基于力控平台的卡琳娜循环集散测控系统

章永洁 叶建东 蒋建云 杨旭凯

(1.北京市可持续发展促进会，北京 100082；2.天津鼎拓科技有限公司，天津 300134)

基于力控平台的卡琳娜循环集散测控系统

章永洁1叶建东1蒋建云1杨旭凯2

(1.北京市可持续发展促进会，北京 100082；2.天津鼎拓科技有限公司，天津 300134)

为监控卡琳娜循环余热发电系统运行中的各项参数,并保护超高转速运行的汽轮机正常工作，设计了基于力控组态软件的监测系统，实现循环系统的实时监控和保护。

参数监测 卡琳娜循环余热发电系统 力控组态软件

卡琳娜循环余热发电系统(Kalina Cycle)是一种利用氨和水的混合物作为工作介质的新颖、高效的动力循环系统，利用工质相变过程非等温和改变混合物成分浓度的方法，使得循环在整体上更好地与热源、冷源相匹配，从而提高热源利用率，改善循环性能[1]，已被证明在很多领域比传统动力循环更具优越性[2]。该系统对数据监控和系统运行，尤其是高速运转的汽轮机的保护有着非常高的要求。

力控组态软件是一款可以进行数据采集与过程控制的专用软件[3～5]，DCS系统是随着工业生产不断发展而成的一种分布式控制系统，是当今自动化领域技术发展的热点之一[6～8]。笔者基于力控组态软件设计了卡琳娜循环集散测控系统，将数据与界面结合，实现对现场数据的实时分析，使现场控制更准确高效。

1 卡琳娜循环系统测点的设计①

卡琳娜循环余热发电系统的工作流程[9,10]如图1所示。具有一定质量分数的氨-水基液(8)接收蒸发器吸收热源的热量变为高温溶液(9)，高温溶液(9)在分离器被分离成富氨蒸气(1)和富水溶液(10)，富氨蒸气(1)进入汽轮机做功，汽轮机带动发电机工作，从汽轮机出来的乏气(2)和从高温回热器中出来的经节流降压后的富水溶液(11)在混合器中混合成一定质量分数的氨-水基液(3)，氨-水基液先经过低温回热器降温为基液(4)，再经过冷凝器冷凝成基液(5)，基液(5)经工质泵变为更高压的基液(6)再进入低温回热器中预热为基液(7)，由低温回热器出来的基液(7)进入高温回热器进一步预热成为基液(8)，最终进入蒸发器，完成一个循环。

图1 卡琳娜循环余热发电系统的工作流程示意图

采用控制变量法对各点参数的变化关系进行分析，系统中所需测量的变量有：蒸发器进出口温度、压力，膨胀机入口和出口温度、压力，冷凝器进出口温度、压力，工质泵出口温度、压力，热源进出口温度，冷源进出口温度，热源流量，冷却水流量，基液质量流量，基液氨浓度和汽轮机转速。

2 监控系统的搭建

监控系统通过分析后将反馈信号给系统中的电动调节阀或变频器，实现控制分离器的液位控制和控制点的温度控制。状态监测系统直观地显示出卡琳娜循环实验系统工作参数及其运行状况，并将监控参数实时显示在可视化界面上。此外，由于汽轮机以超高转速运行，所以在汽轮机负载失灵的情况下，保护显得格外重要，而系统会在转速超过设定值的瞬间，控制旁通液动阀瞬间打开，以降低汽轮机转速，实现对整个系统的保护。

现场总线是一种全分散、双向、互联的通信网络，用于现场仪表与控制系统之间的通信。本测控系统上位机从传感器输入模拟信号，转换为数字信号后，再通过组态软件实现对循环系统各部件的参数采集监控和运行部件的实时控制保护。

如图2所示，卡琳娜循环余热发电系统的流程界面是依据系统流程和示范工程现场具体安装情况综合制作而成的，在界面中加入数据部分，使操作人员更为方便、快捷地了解现场实时运行参数，并能及时反馈进行调节。利用开发软件的图形界面系统对流程进行模拟和仿真，使界面具有立体感，可以与现场设备相对应。

图2 卡琳娜循环余热发电系统的流程界面

为了方便及时地对所有数据进行汇总并分析，将所有实时数据汇集到一个应用界面(图3)上，这样就可以直观地观测每一个点的实时数据，并进行控制。

图3 实时数据显示界面

在测控系统中，为了将数据和结论以报表形式保存，在上位机软件中设置了数据间隔10s自动记录的功能，为避免繁杂而重复的数据出现在报表中，可以人工选择保存时间段和时间间隔，确保报表数据简洁并且实用。历史数据显示界面如图4所示。

图4 历史数据显示界面

数据查询界面如图5所示，方便查询记录时间段内指定时间间隔的数据情况。还可以将查询条件下的数据保存成文档，并导出到计算机，数据导出界面如图6所示。

图5 数据查询界面

图6 数据导出界面

综上所述，基于力控组态软件实现的功能有：可视化流程界面显示、测试数据实时监控、历史数据记录和导出、自动生成Excel文件并保存到计算机以便查看分析。

3 结束语

以氨-水溶液为循环工质的卡琳娜循环余热发电系统是一套复杂的实验系统，它对各个部件的实验参数监控和运行保护有较高的要求。笔者基于力控组态软件工具对监控系统进行设计，通过选择合适的测试点、传感设备和仪表，实现了对系统流程的实时监控、系统保护等多项功能，获得了可视化流程监控界面，能够对各项参数进行全面监测，并具有完善的数据处理分析功能。对于温度、压力及流量等数据的测量精度高，界面直观方便、操作简单且自动化程度高。

[1] 张颖,何茂刚,贾真,等.Kalina循环的热力学第一定律分析[J].动力工程,2007,27(2):218～222.

[2] 陈效儒.介绍一种热力循环(Kalina)循环[J].上海电力,1995,8(3):18～19.

[3] 刘素娟.基于力控软件的锅炉变频补水控制系统[J].化工自动化及仪表,2015,42(5):582～584.

[4] 王丽艳.基于组态技术的蒸汽锅炉控制系统[J].电子设计工程,2014,22(1):88～90.

[5] 甘明,魏天星,廖全飞.组态软件与SQL数据库在橡胶配料控制系统的应用[J].化工自动化及仪表,2012,39(5):647～649.

[6] 付扬.集散控制系统组态软件的设计与实现[J].基础自动化,2001,8(2):57～58.

[7] 陈其松,陈孝威.基于CAN和传统集散控制系统的Ethernet[J].自动化与仪表,2007，(2):49～52.

[8] 王楠,贠卫国,王冰.DCS在2×660MW机组脱硫控制系统中的应用与分析[J].化工自动化及仪表,2015,42(7):818～822,837.

[9] 任慧琴,李惟毅,张军朋.低基液氨质量分数对卡琳娜循环系统(kcs-34)理论循环效率的影响[J].机械工程学报,2012,48(24):152～157.

[10] 李惟毅,梁娜,孟金英,等.基液氨浓度对卡琳娜循环不同目标参数的影响[J].化工进展,2015,34(4):957～964.

TH865

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1000-3932(2016)10-1119-03

2016-08-15(修改稿)

北京市科技计划项目(Z111100058911008)