張家口發(fā)電廠給水自動(dòng)加氨探討
1 引言
火力發(fā)電廠鍋爐給水系統(tǒng)即給水和給水的組成部分。主要是指凝汽器出口至省煤器入口的水系統(tǒng)，包括凝結(jié)水泵、低壓加熱器、除氧器、給水泵和高壓加熱器以及相連的管道。
在給水系統(tǒng)中流動(dòng)的水，是由汽機(jī)凝結(jié)水、化學(xué)補(bǔ)給水、各種疏水和生產(chǎn)返回水等組成的，水質(zhì)較純，通常不會(huì)因?yàn)辂}類析出而在管壁上結(jié)垢，可能發(fā)生的水質(zhì)問題是金屬的電化學(xué)腐蝕。這類腐蝕不僅會(huì)造成給水管道及相關(guān)設(shè)備的損壞，而且由于腐蝕產(chǎn)物隨給水進(jìn)入鍋內(nèi)，導(dǎo)致在鍋爐蒸發(fā)面上發(fā)生金屬腐蝕產(chǎn)物沉積，嚴(yán)重時(shí)造成鍋爐管的損壞。由此可見，給水污染及給水系統(tǒng)金屬的腐蝕，對(duì)于鍋爐機(jī)組的安全運(yùn)行具有重要影響。
在以除鹽水為補(bǔ)充水的高參數(shù)、大容量汽包鍋爐中，采用加氨調(diào)節(jié)給水pH值方法已成為我國(guó)火力發(fā)電廠汽包鍋爐調(diào)節(jié)給水pH值最廣泛使用的方法。在GB/T 12145--1999《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》中規(guī)定：汽包爐中，鍋爐蒸汽壓力12.7～18.3 MPa，要求給水氫電導(dǎo)率(氫離子交換后，25 ℃)≤0.3 μS/cm，pH值為8.8～9.3(25 ℃，有銅系統(tǒng))，或pH值為9.0～9.5(25 ℃，無銅系統(tǒng))。加氨的多少直接影響給水pH值的大小，用給水pH值控制加氨最直接、效果最好，原理如下[1][4]：
NH4OH+H2CO3= NH4HCO3+H2O （1）
NH4OH+NH4HCO3=(NH4)2CO3+H2O （2）
汽包爐中，鍋爐蒸汽壓力為12.7～18.3 MPa，對(duì)于有銅合金的給水系統(tǒng)，要求控制給水的pH值在8.8～9.3(25 ℃)范圍內(nèi)。給水pH值控制范圍為±0.5，在25 ℃時(shí)，測(cè)量電池只要產(chǎn)生5.916 mV的誤差，在pH值控制范圍內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生20%的誤差，因而用給水pH值作為加氨控制信號(hào)盡管最直接、效果最好，但實(shí)際應(yīng)用有一定的難度。
結(jié)合各種理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用給水直接電導(dǎo)率調(diào)節(jié)加氨量來達(dá)到間接調(diào)節(jié)PH值的目的。
2 給水pH值自動(dòng)控制加氨方案
目前張家口發(fā)電廠8臺(tái)機(jī)組爐內(nèi)分別以四個(gè)單元制進(jìn)行加氨控制，2臺(tái)機(jī)組配1套氨加藥裝置，共4套，每套裝置為2箱5泵（4用1備），每臺(tái)泵配變頻器，能接受來自張家口發(fā)電廠輔控系統(tǒng)的4～20mA DC控制信號(hào)，并輸出相應(yīng)的4～20mA DC反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)加藥系統(tǒng)的開環(huán)或閉環(huán)控制。泵就地控制柜有泵的狀態(tài)指示及啟停按鈕、故障等狀態(tài)信號(hào)、手動(dòng)調(diào)節(jié)及遠(yuǎn)方控制的功能以及低低液位停泵功能。一臺(tái)泵故障時(shí),可切換上備用泵,備用泵具備相同的功能。
下圖為一單元爐內(nèi)加氨系統(tǒng)輔控畫面。
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圖2.1：一單元爐內(nèi)加氨系統(tǒng)輔控畫面
