凝結水一般是指鍋爐產生的蒸汽在汽輪機做功后，經循環冷卻水冷卻凝結的水。由于熱力系統不可避免的存在水汽損失，需向熱力系統補充一定量的補給水（除鹽水箱來水）。因此凝結水主要包括：汽輪機內蒸汽做功后的凝結水、各種疏水和鍋爐補給水。這部分的凝結水需要通過一種有效的處理過程加以利用，本文所說的凝結水精處理實現自動化的目的是實現整個水處理系統的安全可靠的運行,確保優質的出水水質或達到規定的標準,提高管理人員的勞動生產率、降低能源與物料消耗。針對采用前置過濾器＋高速混床法的工藝流程,提出自動控制設計方案,主要包括現場儀表污水處理流量計等儀表的設計選型及配置、控制系統的設計等,并給出了自動控制功能的要求。將凝結水精處理的自動化設計應用于某發電廠,取得了良好的應用效果,提高了現場工作人員的工作效率。撰寫此文與各位分享。
1、引言
自動化技術的普遍應用,極大地把人類從繁雜的體力勞動和不安全的工作環境中解放出來,顯著地改善了人類的工作環境和提高了人類的生活質量。不僅如此,自動化技術的應用, 還明顯地增強了企業的競爭能力,使企業在激烈的市場競爭中立于不敗之地。凝結水精處理過程實現自動化的目的是實現整個水處理系統的安全可靠的運行,確保優質的出水水質,提高管理人員的勞動生產率、降低能源與物料消耗。
2、控制范圍本文主要針對火力發電廠的凝結水精處理系統,提出自動控制設計方案。每套精處理單元由兩臺前置過濾器、三臺精處理高速混床、三臺樹脂捕捉器、一臺再循環泵和三套旁路系統組成。精處理的再生單元由分離塔、陰再生罐、陽再生罐和樹脂捕捉器組成, 以及輔助單元的羅茨風機、熱水箱、壓縮空氣儲罐、酸堿系統等。控制系統范圍主要包括#1 機組精處理系統,#2 機組精處理系統, 體外再生系統, 輔助單元等。
3、自動控制系統設計
一套完整的自動控制系統設計,就地設備及工藝參數的測量是必不可少的, 通過對過程參數的數據采集,配套D C S 或P L C 控制系統, 完成對整個工藝工程的在線測量、監視及控制。
3．1 儀表選型及配置
根據工藝流程和工廠管理的需求,配置合理的在線儀表,正確顯示設備狀態及工藝過程參數。儀表主要包括溫度儀表、壓力儀表、流量儀表、液位儀表、分析儀表等。在凝結水精處理工藝過程中,壓力和流量測量儀表是應用*廣的測量儀表。壓力測量主要為就地指示壓力表和遠傳的壓力變送器、壓力開關等。在每臺泵的出口設置就地壓力表,應選擇耐震型。對于帶腐蝕性的介質要選用隔膜壓力表。前置過濾器旁路閥的前后、混床旁路閥的前后、前置過濾器前后以及樹脂捕捉器前后設有差壓變送器,用來監測相應系統的差壓。當樹脂捕捉器前后的壓差超過某一設定值時,樹脂捕捉器所在列的混床停運, 在確認備用混床投運成功后, 將失效混床退出運行,樹脂捕捉器要進行反沖洗。在每套前置過濾器和混床入口前設升壓旁路閥,升壓旁路閥的作用是保證前置過濾器和混床在投運前, 入口壓力緩慢上升,防止壓力升高過快對前置過濾器和混床內部結構產生沖擊,壓力的變化由壓力變送器來監測。
流量測量儀表常用污水處理排水管道流量計和差壓式流量計。污水處理排水管道流量計要求測量介質必須具有導電能力, 電導率大于閾值。若電導率低于閾值會產生很大的測量誤差。污水處理排水管道流量計在選型時,根據工藝介質,要選擇合適材質的電極,對于沒有腐蝕性的水來說, 選擇不銹鋼電極就能滿足要求。并要考慮安裝位置是否方便人員查看, 若管道安裝位置比較高或者很難觀察到, 需要選擇分體式的污水處理排水管道流量計,將變送器和傳感器分開的,這樣傳感器可以安裝在容易查看的位置。污水處理排水管道流量計應該有良好的接地。差壓式流量計主要包括孔板類流量計、巴類的流量計等。流量儀表安裝注意要滿足前后直管段的要求。每臺前置過濾器和混床的入口設有流量計。流量計用來監測通過前置過濾器和混床的凝結水流量,通過流量計的輸出信號,也可以累計周期制水量。陽陰再生塔的沖洗水管上設有流量計, 監測再生塔的沖洗水流量。沖洗水泵出口母管上設有流量計, 指示泵啟動后輸送至各個部位的流量。溫度變送器用來監測系統入口母管凝結水的溫度。
