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    1 應用背景 

                           

    電廠化學水處理系統作為電廠輔機程控系統的重要組成部分，其運行關系到整個鍋爐的安全性與生產的連續性，并影響著整個電廠的工作安全性和機組的使用壽命。

    隨著化學水處理工藝的不斷更新變化，復雜程度越來越高，對系統自動控制的要求也越來越嚴格。一般電廠化學水處理自動控制系統都采用以PLC（可編程邏輯控制器）為主，結合現場總線網絡的控制系統來實現，功能包括對化學水處理過程的自動化控制、狀態監視、數據采集、實時報警、統計打印等。

    基于和利時公司LK的化學水處理系統應用解決方案充分發揮了LK在可靠性、易用性、靈活性等方面技術的優勢。與常規控制方案相比，具有控制功能更強大、控制水平更高、開放性更優秀等方面特點。

    2 電廠化學水處理子系統

    電廠的水處理系統一般包含三個子系統：鍋爐補給水系統、凝結水處理系統、綜合水（廢水）系統。

    補給水系統由預處理系統、反滲透預脫鹽系統、化學除鹽系統、酸堿系統四部分組成，控制范圍還包括水工凈水站。

    凝結水系統主要工藝流程包括：凝結水精處理及樹脂再生系統、水汽取樣分析系統、化學加藥系統等幾個部分。凝結水精處理及樹脂再生系統包括混床、樹脂捕捉器、再循環泵、旁路及單元內所有的管道、管件、閥門、就地儀表等；水汽取樣分析系統包括熱力系統的水汽取樣分析系統和凝汽器檢漏取樣分析系統。熱力系統水汽取樣分析系統由高溫高壓架、儀表盤組成。凝汽器檢漏取樣分析系統由檢漏取樣架和分析儀表盤組成；化學加藥系統由三部分組成：給水及凝結水加氨系統；給水加聯氨系統；爐水加磷酸鹽系統。

    廢水系統用來處理電廠的全部廢水，包括灰渣廢水、化學廢水、生活廢水和脫硫廢水等。

    1、鍋爐補給水處理

    其主要目的是將天然水在進入汽水系統之前除去水中的雜質,一般流程為:天然水→ 混凝沉淀→ 過濾→ 離子交換→ 補給水。主要的控制過程如下：

    混凝沉淀：除去水中的小顆粒懸浮物和膠質體物質，有化學混凝和電混凝兩種方式。

    過濾處理：除去混凝處理后的水中殘留的少量懸浮物，常采用石英砂或無煙煤或直接過濾。

    化學除鹽：脫除清水含鹽(金屬離子和酸根)，使之成為可供鍋爐使用的無鹽水。包括陽離子交換，去CO2，陰離子交換，混合離子交換等。

    主要控制：濾池、澄清池、加藥設備、過濾器、陽床、陰床、混床、水箱、泵、風機、酸堿儲存和計量設備等。

       

    2、凝結水處理

    凝結水處理系統包括凝結水精處理系統和體外再生系統。一般由高速混床、陽樹脂再生罐、陰樹脂再生罐、再循環泵、樹脂存儲罐、混脂罐、酸堿設備、沖洗水泵、風機等組成。凝結水處理系統中的設備大都是周期性工作的，要求定時進行還原和再生。

            

    i. 凝結水精處理系統：

    前置過濾器

    前置過濾器的工作狀態有“備用”、“運行”、“沖洗”三種狀態。“備用”狀態是過濾器處于靜止狀態，要經投運程序后才具備運行條件。“運行”狀態是過濾器正常制水。“沖洗”狀態是過濾器運行失效后進行反洗等一系列程序。操作方式分為全自動、步進/ 退、點操三種方式。全自動控制按備用—運行—沖洗—備用的順序循環進行。步進/ 退可以任意啟動某一具體步序，該步結束后自動停止。每臺設備只能處于一種狀態之下。反洗水泵在反洗時一備一用。當第一臺水泵啟動失效時自動啟備用泵并報警，程序不中斷，當備用泵也失效時，系統報警，程序中斷。一次門是帶定位器的調節閥，該閥開度大小的調節在CRT/TFT畫面上以手操方式實現。