含自動(dòng)加氨的爐內(nèi)加藥系統(tǒng)是采用四方（電氣）集團(tuán)有限公司的遠(yuǎn)程I/O控制站[2]。將DCS分散控制單元和I/O控制卡件安裝于遠(yuǎn)程就地位置（遠(yuǎn)程控制柜），并具有與輔控網(wǎng)絡(luò)接入能力。DCS分散控制單元具有遠(yuǎn)程邏輯下裝功能，在輔控網(wǎng)進(jìn)行邏輯組態(tài)后，可直接遠(yuǎn)程下裝到就地控制單元中，由就地控制單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制運(yùn)行[3]，能夠有效代替現(xiàn)有運(yùn)行人員的大部分就地操作，實(shí)現(xiàn)減員增效、安全生產(chǎn)的目的。各爐內(nèi)子系統(tǒng)將具有就地手動(dòng)控制、節(jié)點(diǎn)操作員站遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、輔控中心操作員站遠(yuǎn)程手動(dòng)控制以及程序自動(dòng)控制的多級(jí)監(jiān)控方式。正常情況下采用程序自動(dòng)控制，將自動(dòng)控制邏輯下裝在各遠(yuǎn)程站DPU中，通過各遠(yuǎn)程站實(shí)現(xiàn)工藝流程的控制。就地手動(dòng)控制一般作為檢修、調(diào)試之用，運(yùn)行人員通過就地操作箱對(duì)各設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制。
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圖2.2： 1-4單元爐內(nèi)加藥系統(tǒng)輔控網(wǎng)絡(luò)示意圖
給水（精處理出口）加氨采用自動(dòng)加氨軟件實(shí)現(xiàn)的方法為：采用PID控制，過程值采用給水（精處理）pH值，在輔控操作員站上位機(jī)給定設(shè)定值SP，配置PID參數(shù)，經(jīng)過自動(dòng)計(jì)算給出輸出值op，用于控制加氨泵的轉(zhuǎn)速。此PID為正作用，即轉(zhuǎn)速越高，加氨量越高，理論上在pH會(huì)逐步上升。
在工藝正常情況下，pH值能在SP限制值內(nèi)跟蹤。但當(dāng)工藝條件發(fā)生了突變，例如突然補(bǔ)水量的增加，由于PID控制對(duì)慣性大、突變多的情況反應(yīng)較慢，這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)規(guī)程值越過sp的上下限。另外純水PH測(cè)量受靜電荷、溫度、測(cè)量電極質(zhì)量、液接電位等各種因素的影響較大，測(cè)量很不可靠。而且pH值的可值范圍非常小，造成調(diào)節(jié)時(shí)常常不穩(wěn)定，因此在爐內(nèi)加氨上，采用檢測(cè)pH值控制氨泵轉(zhuǎn)速的方式不能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
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圖2.3：變頻泵的直接輸入式調(diào)速面板
3 給水流量控制加氨方案
給水流量也是加氨控制的一個(gè)重要指標(biāo)。鍋爐給水流量增大，則補(bǔ)水量增加，為保持給水pH值在控制范圍內(nèi)，加氨量增大;反之流量減少，補(bǔ)水減量，加氨量減少。不同容量的機(jī)組、不同的系統(tǒng)給水流量的大小與加氨量的關(guān)系不同，但它們都有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了使給水pH值在控制范圍內(nèi)運(yùn)行，可以用給水流量信號(hào)控制加氨量，這樣就避免出現(xiàn)給水pH值測(cè)量不準(zhǔn)確、控制范圍小、誤差大、不易實(shí)施的弊端。
