摘要：為滿足燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)制水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和自動調(diào)節(jié)的 需求，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計了一種基于DCS平臺的原水預(yù)處理系統(tǒng)全自動控制技術(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)用戶需求，搭建自動統(tǒng)計數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)了制 水系統(tǒng)電、水、藥能耗指標(biāo)的自動統(tǒng)計功能。試驗結(jié)果表明，通過上述改造和研究技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)具備了全過程自動啟停、報表自動統(tǒng)計功 能。正常運(yùn)行工況下，制水系統(tǒng)可實現(xiàn)全程自動控制，大幅提升了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合循環(huán)機(jī)組；原水預(yù)處理；全過程；智控運(yùn)行；可靠性

Abstract: In order to meet the requirement of operation stability and  automatic regulation of water system for gas-steam combined cycle  units, according to the characteristics of the system, an automatic control  technology of raw water pretreatment system based on DCS platform  is designed. According to the demand of system users, an automatic  statistical data platform was built to realize the automatic statistical  function of energy consumption index of electric and water medicine in  the water making system. The test results show that through the above  transformation and the application of the research technology, the system  has the function of automatic start-stop statements and statistics in the  whole process. Under normal operating conditions, the water system can  realize automatic control in the whole process, which greatly improves the  economy and safety of the system operation.

Key words: Gas-steam combined cycle unit; Raw water pretreatment;  Whole process, Intelligent control operation; Reliability

1　引言

國內(nèi)火電機(jī)組輔機(jī)控制系統(tǒng)主要包括化學(xué)制水系 統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)[1]。其中，化學(xué)制水系統(tǒng)包括原水預(yù)處理、離子除鹽等子系統(tǒng)。傳統(tǒng)制水系統(tǒng)采用獨(dú)立且分散的控制方式，子系統(tǒng)包含的設(shè)備多，手動操作量大，整個系統(tǒng)的風(fēng)險控制能力低，需要大量人員操作和維護(hù)，且系統(tǒng)間單獨(dú)操作存在管理困難，導(dǎo)致制水設(shè)備的制水效率低，設(shè)備易損壞[2]。 相比燃煤機(jī)組，基于調(diào)峰運(yùn)行方式的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，其化學(xué)制水系統(tǒng)需具備啟動速度快、啟停頻繁的特點(diǎn)保障發(fā)電用水，因此對制水系統(tǒng)的制水效率、穩(wěn)定性和系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力要求更高。

目前，部分火電廠已經(jīng)克服傳統(tǒng)制水系統(tǒng)控制特 點(diǎn)，實現(xiàn)了FCS平臺制水系統(tǒng)一鍵制水控制[2]。我國自 20世紀(jì)90年代引進(jìn)DCS以來，DCS在電廠中得到了極大的應(yīng)用，但由于諸多原因，DCS只在鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)等主機(jī)系統(tǒng)得到了完整的應(yīng)用[3]，而火電廠重要輔助系統(tǒng)如制水系統(tǒng)的控制仍停留在PLC控制模式或PLC與DCS相結(jié)合的控制模式上，不具備協(xié)調(diào)控制和順序控制功能[4]。

為此，部分電廠開展了針對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組制水系統(tǒng)的自動控制方式研究，通過DCS系統(tǒng)平臺， 整合機(jī)組系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組制水系統(tǒng)的全自動控制。

2　課題研究背景

2.1　現(xiàn)狀介紹

某電廠建設(shè)有一套STAG209E燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，由2臺燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、2臺余熱鍋爐、1臺抽 凝式蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組和1臺背壓式蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組組成。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為2拖1分軸布置。

機(jī)組水源取自地表水，采用水泵吸水管直接取水形式，從河床內(nèi)設(shè)的取水頭部取水。原水預(yù)處理系統(tǒng)配置2臺取水泵，1用1備。單臺取水泵額定流量700立方米/小時；原水升壓后送入兩座額定出力為350立方 米/小時的混合絮凝沉淀池，經(jīng)絮凝、沉淀處理后分兩路出水，其中一路直接供給循環(huán)水池補(bǔ)水；另一路經(jīng)空擦濾池砂濾后進(jìn)入工業(yè)水池，供全廠消防水和除鹽系統(tǒng)使用。原水預(yù)處理系統(tǒng)采用手動遠(yuǎn)方控制和就地操作方式。