稀堿液管上設有溫度變送器,通過溫度變送器的輸出信號控制三通調節閥的開度。熱水箱上配有溫度變送器,通過溫度變送器的輸出信號控制加熱器的開,關及加熱器投入的組數。
在水處理過程中分析量的測量尤其重要,這是反應水質好壞的重要參數, 如P H 、電導率、硅的含量、濃度計等。每個混床的出口設有電導率表,硅表,鈉表,主要用來監測混床出水水質, 當某項出水指標不合格時,備用混床投運后, 失效混床退出運行, 進行再生。混床出水母管上設有電導率表, 硅表,PH 表, 主要監測精處理系統的出水水質。陰再生塔排水管上設置電導率表,監測陽陰再生塔內的樹脂再生,清洗是否合格。稀酸堿液管上設有酸堿濃度計,指示再生用酸堿液的濃度。在精處理混床單元設置分析儀表取樣架, 導電度表、P H表、鈉表、硅表等集中安裝在取樣架內。每路樣水在盤內經減壓降溫后進入傳感器。硅表為多通道形式,每臺混床出口與出水母管合用一臺三通道硅表。
水處理過程中常有水池、水箱等,根據具體情況選用合理的液位計。通常開放式的水池,設置超聲波液位計。超聲波液位計測量精度較高、穩定性也不錯,并且不需要與被測介質接觸。而在藥罐上通常配置磁翻板液位測量儀表, 這類儀表既能提供明顯的就地指示, 而且可以將液位的模擬量或開關量信號遠傳到控制系統。前置過濾器, 混床排氣母管上設有液位開關, 自動監測前置過濾器,混床充水是否充滿。再生塔排氣母管上設有液位開關,自動監測再生塔充水是否充滿。熱水箱上配置液位開關,防止低液位時加熱器過熱而導致加熱器燒壞。酸堿計量箱上設有帶遠傳信號的磁翻板液位計,不僅具有就地顯示液位的功能,而且具有信號輸入控制系統后在L C D 畫面上顯示液位高低的功能。
3.2 控制系統的選型及配置
根據具體的輸入輸出點數及控制功能要求,選擇合適的控制系統。DCS 和PLC 作為計算機技術和控制技術結合的產物,為水處理過程自動化水平的提高都作出了各自的貢獻[3]。目前用于水處理自控系統的基本形式主要有三種DCS 系統、現場總線系統和PLC 控制的系統。從規模來看三種系統所適用的規模是不同。DCS 系統和現場總線系統一般適用于控制點比較多而且廠區規模比較大的系統,PLC 的控制則用于小型而且控制點比較集中的控制系統。DCS 系統適用于模擬量多,閉環控制多的系統。而現場總線系統的主要優勢是適用用于控制點相當較少而且特別分散的系統。從施工和維護的角度來看,傳統的DCS 系統布線的工作量要遠遠大于現場總線系統。此外, 現場總線系統與D C S 系統相比, 還有*為重要的一點是開發性好, 擴展方便。
由于凝結水精處理的布置比較集中, 通常采用集散式控制,考慮采用DCS 控制系統較普遍,若有距離比較遠相當集中地控制設備,可以考慮設置遠程IO站。通常在#1 機組精處理系統,#2 機組精處理系統,體外再生系統各布置在不同位置, 且相互的距離較遠。根據控制規模及廠里人員設置,可配置2 套至3 套操作員控制站。
4、自動控制功能的要求
