锅炉补给水系统的自动控制设计.pdf

锅炉补给水系统的自动控制设计 肖 冰 锅 炉补给水 系统的 自动控制设计 肖 冰 ( 北京 朗新明环保科技有限公司设计研发 中心 北京，1 0 0 0 3 9 ) 摘要：锅炉补给水处理实现自动化的目的是实现整个水处理系统安全可靠运行，确保优质的出水水质或达到规定的 标准，提高管理人员的劳动生产率、降低能源与物料消耗。针对采用超滤+反渗透+离子交换法工艺的水处理，提出自动 控制设计方案，主要包括现场仪表的设计选型及配置、控制系统的设计等， 并给出了自动控制功能的要求。将锅炉补给水的 自动化设计应用于天津北塘发电厂，取得了良 好的应用效果，提高了现场工作人员的工作效率。 关键词：锅炉补给水；自动控制；仪表选型；P L C DC S Ab s t r a c t ：Bo i l e r f e e d wa t e r s y s t e m a u t o ma t i o n i s t o a c h i e v e t h e p u r p o s e o f the e n t i r e wa t e r t r e a t me n t s y s t e m f o r t h e s a f e a n d r e l i a b l e o p e r a t i o n ， En s u r e tha t t h e q u a l i t y o f e f fl u e n t q u a l i t y o r t o r e a c h the r e q u i r e d s t a n d a r d I mp r o v e the ma n a g e m e n t o f l a b o r p r o d u c t i v i t y T o r e d u c e e n e r g y a n d ma t e r i a l c o n s u mp t i o n Ac c o r d i n g t o the wa s t e wa t e r t r e a t me n t p l a n t u s i n g u l t r a fi t r a t i o n ，r e v e r s e o s mo s i s ， i o n e x c h a n g e T e c h n o l o g y , Au t o ma t i c c o n t r o l d e s i g n s c h e me i s p r o p o s e d M a i n l y i n c l u d e s s e l e c t i o n a n d c o n fi g u r a t i o n o f fi e l d i n - s t r u me n t s ， d e s i g n o f c o n t r o l s y s t e m， a n d the a u t o ma t i c c o n t r o l r e q u i r e me n t s i s p r o p o s e d T h e a u t o ma t i o n d e s i gn a n d a p p l i c a t i o n o f wa s t e wa t e r t r e a t me n t p l ant i n the T i a n j i n g B e i t a n g p o we r p l ant ， o b t a i n s a g o o d a p p l i c a t i o n e f f e c t ， i mp r o v e wo r k i n g e ffic i e n c y o f E n g i n e e r i n g s t a ff Ke y wo r d s ： Bo i l e r f e e d wa t e r s y s t e m； Au t o