基于S7-300的电厂化学加药程控系统研究

0引言

要保障电厂热力系统水汽质量达到要求,其中一项重要措施就是减少杂质的产生,这些杂质主要是金属的腐蚀产物。要抑制热力系统的腐蚀,需要向给水中加入化学药剂,就是给水的化学加药系统。热力发电厂化学加药系统采用工业控制计算机网络系统与高可靠、大型PLC相结合的方式构成控制系统局域网,作为辅助车间联网控制系统的二级子系统。本文根据化学加药系统的原理及工艺流程,分硬件配置和软件控制及组态部分设计了发电厂的化学加药程控系统,采用S7-300系列PLC实现下位机控制,Intouch实现上位机控制。设计中PLC和控制子站及其网络都采用了双网双冗余的配置方式,有效提高了控制系统的可靠性,保证了机组加药系统安全运行。

1化学加药系统简介

在发电厂中,水的质量高低决定了机组运行的效率甚至安全性。为了调节给水、炉水的化学工况,防止热力设备腐蚀、结垢、积盐,需要向汽水系统中加入NH3、联氨、磷酸三钠等水处理药剂[1]。给水加氨可以中和水中游离的二氧化碳,并碱化介质,把给水的PH值控制到需要的范围。联氨是还原剂,不但可以和水中的溶解氧直接反应,将其还原成水,还能将金属高价氧化物还原为低价氧化物。加药系统可以控制汽水系统中杂质的含量,防止系统产生结垢甚至腐蚀,影响机组的安全运行。

2化学加药控制系统方案设计

2.1 总体方案

化学加药控制系统采用一套双机热备、双缆冗余的S7-300系列PLC系统,对给水及凝结水加氨系统、给水及凝结水加联氨系统、给水及凝结水加氧系统、闭式冷却水加药系统、空气预热器清洗加碱系统以及汽水取样系统进行全过程自动监控;根据系统地理位置分布,各系统的I/O模件分开设置机柜,并配有各自独立的电源模块;远程I/O通信采用冗余配置。这样的系统配置使化学加药系统实现了网络化、信息化控制。化学加药系统形成一个相对独立的网络,还配有上层网络要求的通信接口的软硬件,这样整个车间就可以对加药系统进行集中监视和控制。汽水取样间布置操作员站,可以实现对几个子系统的操作和控制。

2.2通信接口

网络交换机选用工业级RS-1600,采用无源底板、机架式模块化结构,具有智能数据交换和独立代理操作的基本功能。每台交换机配置有2个光口和8个电口(以太网RJ-45接口),接口数量还可以扩展。此接口可以和S7-300 PLC的通信端口连接,端口是速度为10M/100M的双缆双冗余以太网,可靠性极高,可以实时高效地访问加药系统的全部数据,为上层控制系统访问和控制实时数据和历史数据提供了保障。

2.3 系统I/O点数统计

要设计控制系统,首先要统计整个加药系统中所有的输入信号和输出信号(表1),系统中DI信号是阀门开到位信号、液位信号、控制箱上的按钮信号、开关信号等;DO主要是电磁阀、接触器线圈,控制计量泵和备用泵的启停及流量的大小。AI模块主要采集来自PH值测量仪表、液位传感器测量仪表、给水流量测量仪表、电导率仪表等电化学仪表的值;而AO则控制变频器的给定值、阀门的开度等信号。

其中I/O点、程序存储器、电源系统都采用了冗余配置。控制系统直流回路DC24 V,为了隔离干扰信号,所有开关量I/O模件均有带指示的继电器进行隔离。

3 PLC控制系统结构设计

3.1硬件结构

硬件选用西门子S7—300系列PLC,具体拓扑结构如图1所示,主站电源模块选用5A的PS6ES7307;CPU 315—2 DP处理速度快,对二进制和浮点数具有很强的处理能力[2—3],还带有DP口,128 KB内存,可以形成主从式控制,建立分布式IO站,工程师可根据具体需求灵活开发故障诊断和维护策略,并通过在线编程实现动态优化[4];第三个机架选择以太网通信模块CP343—1进行通信。两个机架采用相同的配置,采用两个同型号的控制器热备方式,用双工冗余电缆来提高系统通信的可靠性。