對于工藝系統內所有的電動/ 氣動閥門、風機、泵等設備均采用自動控制、遠方控制和就地控制三種控制方式。就地控制模式:設備的現場控制箱或MCC 控制柜上的“就地/ 遠方”開關選擇為“就地”方式時,通過現場控制箱或MCC 控制柜上的按鈕實現對設備的啟/ 停、開/ 關操作。遠方控制模式:即遠方手動控制方式。現場控制箱或M C C 控制柜上的“就地/ 遠方”開關選擇為“遠方”方式,操作人員可以通過中控系統操作站的監控畫面用鼠標或鍵盤選擇“遠控”方式并對設備進行啟/停、開/ 關操作。自動控制模式:現場控制箱或MCC 控制柜上的“就地/ 遠方”開關選擇“遠方”方式,且控制站的“自動/ 遠控”設定為“自動”方式時,設備的運行完全由各控制站根據水處理系統的工況及生產要求來完成對設備的運行或開/ 關控制, 而不需要人工干預。控制方式設計為:就地手動控制優先,在此基礎上,設置遠方控制和自動控制。控制級別由高到低為: 現場手動控制、遠方控制、自動控制。凝結水精處理系統自動閥門常以氣動閥門為主, 氣動閥門的控制電磁閥相對集中布置在就地電磁閥柜/ 箱內,并盡量考慮設備的完整性,例如每套前置過濾器裝置設一個電磁閥柜, 公用的閥門采用就近布置。在電磁閥柜面板上設有就地操作開關,就地/ 遠操開關采用鑰匙型開關, 所有的鑰匙型開關均可以用一把鑰匙操作,既避免了操作人員帶多把鑰匙,又避免了無關人員的誤操作。
采用此工藝的凝結水精處理主要的控制功能要求至少包括以下過程控制:以順序控制為主。前置過濾器的排水、空氣擦洗、水沖洗、充水、曝氣清洗、升壓等;高速混床的升壓、循環正洗、運行、卸壓、樹脂送出、樹脂送入、排水、樹脂混合等;分離塔的進水、進氣排水、空氣擦洗、樹脂分離、沖洗等;陰再生罐的重力排水、陰樹脂空氣擦洗、陰樹脂空氣擦洗并反洗、壓縮空氣充壓等; 陽再生罐的重力排水、陽樹脂空氣擦洗、陽樹脂空氣擦洗并反洗等。
5、應用實例
天津北塘熱電廠2 × 350MW 機組的凝結水精處理系統*終設計規模為2 × 950 噸/ 小時,處理工藝采用前置過濾器＋高速混床法。具體要求如下: 按工藝流程配置必要的液位、流量和水質分析等檢測儀表;全部檢測儀表及電氣設備的運行信號的傳送和顯示;根據電氣設備的運行要求及主要工藝參數的控制要求,設置自動控制系統。本項目根據工藝要求, 配置必要的測量儀表, 溫度變送器5 套,就地壓力表50 套,壓力或差壓變送器25 套,磁翻板液位儀表3 套,超聲波液位計2 套,液位開關7 套,孔板流量計17 套,濃度儀表2 套,PH 儀表2 套,電導儀表10 套,多通道硅表和鈉表各2 套等。
采集過程參數, 每個氣動閥門均采用雙電控方案:DO:2 點/DI:2 點;每個電動門:DO:2 點/DI:3 點;每臺電動機:DO:2 點/DI:4 點。實際測點數量如表1 所示。其中AI 表示模擬量輸入信號;AO 表示模擬量輸出信號;DI 表示數字量輸入信號;DO 表示數字量輸出信號。根據控制點數及工藝對控制的要求,配置一套北京國電智深控制技術公司提供的DCS 系統EDPF,系統網絡采用工業以太網冗余配置, 設置中央控制室, 布置操作員站2 套、打印機1 套、工程師站1 套。電廠運行人員可以在操作員站上實現對工藝流程圖及測量參數的監視及控制。根據工藝系統特點以及控制系統的安全可靠,整套DCS 控制系統配置3 對DPU 控制器模塊,分別用于# 1 機組凝結水精處理單元、# 2 機組凝結水精處理單元和公用系統單元。實現了對前置過濾器、高速混床、樹脂分離塔等設備的順序控制。
6、結束語
針對采用前置過濾器和高速混床的凝結水精處理系統, 提出自動控制設計方案, 根據工藝系統具體要求配置合適類型的儀表及控制系統。將凝結水精處理的自動化設計應用于天津北塘發電廠,取得了良好的應用效果, 提高了現場工作人員的工作效率。

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