ma t i c c o n t r o l ； I n s t r u me n t s e l e c t i o n ； P L C DCS 中图分类号：T P 2 7 3 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 1 - 9 2 2 7 ( 2 0 1 3 )0 6 - 0 0 4 0 - 0 3 0 概述 自动化技术的普遍应用，极大地把人类从繁杂的体力劳动 和不安全的工作环境中解放出来，明显改善了人类的工作环境 和提高了人类的生活质量。不仅如此，自动化技术的应用，还 增强了企业的竞争能力，让企业在激烈的市场竞争中立于不败 之地 。 锅炉补给水处理过程实现 自动化的目的是实现整个水处理 系统的安全可靠的运行，确保优质的出水水质，提高管理人员 的劳动生产率、降低能源 与物料 消耗 11 。 1 主要工艺流程 本文主要针对采用超滤+反渗透+离子交换系统工艺的锅 炉补给水处理系统，提出自动控制设计方案。 主要工艺流程为 ：主厂房生水加热器 出水 一 生水箱 一 生 水泵 一 自清洗过滤器 一 超滤 一 超滤产水箱 一 清水泵 一 保 安过 滤器 一 反渗透 高压泵 一 反渗透装 置 一 反渗透产 品水箱 中间水泵阳离子交换器阴离子交换器 一 混床 一 除盐水 箱 一 除盐水泵。根据工艺流程可以分为预处理系统，超滤处 理及其辅助系统，反渗透处理及其辅助系统，膜处理加药系 统，膜处理清洗及冲洗系统，离子交换系统等。 2 自动控制系统设计 一 套完整的自动控制系统设计，就地设备及工艺参数的测 量是必不可少的，通过对过程参数的数据采集，配套 DC S 或 收稿 日期 ：2 O 1 3 - 0 8 - 2 5 作者简介 ：肖冰 ( 1 9 7 9 一 ) ，女 ，硕士，工程师，主要从事 过程 自动控制 的设计研发工作 。 4 0 P L C控制 系统 ，完成 对整 个工 艺工程 的在 线测量 、监 视及控 制 。 2 1 仪表选 型及 配置 根据工艺流程和工厂管理的需求，配置合理的在线仪表， 正确显示设备状态及工艺过程参数。仪表主要包括温度仪表、 压力仪表、流量仪表、液位仪表、分析仪表等。 在锅炉补给水处理工艺过程 中，压力和流 量测 量仪表是应 用最广的测量仪表。压力测量主要为就地指示压力表和远传的 压力变送器 、压力 开关 。在每 台泵 的出 口设置就地 压力表，应 选择耐震型。对于带腐蚀性的介质要选用隔膜压力表I 。 反渗 透装置进水 、各段 出水 、排水分别 设置就地 压力表 ， 用于监视运行压力。每台阴、阳、混床进 出口装设压力指示 表 。 反渗透高压泵 的入 口设置低压力 开关 ，出 口设置高压力开 关，以便进水压力偏低 时报警停泵 ，或出 口压 力偏 高且持续一 段时间仍不回复正常时报警停泵 。保安过滤器进出 口安装压力 开关或差压表，以便了解滤芯堵塞情况。 超 滤 的出口、入 口、浓水 设置压力变送 器 。反渗透入 口、 出 口、段 间设 置压力变送器 。 流量测量仪表常用电磁流量计和差压式流量计。电磁流量 计要求测量介质必须具有导 电能力 ，电导率大于阈值 。若 电导 率低于阂值会产生很大的测量误差。电磁流量计在选型时，根 据工艺介质，要选择合适材质的电极，对于没有腐蚀性的水来 说，选择不锈钢电极就能满足要求。并要考虑安装位置是否方 便人员查看，若管道安装位置比较高或者很难观察到，需要选 择分体式的电磁流量计，将变送器和传感器分开的，这样传感 器可 以安装 在容 易查看 的位 置 。电磁流量 计应 该有 良好的 接 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表) 2 o 1 3 年第 期( 总第 1 7 0 期) 地 。锅 炉补 给水 系统应 在反 渗透 系统之 前 可 以选 择 电磁流 量 计。在反渗透系统之后，水的导电率很低，通常选择差压式的 流量 计。差压式流量计主要包 括孔板类流量计 、巴类 的流 量计 等。