通過以上分析可以看出，用給水pH值控制加氨量最直接，但是，給水pH值測(cè)量影響因素多、誤差大，且pH值控制范圍小，僅0.5，因此用給水pH值控制加氨量實(shí)施困難。目前國(guó)內(nèi)通常用流量信號(hào)控制加氨，有的用給水流量作為主調(diào)節(jié)信號(hào)，給水電導(dǎo)率或pH值作為輔助信號(hào)控制加氨。由于給水流量大小隨機(jī)組負(fù)荷變化和系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)而變化，給水流量與pH值數(shù)學(xué)模型因機(jī)組不同而異，需要在運(yùn)行中摸索確定，因此用流量信號(hào)控制加氨的精度、準(zhǔn)確度不高。
4 給水電導(dǎo)率的測(cè)量及電導(dǎo)率換算pH值的方法
4.1給水電導(dǎo)率的測(cè)量
溶液導(dǎo)電是依靠離子在電場(chǎng)作用下定向遷移實(shí)現(xiàn)的。將被測(cè)溶液看作一個(gè)導(dǎo)體，在電極兩端加一定的交流電壓，產(chǎn)生的電流信號(hào)經(jīng)放大處理，得到測(cè)量溶液的電導(dǎo)率。電導(dǎo)率表征被測(cè)溶液的導(dǎo)電能力時(shí)，是指水中各種正、負(fù)離子導(dǎo)電能力的總和。電導(dǎo)電極是2塊金屬板(在線儀表測(cè)量電極大多數(shù)為不銹鋼筒套式結(jié)構(gòu))，比較穩(wěn)定，也不受其他外界因素的干擾。另外，電導(dǎo)率是通過測(cè)量溶液阻抗，再轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)而得到的，因而基本不受純水靜電荷的影響，測(cè)量準(zhǔn)確率大大提高。
4.2分布電容和溫度的影響小
機(jī)組正常運(yùn)行情況下，給水氫電導(dǎo)率≤0.3μS/cm(25 ℃)。加氨后，給水在pH8.8～9.3范圍內(nèi)，電導(dǎo)率通常在1～6μS/cm范圍內(nèi)變化，此時(shí)電導(dǎo)率較小，電極表面極化電阻的影響較小，分布電容影響較大，可以采用低頻率的測(cè)量電流，減少分布電容的影響。
電導(dǎo)率在1～6 μS/cm范圍內(nèi)變化，電導(dǎo)率隨溫度的變化基本為直線，故溫度補(bǔ)償可以按式(3)進(jìn)行補(bǔ)償：X(25 ℃)=Xt /[1 +β(t-25)] （3）
式（3）中X(25 ℃)——水樣換算為基準(zhǔn)溫度25 ℃下的電導(dǎo)率;
Xt——水樣在t ℃時(shí)的電導(dǎo)率;
β——水樣溫度補(bǔ)償系數(shù)。
水樣電導(dǎo)率在1～6μS/cm范圍內(nèi)變化時(shí)，β可以取0.02/℃。
4.3給水電導(dǎo)率換算給水pH值
25 ℃給水氫電導(dǎo)率≤0.3μS/cm時(shí)，水中的雜質(zhì)對(duì)電導(dǎo)率的影響非常小。給水加氨后，氨氣溶于水成為弱堿性溶液，增強(qiáng)了溶液的導(dǎo)電能力，使給水電導(dǎo)率示值增大十倍甚至幾十倍。因此給水電導(dǎo)率大小主要取決于水中氨的濃度。水中氨濃度與pH值和電導(dǎo)率之間存在確定的關(guān)系。
在25°C的純水體系中，電導(dǎo)率的，pH值和加氨量符合以下公式的關(guān)系：
pH=lgk+8.57 （4）
A=(13.1k2+62.5k)*10-3 （5）
式（4）（5）中：pH為水樣的pH值；K為水樣的電導(dǎo)率，單位μs/cm； A為水樣的加氨量，mg/L
德國(guó)VGB標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)都建議采用測(cè)量給水，凝結(jié)水的電導(dǎo)率來換算pH，以達(dá)到間接測(cè)量水樣pH值的目的。
利用上述關(guān)系式，經(jīng)理論分析并結(jié)合電廠的實(shí)際情況，得到用電導(dǎo)率換算給水pH值的使用范圍及誤差，結(jié)果見表4.1。
表4.1：給水全揮發(fā)處理（AVT）的電導(dǎo)率、pH值和加氨量的控制范圍
| 給水處理方式 |
pH值 |
電導(dǎo)率/ μs/cm |
氨濃度/ mg/L | 誤差 |
| AVT處理 | 8.8~9.3 | 1.720~5.430 | 0.146~0.726 | ≤0.01 |