从站由1#站给水及凝结水氨液加药装置、2#站给水及凝结水联氨加药装置、3#站给水及凝结水加氧装置、4#站闭式冷却水加药装置、5#站空气预热器清洗加碱装置、6#站汽水取样数据采集装置等六部分组成。每个站的硬件由电源模块、通信模块、接口模块、输入模块和输出模块组成。

控制系统由7个控制柜组成:给水及凝结水加氨系统控制柜、给水及凝结水加联氨系统控制柜、给水及凝结水加氧系统控制柜、闭式冷却水加药系统控制柜、空气预热器清洗加碱系统控制柜、汽水取样数据采集柜和CPU控制柜。汽水取样间配置1台上位机。化学加药程控系统控制柜和操作员站安装在汽水取样间,就地I/O站6个。

3.2远程I/O硬件组态

远程I/O安装在距离现场设备较近的集控室内,组态图如图2所示,它是PLC的一部分。主控室的CPU处理器通过PROFIBUSDP访问远程的IO处理器,为了提高控制系统的可靠性,远程IO处理器也通过两根通信电缆传输数据,一根电缆的数据被采用,另一根数据备用。电源模块为PLC系统的主机、通信模块和I/O模块提供所需的直流电源,安装在机架的第一个槽位上,便于散热。开关量输入模块型号为6ES7 321—1BH02—0AA0,此模块工作电压是DC24 V,具有16个输入点,输入信号经光电隔离送给PLC,每个信号的状态由模块上对应的LED指示。开关量输出模块型号为6ES7322—1BH01—0AA0,此模块工作电压是DC24 V,具有16个输出点,每路最大输出电流为500 mA。模拟量输入模块型号为6ES7 331—7KF02—0AB0,此模块有8路模拟量输入,它将接收到的4~20mA电流信号转换成相应的数字信号送入控制器中。

4PLC程控系统设计

4.1给水及凝结水加氨系统

给水处理的作用是消除给水系统的一般性腐蚀(例如游离的二氧化碳腐蚀、氧腐蚀)和流动性腐蚀,抑制了腐蚀就减少了给水带入锅炉的腐蚀产物及其他杂质,能防止因腐蚀产物引起混合式过热器、再热器和汽轮机的积盐。对给水进行热力除氧的同时,还要向给水中加入氨和还原剂。给水具有较强的还原性,而且采用的药品都是挥发性的,这种方法称为还原性全挥发处理。向给水中加入联氨,作为除氧的化学剂。联氨产物为氮气和水,水的PH值为9~11。

为了维持碱性水工况,需要往水中加入一定量的碱性物质来调节水的PH值。碱性物质常常用氨。给水加氨可以综合水中的二氧化碳等酸性物质,防止酸性腐蚀。例如将水的PH值提高到8.3以上,就会消除水中游离的二氧化碳,抑制二氧化碳的腐蚀;还可以提高给水的PH值,增强金属表面钝化膜的稳定性,降低腐蚀速率。PH值调到9.5以上,腐蚀速率将大大降低。

4.1.1配氨系统

加氨包括配氨和加氨两项,配氨系统如图3所示,先打开液氨罐瓶出口阀1、减压阀2,再将溶液箱补水阀3、补药阀4、出药阀5、搅拌器控制开关打向自动状态,此时它们均受控于PLC,当溶液箱液位低至设定值时,出药阀自动关闭,补水阀自动打开,待溶液箱液位上升至高液位时关闭,由溶液箱中电导率表的测量值控制补氨电磁阀的开启,当溶液箱氨液浓度达到预定值时,补氨电磁阀自动关闭。搅拌器自动停止,完成整个配氨工作。

配置的氨液浓度一般为1%~5%,若氨液浓度过小,溶液出现加液滞后的现象,甚至计量泵最大出力也难满足所需的加氨量[5];若氨液浓度过大,会导致计量泵出力在靠近停运的死区工作,影响给水PH值的调节能力。氨液浓度最佳值由给水PH值、计量泵运行流量、溶液箱可用容积、配置一次氨液能用多少时间等方面来决定。