流量仪表安装注意要满足前后直管段的要求。锅炉补给水 工程中超滤的产水，反渗透进水，泵出口母管，离子交换设备 的出口要求配置流量仪表。除盐水泵出口母管设置流量指示： 每台酸、碱喷射器入口设置流量指示；系统总进水母管设流量 指示；反渗透总进水设流量指示等。 锅炉补给水处理过程中常有水池、水箱等，根据具体情况 选用合理的液位计。通常开放式的水池，设置超声波液位计。 超 声波液位计测量精度 较高、稳定性也不错 ，并 且不需要与被 测介质接触。而在药罐上通常配置磁翻板液位测量仪表，这类 仪表既能提供明显的就地指示，而且可以将液位的模拟量或开 关量信号远传到控制系统。室外水箱设置带远传信号的静压式 液位计 。 在水处理过程中分析量的测量尤其重要，这是反应水质好 坏 的重要 参数 ，如 P H、oRP 化还 原 电位 表J 、 电导率 、硅 的含量 、浊度等 。 每列超滤出口管设浊度仪表。反渗透的总进水设置 ORP 表，P H表，电导率表。每台阳床出口要求配供钠表；每台阴 床出口要求配供电导率表；每台混合离子交换器出口要求配供 硅表、电导率表 ；除盐水泵出口母管要求配供硅表、电导率 表。 2 2 控 制系统 的选型及 配置 根据具体的输入输出点数及控制功能要求， 选择合适的控 制系统。DC S 和 P L C作为计算机技术和控制技术结合的产物， 为污水处理过程 自动化水平的提高都作出了各 自的贡献 。目 前用于污水处理厂 自控系统的基本形式主要有三种：DC S 系 统、现场总线系统和P L C控制的系统。从规模来看三种系统所 适用的规模是不同。DC S 系统和现场总线系统一般适用于控制 点比较多而且厂区规模比较大的系统，P L C的控制则用于小型 而且控制点比较集中的控制系统。DC S 系统适用于模拟量多， 闭环控制多的系统。而现场总线系统的主要优势是适用用于控 制点相当较少而且特别分散的系统 。从施工和维护的角度来 看，传统的 DC S系统布线的工作量要远远大于现场总线系 统 。此外 ，现场 总线系 统与 DC S 系统 相 比，还有 最为 重要 的 一 点是开发性好 ，扩展方便 。 由于锅炉补给水的工艺流程长，布置比较集中，通常采用 集散式控制，考虑采用DC S 控制系统较普遍，若有距离 比较 远相当集中地控制设备，可以考虑设置远程1 0站 。通常在综 合楼设置中央控制室，根据控制规模及厂里人员设置，配置2 套至4 套操作员控制站。 3 自动控 制功 能的要求 对于工艺系统内所有的电动 气动阀门、风机、泵等设备 均采用 自动控制、远方控制和就地控制三种控制方式。就地控 制模式：设备的现场控制箱或MCC控制柜上的 “ 就地 远方” 开关选择为 “ 就地 ”方式时，通过现场控制箱或MC C控制柜 上的按钮实现对设备的启 停、开 关操作。远方控制模式：即 远方手动控制方式。现场控制箱或MC C控制柜上的 “ 就地 远 方 ”开关选择为 “ 远方 ”方式，操作人员可 以通过 中控系统操 作站的监控画面用鼠标或键盘选择 “ 远控”方式并对设备进行 启 停、开 关操作。自动控制模式：现场控制箱或MCC控制 柜上的 “ 就地 远方”开关选择 “ 远方 ”方式 ，且控制站的 “自动 远控 ”设定为 “自动 ”方式 时，设备的运行完全 由各控 制站根据污水处理厂的工况及生产要求来完成对设备的运行或 开 关控制，而不需要人工干预。控制方式设计为：就地手动 控制优先，在此基础上，设置远方控制和 自动控制。控制级别 由高到低为 ：现 场手动控 制 、远 方控制 、 自动控$ 1J t sj 。锅 炉补 给水系统 自动阀门常以气动阀门为主，气动阀门的控制电磁阀 相对集中布置在就地电磁阀柜 箱 内，并尽量考虑设备的完整 性，例如每个超滤装置设一个电磁阀柜，公用的阀门采用就近 布置。在电磁阀柜面板上设有就地操作开关，就地 远操开关 采 用钥匙 型开关 ，所 有 的钥匙 型开关 均可 以用 一把钥匙操 作 ， 既避免了操作人员带多把钥匙，又避免了无关人员的误操作。 