    混床和再生設備

    混床和再生設備的工作狀態有“備用”、“運行”、“樹脂輸送”、“再生”。備用狀態表示混床處于靜止狀態，床內為有效樹脂。運行狀態表示混床經升壓、投運等一系列程序后進入穩定制水狀態。樹脂輸送表示混床失效樹脂送入陽再生塔，再生好的樹脂送回混床。再生表示再生設備內的樹脂進行一系列的再生處理。防止樹脂輸送時混淆兩份樹脂，保證在充分的條件下開始再生，必須建立以下輔助標志：“允許樹脂輸送”和“允許再生”。

    ii. 再生系統：

    再生系統的控制方式與前置過濾器系統的控制方式基本相同。

    3、綜合水（廢水）處理

    廢水系統用來處理電廠的全部廢水，包括灰渣廢水、化學廢水、生活廢水和脫硫廢水等。一般情況下，廢水不作為回收利用的對象，只進行達標水處理排放。工藝比鍋爐補給水系統、凝結水處理系統簡單，不再贅述。

    3 化學水處理典型工藝介紹

    目前發電廠水處理的典型工藝有：

    離子交換法

    離子交換法，即利用離子交換樹脂將水中溶鹽的離子吸收。經過一定時間的運行以后，離子交換樹脂會失效，這時就需要停止運行以對樹脂進行再生（還原），以便使樹脂可以重新使用（陽離子交換樹脂失效時，使用酸進行再生，陰離子交換樹脂失效時，使用堿進行再生) 。

       

    RO（Reverse Osmosis）反滲透技術

    RO（Reverse Osmosis）反滲透技術，是先進和節能的脫鹽技術，其原理是利用高分子材料經過特殊工藝制成的半透膜，它只容許水分子通過，而不容許溶質通過。在高壓泵的壓力作用下，原水中的水壓超過滲透壓，水分子則透過半透膜進入另一側，從而獲得除鹽水、純凈水。而原水中的溶解和非溶解的無機鹽、重金屬離子、有機物、菌體、膠體等物質均無法通過半透膜，被截留在濃水中。

       

    EDI (ElectroDeIonization ) 填充床電滲析

    EDI (ElectroDeIonization ) 填充床電滲析，又稱電去離子法，是一種將離子交換技術、離子交換膜技術和離子電遷移技術相結合的水處理技術。利用離子交換能深度脫鹽來克服電滲析極化而導致的脫鹽不徹底，利用電滲析極化而發生水電離產生H+和OH-離子實現樹脂自再生來克服樹脂失效后通過化學藥劑再生的缺陷，是20世紀80年代以來逐漸興起的新技術。經過十幾年的發展，EDI技術已經在北美及歐洲占據了相當部分的市場。

       

    幾種典型工藝的比較

    表1 給出了離子交換、反滲透、電去離子三種典型化學水處理工藝的比較。從表中可以看到，從處理技術的先進性、處理效果、對環境的污染等方面電去離子法相對于另外兩種方法具有明顯的優勢，發展前景廣闊，但由于其項目的前期資金投入比較多，對原水水質要求較高和其他方面的因素，在國內電廠化學水處理工藝上應用范圍還很有限。離子交換法和反滲透法需要的項目前期資金投入相對較少，而且在國內應用比較普遍、工藝比較成熟。

    表1 幾種典型化學水處理工藝的比較表

        

    比較項目 傳統除鹽方式 改良的除鹽方式 綠色的除鹽方式

    處理方法 離子交換 反滲透，RO 電除鹽，EDI

    項目初期投資 低 中 高

    運行費用 高 中 低

    環境污染程度 高 中 無

    進水水質要求 低 中 高

    出水連續性 低 中 高

    產水率 低 中 高

    出水水質 低 中 高

    4 基于LK PLC自動化控制系統設計

    目前，離子交換法化學水處理工藝在電廠中應用最為普遍，其控制系統主要是通過對水處理設備，以及相關的閥門、水泵等設備的控制，實現整個化學水處理流程的整體投運、設備切換、清洗再生和整體停運等工序的自動控制。

    化學水處理自動化控制系統由兩臺操作員站、一臺工程師站和三個冗余PLC控制站構成。上位計算機系統采用工業級計算機構成功能強大的監測與控制系統，計算機上安裝和利時公司的FacView工業監測與控制系統軟件，通過合理的系統設計和系統組態，實現對整個化學水處理工藝流程的動態監視和控制。通過上位計算機系統和強大的工業控制傳輸網絡，實現對整個生產工藝工程的自動化管理和控制。

    PLC選用和利時公司HOLLiAS LK系列PLC冗余控制器，控制系統采用雙機熱備冗余方式，通過遠程I/O的方式連接現場需要監測與控制的點。冗余的主控制站可以保證系統的停機維護時間為零，最大限度的減少人對系統的干預。主控制系統熱備系統和遠程I/O控制站之間采用高性能的冗余PROFIBUS-DP工業總線傳輸網絡，實現信息的可靠、安全、穩定的傳輸。

       