投產(chǎn)以來，機(jī)組主要以日開夜停調(diào)峰方式運(yùn)行， 間斷性的運(yùn)行方式對系統(tǒng)設(shè)備可靠性、自動化水平、運(yùn)行監(jiān)控與統(tǒng)計分析等工作提出了極高的要求，且電廠計劃于2020年底前開始除鹽水定制服務(wù)，日均供水量在機(jī)組發(fā)電、供熱基礎(chǔ)上增加至少1000噸。

2.2　問題與分析

受制于混合絮凝沉淀池出口管徑偏小的因素，混 合絮凝沉淀池的實際出力遠(yuǎn)小于額定出力。制水過程 中，因取水泵額定出力相對于混合絮凝沉淀池出力過大且取水泵采用工頻設(shè)計，只能通過混合絮凝沉淀池進(jìn)口手動閥節(jié)流方式來控制進(jìn)水流量，造成取水母管節(jié)流損 失大，取水泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性不佳。由于機(jī)組運(yùn)行補(bǔ)水需要，取水泵需不定時啟動和停運(yùn)，長期短周期頻繁啟停 運(yùn)行，對泵體機(jī)械和電器設(shè)備造成較大沖擊損害，從而降低設(shè)備使用壽命，增加設(shè)備故障率。

混合絮凝沉淀池采用固態(tài)混凝劑聚合鋁投加方式， 配置混凝劑溶液箱2個，每個容積3立方米，通過人工將固態(tài)混凝劑聚合鋁倒入混凝劑溶液箱，采用全手工操作進(jìn)水與攪拌機(jī)運(yùn)行方式配成溶液，供混凝沉淀池制水 用。機(jī)組發(fā)電制水期間，平均每天需投加固態(tài)聚合鋁100 千克，操作溶液配比存在不穩(wěn)定性；若開展除鹽水外供定制服務(wù)，每天需要投加固態(tài)聚合鋁達(dá)到400千克，人工工作量大幅增加，且由于人工控制精度低，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng) 濟(jì)性低，加藥系統(tǒng)的可靠運(yùn)行存在較大隱患[5]。

細(xì)分原水預(yù)處理系統(tǒng)子系統(tǒng)，統(tǒng)計涉及運(yùn)行操作類設(shè)備數(shù)量如下：

（1）取水系統(tǒng)：取水泵2臺（遠(yuǎn)控），混合絮凝 沉淀池進(jìn)口閥2個（手動）；

（2）混合絮凝沉淀及加藥系統(tǒng)：加藥泵3臺（遠(yuǎn) 控），溶液箱進(jìn)水閥2個（手動），溶液箱攪拌機(jī)2臺 （就地），溶液箱出藥閥2個（手動），混合絮凝沉淀 排污閥14個（順控）；

（3）出水系統(tǒng)：循環(huán)池進(jìn)水閥1個（遠(yuǎn)控），空 擦池進(jìn)水閥組9個（順控）。

綜上統(tǒng)計操控設(shè)備37個，順控設(shè)備23個，遠(yuǎn)控設(shè) 備5個，就地手動設(shè)備9個。系統(tǒng)遠(yuǎn)控及自動化程度不 高，且未設(shè)計相關(guān)監(jiān)督與能耗指標(biāo)統(tǒng)計。

結(jié)合機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行以及除鹽水定制業(yè)務(wù)的開展， 預(yù)計原水取用量將由年均45萬噸增加至150萬噸左右； 對提高原水預(yù)處理運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，提升原水預(yù)處理系統(tǒng)自動化水平，完善系統(tǒng)相關(guān)監(jiān)督、統(tǒng)計數(shù)據(jù)自動報表，進(jìn) 而實現(xiàn)系統(tǒng)全程智控運(yùn)行有著重要的意義。

2.3　研究意義

原水預(yù)處理系統(tǒng)作為火力發(fā)電廠用水的源頭系 統(tǒng)，運(yùn)用全過程智控理念，實施技術(shù)研究與改造應(yīng)用， 對其他系統(tǒng)的智控應(yīng)用具有一定實踐與借鑒意義[6~7]。

項目的研究與應(yīng)用工作從提升設(shè)備遠(yuǎn)控、自動化應(yīng)用、完善監(jiān)督與統(tǒng)計管理等方面著手[8~10]，從而提升原水預(yù)處理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益、設(shè)備健康狀況，減少運(yùn)行人員操作工作量。

通過DCS系統(tǒng)平臺，整合機(jī)組系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，可進(jìn)一步深入數(shù)據(jù)的挖掘與分析利用，隨著大數(shù)據(jù)與智控技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，項目的研究與實施將有助于推進(jìn)智慧電廠建設(shè)。