采 用此工艺 的锅炉补给水 处理 主要的控制功能要求至 少包 括以下过程控制：以顺序控制为主 。 、 超滤装置的顺序启动、运行、反洗、正冲、停机； 反渗透系统的产水、停机冲洗和停运冲洗； 阳离子交换器的运行、退出、再生、备用、投运； 阴离子交换器 的运行 、退 出、再生 、备用 、投运 ； 混床 的运行 、退 出、再生 、备用 、投运 。 4 应用实例 天津北塘热 电厂2 x 3 5 0 MW机组的锅炉及热网补给水处理 系统 最终 设计规 模为 1 0 0 吨 , b时 ，处理 工艺采 用超 滤 +反渗 透+离子交换法。具体要求如下： ( )按工艺流程配置必要的液位、流量和水质分析等检测 仪表； ( 2 )全部检测仪表及 电气设备的运行信号的传送和显示； ( ， )根据 电气设备的运行要求及主要工艺参数的控制要 求，设置 自动控制 系统。 本项 目根据工艺要求，配置必要的测量仪表，就地压力表 9 D 套，压力开关6 套，压力或差压变送器乃套，磁翻板液位仪 表 2 套，静压式液位计 7 套，电磁流量计 ， D 套，孔板流量计 I ， 套 ，浊度仪表 4 套，P H仪表 ， 套 ，电导仪表 ， 0 套等 。 采集过程参数，每个气动阀门均采用双电控方案：DO： 2 点 DI ： 2点；每个 电动 门 ：DO： 2点 DI ： 3点 ；每 台 电动机 DO： 2 点 DI ： 4 点 。实际测点数量如表 1 所示 。 表 1 实 际测点 D I D O A I A O 预处理系统 4 8 2 2 1 5 超滤处理及其辅助系统 7 8 7 2 2 4 反渗透处理及其辅助系统 4 2 3 0 3 0 3 膜处理加药系统 9 6 5 4 2 4 2 2 膜处理清洗及冲洗系统 3 6 1 8 6 离子交换系统 1 4 5 1 2 4 1 8 其它 4 8 2 4 1 4 9 实际点数总计 4 9 3 3 4 4 1 3 1 3 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅炉补给水系统的自动控制设计肖冰 根据控制 点数及工艺对控制 的要求 ，配置 一套 北京 国电智 深控制技术公司提供的DC S 系统E DP F ，设置中央控制室，布 置操作员站 2 套、打印机 1 套、工程师站 1 套。此控制系统 已 投运 ，运行 良好 。 参考文献 【 1 】李培元 。 火力发电厂水处理及水质控制【 M ， 北京： 中国电力出版社 2 0 0 8 【 2 】孙洪程， 李大宇， 过程控制工程设计 M】 ， 北京： 化学工业出版社 2 0 0 9 3 】孙 伟 ， 黄奕乔， D C S 控制系统在化学补给水处理程控系统中的应用 J ， 控制工程， 2 0 1 2 ( 1 4 ) + 4 】于连国， 李珍芳等 P L C在锅炉化学补给水处理自动控制系统中的 应用【 J 】 ， 自动化仪表， 2 0 0 5 ( 6 ) 5 】朱孟强， 锅炉补给水处理控制系统的设计优化 J ， 仪器仪表用户 ， 2 0 1 1 ( 5 ) 6 齐宪华， 锅炉补给水顺控系统的应用 J 】 ， 制造业自动化， 2 0 1 1 ( 3 ) ( 上接 第 3 9页 ) 统的运行、故障状态及实时打壳压力值 ，也可进行参数设置。 另设置9 个按键，满足参数设置、手动控制的需要。设计采用 一 片 Z L G7 2 9 d 6 j 键盘 L E D专用驱动芯片 ，实现数码管显示、 LE D指示灯 显 示和 键盘 扫 描功 能 ，与核 心 板 L P C1 1 C1 4 通 过 F c接 口通信，使用双向数字隔离器实现电气隔离。 3 软件设计 系统采用 T KS t u d i o I D E集成开发环境，完成工程项 目的 建立、管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件 仿真 等。 3 1 主程序 测控模块的软件基于L P C1 1 C1 4 的资源和功能需求进行开 发，主要包括初始化程序、任务调度程序、 自动下料控制程 序、手动下料控制程序、参数设置程序、C A N通信服务程序 以及显示控制程序。 