4.1.2加氨系统

加氨系统的核心部件是计量泵,计量泵的入口处设有Y型过滤器、泵进口球阀,出口设有压力表、压力缓冲器、安全阀、止回阀、泵出口阀。溶液箱用于配置及安放一定量的氨水稀溶液。顶部设有电动搅拌器,使配置的溶液浓度均匀,顶部还设有单向呼吸器,以防配药过程中有害气体外溢。溶液箱入口设有补水阀、补氨阀,液位计配有高低位报警,溶液箱底部设有排污阀,以清除溶液箱淤积。计量泵受控于变频器,能实现输出流量的自动、手动调节。

除氧器出口 自动加氨是根据给水流量、省煤器入口给水电导率或PH值的采样信号,经PID运算输出信号给变频器,调节计量泵电机的转速来实现。

凝结水精处理的加氨工作是根据凝结水泵出口流量、除氧器入口凝结水电导率或PH值的采样信号,经PID运算输出信号给变频器,调节计量泵电机的转速来实现。

采用变频式自动加药控制装置的调速方法,氨液流量受控于计量泵电机的转速。电机频率宜设置在20~50Hz的范围内。若变频器输出频率仅仅为15Hz,电机冷却风扇就会转得很慢,散热不充分,容易过热而烧坏电机。

4.1.3加氨复合控制系统

自动控制单元用来控制加氨流量,使给水PH值在设定范围内。参与控制的设备有PH分析仪、电导率仪、信号处理系统。加氨量用电导率来控制,而不单独用PH值来控制。电导率仪比PH仪表测量更准确可靠,运行维护量小。控制PH值就是控制氨浓度,氨浓度与电导率有一一对应的关系。这种控制方法适用于给水精度比较高的系统。

给水电导率或PH值先传送给PLC,如图4所示,PLC将传送的信号与用户设定值进行比较,偏差信号通过PID计算出所需的加氨量,并将此加氨量转换为4~20 mA的信号,控制变频器输出频率和输出电压,变频器带动计量泵电机实现电机转速的改变,控制加药量来控制给水的PH值信号,给水流量是一个前馈的扰动信号,前馈特点是调节速度快,能弥补反馈控制动作响应滞后的不足[6],这样系统就构成一个前馈加反馈的复合控制系统。此外,PLC也接收变频器的反馈信号,计量泵的故障、启停等信号。

4.2 闭式冷却水加药系统及空气预热器清洗加碱系统

这两个系统中的进水门、搅拌机、出水门、计量泵设计有就地和远程控制运行方式,当要手动运行时工作人员要在就地控制柜上先把相应设备控制方式按钮打到就地控制方式,然后可以启动或停止相应的设备。程控运行方式设计只有单操运行方式。根据实际的状况,工作人员可以随时调节计量泵的工作频率,从而调节加药量的大小。当加药过程需要自动运行时,工作人员只需在上位机上操作,点击联锁运行按钮,系统将以表2的工作方式自动运行,工作人员不需要干涉。如果工作人员要干涉运行,只需点击程控停止按钮,整个系统将不再以程控方式运行,工作人员可以按需要运行或停止某个设备。

4.3 加氧系统

4.3.1加氧系统

为了抑制给水系统金属材料的腐蚀,需要对给水的水质进行调节,对于给水纯度高(如氢电导率<0.15 μs/cm)的无铜机组,一般采用加氧处理。溶解氧对碳钢腐蚀具有双重性,当给水氢电导率>0.3 μs/cm时,溶解氧主要起腐蚀作用,当给水氢电导率<0.15μs/cm时,溶解氧主要起钝化作用。加氧后,给水表面形成更稳定、致密的Fe304—Fe203双层保护膜。要加氧处理水质指标纯度要很高,也就是低电导率,溶解氧量也有控制区间,给水溶解氧量如果是汽包锅炉通常在10~80μg/L,期望值则为20~30μg/L,溶解氧量太高、太低都不能形成稳定的钝化膜。