3　研究與實施

3.1　項目研究范圍

通過對原水預(yù)處理系統(tǒng)現(xiàn)存的問題與分析，研究 實現(xiàn)智控運(yùn)行改造應(yīng)用，主要范圍與內(nèi)容有：（1）提升取水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；（2）實現(xiàn)混合絮凝沉淀加藥 系統(tǒng)遠(yuǎn)控；（3）各系統(tǒng)用水需求信息的數(shù)據(jù)搭建； （4）系統(tǒng)涉及的電、水、藥等能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計；（5）系 統(tǒng)全過程自動控制的設(shè)計與應(yīng)用[11~12]。

3.2　方案研究與實施

3.2.1　取水泵變頻改造

單臺取水泵揚(yáng)程51米，廠外管道為DN500，設(shè)計流速1米/秒，沿程輸水管道5.25公里，總損失14米，從取水口水面標(biāo)高到電廠廠區(qū)混凝沉淀池液面的高差35.5 米，通過混合絮凝沉淀池進(jìn)口閥調(diào)節(jié)來實現(xiàn)恒壓與定流量供水；實施取水泵變頻改造，可降低取水管路節(jié)流損 失，實現(xiàn)電機(jī)的柔性啟停，并將電機(jī)電流限制在額定電 流內(nèi)，降低泵的平均轉(zhuǎn)速，延長電機(jī)和泵的使用壽命。

3.2.2　混合絮凝沉淀加藥系統(tǒng)改造

加藥系統(tǒng)的改造主要實現(xiàn)投加液態(tài)混凝劑聚合鋁 功能，范圍包含新建一座液態(tài)混凝劑聚合鋁原液池及加裝液位計2個，增設(shè)原液泵2臺，溶液箱進(jìn)藥電磁閥、進(jìn)水電磁閥、出藥電磁閥各2個，3號加藥泵出口電磁閥2 個，增加溶液箱攪拌機(jī)遠(yuǎn)控功能，該系統(tǒng)遠(yuǎn)控與自控功能的實現(xiàn)，為原水預(yù)處理全程自動控制奠定基礎(chǔ)。

通過加藥系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)DCS遠(yuǎn)方操作與監(jiān) 視，通過計算溶液箱液態(tài)混凝劑聚合鋁原液與進(jìn)水的配 比，可保證混合后的加藥品質(zhì)穩(wěn)定；通過混凝沉淀池液進(jìn)水量與進(jìn)水濁度的關(guān)系，可提供加藥量與出水濁度提 供控制比例的依據(jù)。

3.2.3　各系統(tǒng)用水需求信息數(shù)據(jù)的搭建

原水預(yù)處理系統(tǒng)主要為循環(huán)水池與工業(yè)水池補(bǔ)水，數(shù)據(jù)搭建的基本原則是實現(xiàn)兩個水池液位的區(qū)間控制，即液位低工況觸發(fā)原水預(yù)處理系統(tǒng)投運(yùn)，液位高停運(yùn)系統(tǒng)。

因循環(huán)水池與工業(yè)水池用水量存在的不確定性， 為實現(xiàn)原水預(yù)處理系統(tǒng)投用后的連續(xù)運(yùn)行，減少原水預(yù)處理系統(tǒng)啟停次數(shù)，可對兩個用戶的用水需求進(jìn)一步延展性分析，即通過對用戶當(dāng)前與未來用水需求的預(yù)判， 從而動態(tài)調(diào)整水池水位定值。

對循環(huán)水池用水需求，可分為機(jī)組啟停階段、連 續(xù)運(yùn)行階段、停運(yùn)階段；工業(yè)水池用水需求，主要是除鹽水制水需求；當(dāng)兩個用戶同時有用水需求時，可設(shè)計供水方式互切的功能，減少原水預(yù)處理系統(tǒng)短時間的啟停次數(shù)。

3.2.4　系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

原水預(yù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計主要包含總量與單耗； 其中總量包括取水量、混凝沉淀池排污量、循環(huán)水池補(bǔ)水量、工業(yè)水池補(bǔ)水量、原液用量、總用電量、取水泵與加藥泵運(yùn)行時間等；單耗包括出水單位電耗、藥耗、 產(chǎn)水率等指標(biāo)。

3.2.5　系統(tǒng)全過程自動設(shè)計與應(yīng)用

根據(jù)原水預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行分析，自動設(shè)計包含設(shè)備級聯(lián)鎖優(yōu)化與系統(tǒng)啟停順控，內(nèi)容主要有：（1）取水泵與加藥泵全過程聯(lián)鎖；（2）液態(tài)混凝劑聚合鋁溶液箱配藥順控；（3）產(chǎn)水與加藥、混凝沉淀池排污的順控啟停與自動運(yùn)行；（4）循環(huán)水池與工業(yè)水池補(bǔ)水的自動耦合。