初始化程序负责芯片的寄存器设置、I 0配置、参数初始 化、C AN接口配置等操作并进行 自检，使系统进入任务工作 状态。任务调度程序根据当前测控模块的工作模式，调用不同 的任务程序 ，其 中最主要 的是 自动下料控制程序 ，这是测控模 块的核心，正常工艺下设备都处于此工作模式，其工作流程如 下：收到自动下料控制信号后，采集打壳气压和气缸、料仓状 态信号，调用优化算法，计算下料装置的控制参数，控制输出 回路完成下料工艺，并对下料装置的动作进行监测，发现故障 立即报警，在面板显示并通过C A N总线网络传输给车间监控 P C。手动下料控制程序主要是配合生产实现故障和非正常条 件下的下料控制，具有手动单打、连打功能。参数设置程序用 于现场调整生产工艺参数，并将参数保存在E 2 p ROM 中，防 止掉 电后数据丢失 。显示控制程序通过 ， c总线接 口控制 Z L G7 2 9 0 驱动芯片， 实现数码管显示、LED指示灯显示和键盘 扫描功能 。 3 2 C A N 总线通信程序 C AN通信程序主要用于报警信息、工艺数据的上传和控 制参数远程设置，通信数据量小，数据流的解析与管理较为简 单，因此采用了 “ 命令一 响应”模式通讯协议，实现简单、可 靠且有效的主从通信。 程序开发采用L P C1 1 C1 4 微控制器内嵌的C A N驱动AP I 库 通过调用 AP I 函数完成 C A N控制器配置、报文对象配置 、 4 2 C A N中断管理、C A N通信等工作，快速实现 C AN应用编程， 通信编程 如图 所示 。 ( 到 建 敞 件 c N _带 幽 ： l 褙嫱 N 控制鼯、鼗 髓被特率 髓 置攫 邂接收保 对艇 糙辍c 终端 应 籀收数糕 棱收l鞭辚 憩蛙 状 拣 罐帻悄息并艘 端蜮僖摩侧徽 t 棚 糊髓 撵噬 坏队铡 并 艘 堪剽 N 总钱 图 5 C AN通信编程流程 4 结语 采用 C AN总线通信技术、信号采集隔离技术和， 2 位高性 能A RM芯 片，设计实现 的铝 电解 槽下料装 置测控模块 ，较 好 的解 决了强干扰工业现场下数据采集 、优化算 法控 制、远程 可 靠通信等问题，为铝电解 自动化生产提供了有效支持。本系统 已在 中铝兰州分 公司某车 间投入试运行 ，整体运行稳 定，通 信 可靠。通过测控模块优化控制后，电解槽的堵料、锤头粘连现 象大幅减少，阳极效应减少 4 f J 提高了生产效率，降低了生 产人 员的劳动强度 。 参考文献 【 1 】王天成 1 8 0 k A铝电解槽打壳、 下料系统方式的改造实践【 J 有色设 备 ， 2 0 1 0( 0 5 ) ： 2 6 3 0 【 2 阳宪惠 工业数据通信与控制网络【 M 北京： 清华大学出版社 ， 2 0 0 2 ： 8 4 1 3 5 【 3 】L P C1 1 l x L P C1 1 C x xUs e r ma n u a l ， NXPBV 2 0 1 2 【 4 唐晓英， 张天湘， 刘伟峰 生物实验室培养控制平台设计 J 电子技术 应用， 2 0 1 0 ， 3 6 ( 8 ) ： 3 7 4 0 5 谭颖琦， 范大鹏， 陶溢 基于线性光耦采集电路设计与实现 J 电测 与仪表， 2 0 0 6 ， 4 3 ( 4 8 6 ) ： 4 6 4 8 6 艾红 基于 D S P 的多路数据采集显示系统 J 化工 自动化及仪表， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 1 O ) ： 1 3 1 8 - 1 3 2 2 7 牛跃 听， 周立功， 方丹 C AN总线嵌入式开发一 从入 门到精通 M 北京 ： 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 1 2 ： 1 9 4 3 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m