    PROFIBUS-DP是一種高速和便宜的現場總線，它專門設計為自動控制系統和設備級分散的I/O之間進行通信使用。

    上位計算機系統與PLC控制單元之間采用工業以太網傳輸網絡。以太網屬國際標準，工業以太網已達到高傳輸安全性和可靠性要求，現已廣泛用于程序維護、向MIS和MES系統傳遞工廠數據、監控、連接人機界面、記錄事件和告警。工業以太網具有高傳輸速率(目前達到100Mbps)、交換機技術的確定性、不需考慮網絡的拓撲結構、傳輸物理介質多樣(雙絞線、光纖)、網絡的擴展等優點。

    通過以太網絡將上位計算機系統和現場監測與控制點緊密的結合為一個整體，構成一個完整的系統。在這樣高速傳輸網絡上，可以很方便的利用PLC系統所特有的功能，實現對整個控制系統的計算機在線遠程診斷功能。

        

    本化學水處理系統控制系統解決方案選用LK中支持冗余功能的CPU，其基本模塊性能如下：

?  型號：LK210 支持冗余

    處理器主頻：533 MHz

    存儲器：用于程序：16MB；用于數據：64MB＋1MB掉電保持

    指令執行時間：位操作，最小0.013?s；字操作，最小：0.013?s；浮點數加法，最小：0.2?s

    I/O點容量：數字量通道，最大57344；模擬量通道，最大3584

    通信接口：2路以太網接口、2路PROFIBUS-D總線接口，2路串行接口

    支持冗余、支持帶電插拔

    供電電壓：20.4～28.8VDC

    支持多任務運行，最多支持32個任務

    以某自備電廠的水處理系統中的補給水系統為例，系統采用RO反滲透+離子交換處理工藝，系統包含6組機械過濾器，4組RO，3組混合離子交換器，水泵（清水泵3，反洗泵1，高壓泵4，中間泵3，沖洗泵1，卸酸1，卸堿1，除鹽2，再生3，清洗
1）。控制系統主要設備配置如下：

       

    序號 模塊名稱 型號及規格 數量

    控制站（DI:260 DO:162 AI:66 RTD:21 A0:13）

    1 電源模塊5A LK910,電源模塊，輸入120/230VAC，輸出24VDC，5A 6

    2 CPU模塊 LK210,冗余CPU模塊，533MHZ，位指令0.013ms/K，程序16M，數據64MB＋1MB掉電保持區 2

    3 通信接口模塊 LK231,PROFIBUS-DP通信接口模塊 5

    4 16點數字量輸入模塊 LK610,16通道數字量輸入模塊，12/24V DC，漏型 17

    5 16點數字量輸出模塊 LK710,16通道常開晶體管輸出模塊，24V DC 11

    6 8點模擬量輸入模塊 LK411,8通道模擬量輸入模塊，16位，電流信號 9

    7 4點模擬量輸出模塊 LK511,4通道模擬量輸出模塊，12位，電流信號，隔離 4

    8 6點熱電阻輸入模塊 LK430，6點熱電阻， 4

    9 本地背板 LK121,本地背板，冗余CPU插槽，10 IO槽 1

    10 擴展背板 LK111,本地背板，10 IO槽 4

    11 擴展電纜 3M LKX002 2

    12 占空模塊 LKC131 3

    13 LK I/O端子矮蓋板 LKC110 48

    14 I/O端子矮蓋板透明標簽 LKL022 48

    15 I/O底板編碼銷轉動工具 LKF003 1

    5 系統功能

    本軟件系統是以微軟公司的Windows 2000/Windows XP為工作平臺使用和利時公司FacView 監控組態軟件開發出來的，全中文組態，功能強大，易學易用，完全開放。

    軟件系統按工藝過程設計有足夠多的監控畫面，對每一個工藝處理過程都可監控及操作。各監控界面可用于監視流程狀態也可在畫面上對流程實施操作，將整個工藝流程在監控畫面上反映出來，同時畫面以虛擬儀表的方式實時顯示現場的信息，具有直觀、動態、實時的效果。

        

    運行人員可通過計算機對整個化學水處理系統實現生產過程狀態監視、數據采集、實時圖形監視、實時報警、統計打印等。即運行人員在控制室就可以對報表、圖形實時查詢，對生產情況進行了解并作出指導，實現生產管理自動化，并可與上位機聯網通訊，提高全廠自動化水平。