3.3　應(yīng)用效果

3.3.1　取水泵變頻改造效益

電廠2019年度累計取水量為45萬噸，按照取水泵 正常控制流量400立方米/小時計算，取水泵2年運(yùn)行時間約1124小時。取水泵運(yùn)行電流經(jīng)DCS歷史曲線分析為220安培，按低于額定電流240安統(tǒng)計，取水泵年耗用電量14.16萬千瓦時，取水噸水電耗為0.32千瓦時。

取水泵變頻改造后，按控制流量400立方米/小 時，實測電流108安培，按取水量45萬噸測算，取水 泵年耗用電量6.95萬千瓦時，取水噸水電耗為0.15千 瓦時。

取水泵變頻改造后年均節(jié)電量為7.21萬千瓦時， 開展除鹽水定制服務(wù)后，產(chǎn)生的效益將更加顯著。

3.3.2　混合絮凝沉淀加藥系統(tǒng)改造成效

通過混合絮凝沉淀加藥系統(tǒng)改造的實施，實現(xiàn)了配藥、加藥系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；通過原水全年各典型工況的樣水配藥小試分析，確定了液態(tài)聚合鋁配藥 濃度。

配藥系統(tǒng)的改造，大幅降低了人工配藥工作量， 替代了人工就地操作；應(yīng)用原液池液位變量、加藥泵運(yùn)行時間統(tǒng)計、溶液箱液位變量的三重配藥運(yùn)行監(jiān)督程 序，可有效保證溶液配比濃度的可靠性與穩(wěn)定性。

加藥泵變頻自動，通過引入原水進(jìn)水流量與濁 度，以及混凝沉淀池出水濁度等三個信號，可實現(xiàn)原水加藥流量與濁度模式的自動控制。

3.3.3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計指標(biāo)的建設(shè)

系統(tǒng)指標(biāo)分為能源與設(shè)備兩類。其中能源指標(biāo)主要分為水、電、藥三項變動成本要素，按日、月、年口徑分別進(jìn)行統(tǒng)計。設(shè)備類指標(biāo)的統(tǒng)計，主要為取水泵、加 藥泵、原液泵運(yùn)行時間統(tǒng)計，統(tǒng)計時間可為主、備泵的選擇，設(shè)備的檢修周期提供依據(jù)。

水類指標(biāo)分為：取水量、混凝沉淀池排污量、循環(huán)水池補(bǔ)水量、工業(yè)水池補(bǔ)水量。系統(tǒng)設(shè)計有取水泵出口流量與2路混凝沉淀池進(jìn)口流量，通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比分析，將3個流量信號進(jìn)行優(yōu)選處理，并形成取水量 指標(biāo)；混凝沉淀池排污量根據(jù)排污閥開啟時間估算排污 量，并形成排污總量指標(biāo)；循環(huán)水池與工業(yè)水池的補(bǔ)水 量遵循水平衡原則，根據(jù)補(bǔ)水的路徑劃分統(tǒng)計，對于循環(huán)水與工業(yè)水池兩路切換期間，各按50%的比例統(tǒng)計。

用電量指標(biāo)：主要為取水泵系統(tǒng)電耗；基于補(bǔ)水量 的劃分，可對循環(huán)水池、工業(yè)水池的補(bǔ)水區(qū)分統(tǒng)計。本系統(tǒng)除取水泵房以外的用電設(shè)備，均由化學(xué)低壓廠變提 供，納入除鹽水系統(tǒng)電類指標(biāo)。

用藥量指標(biāo)：主要為液態(tài)聚合鋁用量的統(tǒng)計，根據(jù)溶液箱液位的變量，反推計算得出，該指標(biāo)的設(shè)置，可用于原水品質(zhì)變化對加藥需求的影響關(guān)系，可用于實際加藥量與理論加藥量的偏差監(jiān)督。