為了檢驗(yàn)電導(dǎo)率換算pH值這種方法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可行性，國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)利用這種方法并結(jié)合實(shí)踐做了深入的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，得到數(shù)據(jù)和理論計(jì)算的比較如下表4.2所示：
表4.2 ：25 ℃給水不同加氨量時(shí)pH值、電導(dǎo)率理論和實(shí)測(cè)誤差比較統(tǒng)計(jì)
| 加氨量/ mg/L | 理論pH值 | 實(shí)測(cè)pH值 | pH誤差 | 理論電導(dǎo)率/μs/cm | 實(shí)測(cè)電導(dǎo)率/μs/cm | 誤差/％ |
| 0.194 | 8.9 | 8.89 | 0.01 | 2.14 | 2.15 | 0.47% |
| 0.264 | 9.0 | 9.00 | 0 | 2.69 | 2.69 | 0 |
| 0.364 | 9.1 | 9.1 | 0 | 3.39 | 3.39 | 0 |
| 0.508 | 9.2 | 9.19 | 0.01 | 4.27 | 4.25 | 0.47％ |
4.4 電導(dǎo)率測(cè)量值換算pH值時(shí)的注意事項(xiàng)
（1）電導(dǎo)率表必須經(jīng)過檢驗(yàn)，以確保電導(dǎo)率測(cè)量的準(zhǔn)確性。
（2）水樣氫電導(dǎo)率應(yīng)小于0.3μS/cm。
（3）該方法適用于給誰、凝結(jié)水的pH值測(cè)量, pH值應(yīng)大于8.5。
5自動(dòng)加氨控制的解決方案
5.1給水電導(dǎo)率測(cè)量精度高，控制范圍大
目前有一種多功能分析儀表，它可以直接測(cè)量給水的電導(dǎo)率，在25 ℃、水樣穩(wěn)定、保證電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，具有把電導(dǎo)率換算成pH值的功能。在儀表表頭上可以同時(shí)顯示給水電導(dǎo)率值和pH值，這樣用給水電導(dǎo)率作為控制信號(hào)的同時(shí)，還可以監(jiān)測(cè)給水pH值。由表4.1可以看出，對(duì)于有銅合金的給水系統(tǒng)，電導(dǎo)率一般控制在1.7～5.3 μS/cm范圍內(nèi)，25 ℃給水pH值控制在8.8～9.3范圍內(nèi)，相對(duì)于pH值而言，電導(dǎo)率比pH值控制范圍要寬。另外，給水電導(dǎo)率的測(cè)量較pH值測(cè)量影響因素要少，測(cè)量準(zhǔn)確度高，利用給水電導(dǎo)率和pH值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測(cè)量給水電導(dǎo)率并用其信號(hào)控制加氨，使pH值控制在8.8～9.3范圍內(nèi)，控制加藥會(huì)更及時(shí)、準(zhǔn)確，其精度和準(zhǔn)確度也會(huì)大大提高。
5.2 給水氨自動(dòng)加藥系統(tǒng)控制策略
鍋爐給水加氨處理的目的是提高給水的pH值, 防止給水管道的CO2 酸性腐蝕。其控制框圖見圖5.1。
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圖5.1：給水自動(dòng)加氨控制框圖
氨加藥點(diǎn)設(shè)置在凝結(jié)水精處理出口和除氧器下降管。給水取樣點(diǎn)設(shè)置在給水系統(tǒng)省煤器入口, 用一塊電導(dǎo)率表監(jiān)測(cè)加藥后的給水電導(dǎo)率, 間接測(cè)定氨的含量。這里之所以采用電導(dǎo)率表而不是pH表, 主要是因?yàn)殡妼?dǎo)率表靈敏度較高, 校準(zhǔn)后儀表的維護(hù)量也較小, 完全能達(dá)到除氧器下降管氨加藥點(diǎn)自動(dòng)加氨的要求。