    化學水處理系統控制方式設計為現場設備就地手動控制、遠程手動控制、遠程自動控制三種控制模式。即使在程控系統完全故障的情況下還可以通過就地控制實現手動制水，保證機組鍋爐的可靠用水。控制箱上選用3位選擇開關，分別為就地開、就地關、遠程控制。選擇遠程控制時，控制閥由操作員在操作站上控制。操作員可以在操作站對控制閥進行狀態監視和動作控制，對控制閥的控制可分選擇自動和手動方式。在自動方式時控制閥受PLC邏輯程序控制，在手動方式時控制閥由操作員直接在操作界面上點擊控制。

        

    具體控制程序設計包括：

    正常制水程序控制

    水箱水位控制

    制水設備自動切換投運的控制

    機械過濾器的清洗、自動切換控制

    除鹽與反洗、再生的全自動周期運行控制

    陰床、陽床的再生程序控制

    混床再生的自動周期運行控制

    加酸、加堿系統控制

    廢酸、廢堿中和系統控制

    壓縮空氣系統控制

    其他控制功能

        

    一級除鹽設備的投運和再生由PLC實現自動控制，也可通過鍵盤和鼠標在控制室內的操作站上進行遠方操作。一級除鹽設備的出水導電率超過規定值或周期制水量達規定值時，自動解列并報警，然后自動投入再生程序。混合離子交換器的投運和再生由PLC實現自動控制，或者通過鍵盤和鼠標進行遠方操作。當混合離子交換器出水導電率和二氧化硅超過規定值，或周期制水量達規定值時，自動解列并報警，然后自動投入再生程序。高效過濾器和活性碳過濾器由PLC實現自動控制，也可采用鍵盤和鼠標在控制室內的操作站上進行遠方操作。當其進出口壓差超過規定值，或周期制水量達規定值時，自動解列并報警，然后自動投入反洗程序。以上操作以前都由操作人員執行，執行新系統后上述操作都可以不需要操作人員干預。

    中間水箱水位由PLC實現自動控制(通過調節陽床入口調節閥)，使一級除鹽系統投運時中間水箱水位穩定在正常位置。中間水泵啟停與中間水位聯鎖，低液位啟泵、高液位停泵，保證中間水泵的安全使用。

        

    閥門、泵等的控制狀態顯示，自動/手動/就地操作和選擇聯鎖。系統所有流量、壓力可在操作界面上實時監視，原水流量、陰床出口流量、混床出口流量顯示積算并作歷史紀錄，可分別查看一級除鹽、混床再生制水量。

    系統控制每列除鹽裝置的投運、停止和再生程序、自動加酸加堿程序、自動/半自動啟動另一列除鹽裝置程序等。對于順控設置必要的分步操作、成組操作或單獨操作等，并有跳步、中斷或旁路等操作功能。系統投運以及活性炭清洗、一級除鹽再生和混床再生可由系統自動完成或操作員步延、步進手動干預，在操作站界面上顯示各步驟設定時間和剩余時間以及步進、步延指示等。

    為便于管理，查找誤操作的時間，在控制系統中設有操作記錄畫面，可以隨時反映操作員的工作記錄。在參數設置畫面中具有工程師級別的人員可以根據情況修改每個步序的時間長度。在打印生產報表畫面中操作員可以根據需要隨時打印生產報表。由excel在制表方面的特長，所以報表的格式可以隨心所欲。

    6 系統特點

    系統先進、可靠、性能價格比高

    系統自動化水平高，有利于保證生產連續、穩定和出水水質的穩定性

    系統控制方式多樣，具有完善的聯鎖、保護功能，自適應能力強

    系統運行方式多樣，設置有程控、步進、單操、就地手動等功能

    上位監控軟件功能豐富、完備，操作靈活、維護方便

    優良的開放性和可擴展性，預留與其他系統的通訊接口

    7 結束語

    作為電廠工藝流程中的重要的環節，化學水處理系統自動控制在整個電廠的自動控制系統中有著舉足輕重的地位。它的工作狀態將直接影響整個鍋爐系統的安全性與經濟性，并影響到整個電廠的工作穩定性與可靠性。本文總結了和利時公司LK在化學水處理自動控制系統中的項目實踐經驗，并在此基礎上完善了系統設計和功能，為保證整套水處理設備安全、高效、穩定運行提供了更加合理的解決方案，具有很好的借鑒和推廣價值。

    參考文獻

    [ 1 ] 王平洋，電力系統自動化與智能技術[J]，電力系統自動化

    [ 2 ] 林濟群、錢學裘，發電廠智能監控系統[J]，中國電力,

    [ 3 ] 方承遠，《工廠電器控制技術》，機械工業出版社

    [ 4 ] 顧戰松，《可編程控制器原理與應用》，國防工業出版社

    [ 5 ] 和利時公司，HOLLiAS LK大型可編程控制器硬件手冊，2008