3.3.4　全過程自動控制的簡述

系統(tǒng)全過程的應(yīng)用基于循環(huán)水池與工業(yè)水池補(bǔ)水需求觸發(fā)。主系統(tǒng)包含三個順控投切功能，即循環(huán)水池補(bǔ) 水順控、工業(yè)水池補(bǔ)水順控、原水順控。具備原水預(yù)處理補(bǔ)水至循環(huán)水池、原水預(yù)處理補(bǔ)水至工業(yè)水池的一對一系統(tǒng)運(yùn)行工況，與原水預(yù)處理補(bǔ)水至循環(huán)水池與工業(yè) 水池的一對二運(yùn)行工況。當(dāng)處于一對二運(yùn)行工況時，根 據(jù)兩個水池的液位高度，自動判斷優(yōu)先順序。

當(dāng)滿足上述工況觸發(fā)條件后，先對系統(tǒng)通水管路閥門狀態(tài)位置進(jìn)行判斷，并順控執(zhí)行開閥，滿足管路通 暢；再對系統(tǒng)加藥管路閥門進(jìn)行判斷并開啟溶液箱出藥電磁閥；然后依次順控啟動預(yù)選原水泵、加藥泵，完成順控啟動預(yù)處理制水流程。在一對二工況運(yùn)行期間，先開啟后需求進(jìn)水池系統(tǒng)的管路閥門，開啟后再關(guān)閉先需求進(jìn)水池系統(tǒng)的閥門。

補(bǔ)水順控啟動觸發(fā)后，優(yōu)先選用高液位溶液箱， 即開啟該溶液箱出口閥，然后觸發(fā)低液位溶液箱自動配藥順控；當(dāng)出藥的溶液箱液位低于設(shè)置值，開啟備用溶液箱出口閥，然后關(guān)閉低液位溶液箱出藥閥，并啟動自動配藥順控。

當(dāng)補(bǔ)水量滿足需求后，觸發(fā)停運(yùn)系統(tǒng)順控，依次停運(yùn)取水泵、加藥泵，關(guān)閉溶液箱出藥閥、進(jìn)水池系統(tǒng)閥門，完成順控停運(yùn)預(yù)處理制水流程。

混凝沉淀池排污閥根據(jù)沉淀池累計進(jìn)水量，觸發(fā)排污順控，累計進(jìn)水量的設(shè)定，需要根據(jù)沉淀池實際運(yùn)行情況進(jìn)行設(shè)定，定期調(diào)整。

取水泵變頻自動的設(shè)計，主要根據(jù)產(chǎn)水單耗與產(chǎn)水品質(zhì)進(jìn)行流量定值的人工設(shè)定；通常情況下，在原水與出水品質(zhì)一定可控范圍內(nèi)，較高的流量可降低取水單位電耗。加藥變頻的自動設(shè)計，主要以取水流量為基準(zhǔn)值，再根據(jù)取水濁度與出水濁度的變化的情況設(shè)計相應(yīng)的前饋與閉環(huán)控制。預(yù)處理系統(tǒng)畫面如圖1所示，部分控制邏輯組態(tài)如圖2所示。

圖1 預(yù)處理系統(tǒng)畫面

圖2 部分控制邏輯組態(tài)

3.4　應(yīng)用效果

綜上所述，原水預(yù)處理系統(tǒng)全過程智控運(yùn)行的改造，主要包括取水泵變頻改造、混合絮凝沉淀加藥系統(tǒng)改造兩項系統(tǒng)改造，以及全系統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)督統(tǒng)計與自動化改造。

通過上述改造的應(yīng)用，大幅提升原水預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。本項目改造投入約30萬元， 按原水年取用150萬噸計算，年節(jié)省費(fèi)用至少10萬元， 預(yù)計3年可回收成本。正常運(yùn)行工況下，可實現(xiàn)就地?zé)o人操作，系統(tǒng)具備全過程自動啟停、報表自動統(tǒng)計功能，后續(xù)可根據(jù)長周期的運(yùn)行指標(biāo)統(tǒng)計，應(yīng)用指標(biāo)偏差自動報警功能。統(tǒng)計指標(biāo)監(jiān)督表如圖3所示。

圖3 統(tǒng)計指標(biāo)監(jiān)督表

4　結(jié)束語

本項目是基于水處理系統(tǒng)前端的智控研究與應(yīng) 用，對其他電廠化學(xué)專業(yè)相關(guān)的制水系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)的 提升具有一定的借鑒意義；項目的應(yīng)用，對機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有較大的提升與保障，并起到了一定的節(jié)能降耗 作用。

作者簡介：

陳海文（1979-），男，浙江杭州人，高級工程師，現(xiàn) 任華電浙江龍游熱電有限公司生產(chǎn)副總經(jīng)理，長期從事電廠自動化技術(shù)應(yīng)用研究與生產(chǎn)管理工作。

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摘自《自動化博覽》2021年5月刊