运行。

程序增加设计了根据液位自动启停制水的控制程序：当除盐水箱液位低于5 m、淡水箱液位大于1.5 m时，EDI系统启动，1号EDI给水泵首先启动，如果EDI出口母管电导率不大于0.4μs／cm则启动1号EDI装置，启动完成后，顺序投入2号EDI装置。如果除盐水箱液位大于6.7 m、二级淡水箱液位小于1.3 m时，EDI装置退出运行。

1.3 二级反渗透子程控

二级反渗透系统包括1～2号中间水箱、1～2号高压给水泵、1～2号二级RO系装置、淡水箱、加碱系统。

该系统也采用了以液位为控制参数的控制程序，当淡水箱液位低于1.6 m、中间水箱液位大于1.2 m时，二级反渗透系统启动。由于该系统需要加碱以调节系统入口的PH，二级反渗透系统有加药泵2台，每套二级RO系统配一台加药泵，为变频控制，控制中应用了T3000系统的CCTRL逻辑控制块，该逻辑块带有PID调节兼人机接口功能，如图1。

图1 PID控制逻辑

当系统给水PH与设定值比较偏小时增加变频器频率，当系统给水PH与设定值比较偏大时减小变频器频率输出，运行人员可以手动设置系统PH设定值。

当给水泵启动后，顺序启动1号二级RO系统，并启动1台加药泵，当1号二级反渗透系统产水电导小于0.03μs／cm后，关闭产水超标排放阀，并投入2号二级RO系统。

高压给水泵为变频控制，控制参数选取二级RO系统一段压力，运行人员可以给定该压力值，经过PID运算改变变频器的频率，改变系统出力，并保证系统压力工作在安全范围内，防止系统压力过大造成管道破裂。

当二级淡水箱液位高于2.7 m或者中间水箱液位低于1.2 m时停止制水，按照停止制水程控依次停止各设备，退出制水。

1.4 一级反渗透子程控

一级反渗透系统包括1～2号中间水箱、1～4号高压给水泵、1～3号一级RO系装置、1～2号超滤水箱、加酸装置、加还原剂装置。

该系统也采用了以液位为控制参数的控制程序，当中间水箱液位低于1.3 m、超滤水箱液位大于1.5 m时一级反渗透系统自动开始制水。二级反渗透装置共有3套，分成两组轮流制水，1号一级反渗透装置、2号一级反渗透装置为一组，3号一级反渗透装置为另外一组，两组装置轮流运行。但是西门子T3000系统中没有合适的逻辑功能块，根据系统运行需要自主设计D触发器，应用D触发器的分频功能达到两套装置轮流运行的目的。D触发器结构原理图如图2。

加药系统在给水泵启动的同时启动，通过加酸、加还原剂调节一级反渗透装置的ORP、电导率、余氯值。加酸计量泵、阻垢剂计量泵、还原剂计量泵各5台，系统根据ORP仪表、电导率仪表、余氯表的在线测量值调节投入计量泵的数量及频率。并根据仪表的数值调节计量泵的频率将电导率值、溶解氧值、氯值控制在合理的范围内。

图2 D触发器原理图

1.5 预处理子程控

预处理系统包括1～2号超滤水箱、1～2号超滤装置、1～2号PCF装置、1～3号原水泵、1～2号原水箱、次氯酸钠计量泵2台、酸计量泵2台，碱计量泵2台。

该系统采用了以超滤水箱、原水箱液位为控制参数的控制程序，当超滤水箱的液位低于2 m、原水箱液位大于1.5 m时，系统自动开始制水。1～2号原水泵、1～2号PCF装置轮流投入运行，同样采用了D触发器来选择需要运行的原水泵及PCF装置，系统根据原水泵出口母管的压力设定值来自动调节原水泵的频率。设定值为1.35 MPa，当原水泵出口母管的压力小于设定值时，增加原水泵变频器频率；当原水泵出口母管的压力大于设定值时，减小原水泵变频器频率。

1～2号超滤装置依次投入，当产水浊度小于0.06 NTU时，关闭超滤反洗超标气动阀，开始向超滤水箱制水，当水箱水位达到设定值后系统停止制水。

1.6 水箱水位测量系统滤波技术

北京某燃气热电厂化学制水系统共有水箱10个，水位测量装置采用了超声波物位计。超声波物位计是通过测量超声波的反射声波来测量水位，由于水箱采用的是上进水方式，容易对反射声波造成干扰，致使水位不稳定，如图3所示。

图3 水位波动曲线

由图3可知，当系统开始向水箱中制水时，水位开始波动，当停止向水箱中制水时水位波动现象停止。水位的波动会使液位测量超过水位设定阀值，产生误动，对系统自动的投运和停止造成了不利。为解决水位波动对系统自动运行的影响，根据水位波动曲线波动频率高、时间短的特点，特设计了如图4滤波程序。

图4 滤波程序

由于物位计的测量信号波动大，首先测量信号经过SPC模块，SPC模块可以设置输出值的提升速率和下降速率，如果输入信号突然增大，SPC输出信号和原始信号做比较。如果偏差小于0.04 m则输出值等于原始信号；如果偏差大于0.04 m则输出值等于SPC输出值。此滤波程序改善了液位测量信号，使信号平稳，如图5所示。

图5 滤波后液位曲线

2 结 论

在该技术研究设计过程中，配合系统的运行特性及设备特点，实现了系统的自动投运、自动退出，子系统中多个设备轮流运行，根据水质参数自动调节加药量的目标。系统中D触发器的设计应用为系统的设备运行提供了很大便利。

针对超声波测量液位波动大的问题，设计超声波物位计滤波程序，使液位测量信号平滑，满足了系统自动运行的要求。

该系统投运后，取得了很好的应用效果，电厂精简了制水系统运行人员，只需要配置必要的巡检及化验人员，基本达到了“无人值守”的目的，大大节省人力成本，提高了设备资源利用率，具有很好的示范意义，是“智能电厂”的重要组成部分。

3 节能减排及经济效益

该技术投运后，化学制水系统可以自动运行，大大节省了人力，精简了运行人员。按照精简6个人，每个人按照10万元／年计算，可以为电厂每年节省费用60万元，充分利用了西门子DCS控制系统的设备资源。本技术成果成功应用于电厂的化学制水系统，验证了本项技术的可行与合理，提高了经济效益、控制系统利用率，为今后电厂项目的建设提供了参考和借鉴。

［1］马 阳.火电厂化学水处理控制系统设计与开发［D］.沈阳：东北大学，2008.

［2］胡寿松.自动控制原理［M］.北京：清华大学出版社，2001.

［3］马书磊.水处理智能控制系统［D］.郑州：郑州大学，2003.

［4］西门子电气公司.西门子SPPA-T3000用户手册［Z］，2010.