在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中, 電導(dǎo)率表輸出的電流信號(hào)送到輔控網(wǎng)中, 并與設(shè)定值比較, 再由控制器輸出調(diào)節(jié)信號(hào)至計(jì)量泵沖程調(diào)節(jié)器, 以調(diào)節(jié)計(jì)量泵的沖程。另外, 凝給水的流量信號(hào)也送至輔控網(wǎng)控制器中, 根據(jù)給水的流量值控制變頻器的輸出頻率。給水的流量信號(hào)作為調(diào)節(jié)加氨量的主要手段, 而給水的電導(dǎo)率信號(hào)則作為微調(diào)的依據(jù), 從而達(dá)到改變給水加氨量,穩(wěn)定給水pH 值的目的。其等效控制原理圖見圖5.2。
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圖5.2： 自動(dòng)加氨等效控制原理圖
另外加藥系統(tǒng)的工藝過程和特征可以看出，加藥裝置是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)對(duì)象，其具有大慣性、純滯后等特點(diǎn)，而且難于建立加藥系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這就無法采用傳統(tǒng)的PID控制來實(shí)現(xiàn)精確的控制。因此我們必須尋求一種更好的控制方式，將給水流量和給水電導(dǎo)率信號(hào)作為參調(diào)量，建立在模糊集合理論上的模糊控制器，從而使?fàn)t內(nèi)加氨系統(tǒng)等一些不確定的數(shù)學(xué)模型控制對(duì)象具有較好的控制效果，為加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)提供了良好的發(fā)展前景。對(duì)于加藥系統(tǒng)的純滯后問題，則可以采用預(yù)估模糊控制[5]的方式來進(jìn)行校正，從而保證系統(tǒng)的控制精度。
5.2 在機(jī)組運(yùn)行中應(yīng)注意的問題
(1) 在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)盡可能采用自動(dòng)加藥,而在機(jī)組啟停階段, 應(yīng)加強(qiáng)人工監(jiān)視。
(2) 自動(dòng)加藥系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行的前提是化學(xué)表指示準(zhǔn)確、控制器正常工作。
(3) 加藥系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí), 若凝結(jié)水精處理系統(tǒng)投運(yùn)或撤出, 為了保持水質(zhì)的穩(wěn)定性, 可先將氨計(jì)量泵切換至手動(dòng)狀態(tài), 并將沖程預(yù)置于某個(gè)經(jīng)驗(yàn)值, 然后再切換至自動(dòng)狀態(tài)。
6 結(jié)束語
本文是根據(jù)張家口發(fā)電廠爐內(nèi)給水加氨過程中的加藥系統(tǒng)采用常規(guī)控制難以達(dá)到理想的控制效果，提出了采用給水流量為主調(diào)量，給水電導(dǎo)率作為微調(diào)量的預(yù)估模糊的控制方法。對(duì)于改進(jìn)火電廠自動(dòng)加氨控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有重要的參考價(jià)值，值得實(shí)際推廣和應(yīng)用。
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[5]李士勇:模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社1998年
作者簡(jiǎn)介：王鎏(1980—),男,工程師,張家口發(fā)電廠設(shè)備部化學(xué)高級(jí)點(diǎn)檢員。
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