给水加氧点设置为两级加氧,一级为凝结水精处理设备出口母管,另一级为除氧器出口给水泵入口管。加氧装置主要由汇流排、减压阀、缓冲罐、自动加氧控制系统、加氧管线以及测量仪表(如溶解氧表、流量表和电导率表)等组成。汇流排就是由多个高压氧气瓶并联,使这些氧气瓶输出的氧气汇集在一起,经过减压处理后集中提供给凝结水和给水系统。汇流排分A、B两侧,分别向凝结水和给水系统加氧。每次并联5个氧气瓶,大约用15天。减压阀设置在汇流排出口母管上,防止氧气在高压状态下长距离输送发生泄漏等事故。

某600 MW机组通过减压阀,将凝结水压力调至3.8 MPa左右,给水加氧压力调至1.8 MPa左右;缓冲器主要作用是缓冲系统压力,确保进入自动调节执行机构的氧气压力平稳,防止产生脉冲,同时增加系统氧气储存量,方便调节系统流量。加氧控制主要部件有1T、2T手动调节阀,电磁调节阀(送PLC的),转子流量计、压力表以及连接管路等,如图5所示。

4.3.2加氧控制系统

加氧量控制有自动和旁路手动两种,一般在自动加氧装置故障时才使用手动加氧。电磁调节阀是加氧控制柜重要的部件,根据PLC控制器的输入信号, 自动调节阀门的开度,从而实现加氧流量的调节。电磁调节阀主要是靠给电磁阀的线圈通入4~20 mA的电流,通入的电流大小不同,调节阀的开度不同,加入的氧气量也会不同。PLC控制器主要接收的信号有省煤器入口给水氢电导率、溶氧和流量,除氧器入口流量、溶氧、氢电导率等参数。

加氧自动控制单元工作过程为依据凝结水泵出口流量、除氧器入口溶解氧量、给水氢电导率、省煤器入口给水溶解氧量、给水流量等采样信号,通过复合式PID算法计算,输出4~20 mA信号给凝结水或给水侧电磁调节阀,控制电磁调节阀开度来实现,如图6所示。稳压装置在调节阀的出口加氧管路上,作用是无论下游加氧点压力如何变化,或需氧量如何变化,都维持恒定的上游压力,维持调节阀出口压力恒定,降低热力系统背压影响,减少调节阀动作频率。隔离罐,也就是缓冲器,其作用是防止给水进入加氧装置,即防范加氧装置的返水现象。

加氧母管上设置电磁阀,其作用是切断加氧。与电磁阀联锁的信号可以为热力系统水质变差,例如除氧器入口、省煤器入口氢电导率同时超过0.15μs/cm,除氧器入口溶解氧量超过设定值,给水流量小于设定值,氧气瓶压力低于报警下限,当这些条件重新满足要求时,自动恢复加氧。

5 结束语

陕西某电厂化学加药控制采用了先进的西门子S7-300系列PLC控制器,利用网络冗余、控制器冗余的方式提高了网络和控制器的可靠性,使得任何情况下某一个控制器或网络出现故障时能无扰切换到另一台控制器或网络,响应速度快。PLC通过PROFIBUSDP和远程子站进行数据交换通信,使得操作员和电厂管理人员能实时了解加药系统的运行情况,为电厂的无人值守夯实了基础。采用输入/输出端继电器隔离的方式消除了现场的干扰信号,并采用前馈加反馈的闭环控制系统使得电厂的水质指标达到了控制要求,能够防范整个电厂因水质原因引起的炉管爆炸,消除汽轮机低压缸叶片、叶轮的腐蚀与积盐。该化学加药程控系统从配药到加药全面实现了自动控制,进一步推动了无人值班的实现,而其方便的人机界面使得系统功能更加灵活化、网络化、智能化。

[参考文献]

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[4] 张道磊,刘永英.基于PLC的继电保护自动化装置故障检修系统[J].自动化应用,2025,66(5):6-8.

[5] 张鸣放.PLC在给水自动加氨控制中的应用 [C]//2022年电力行业技术监督工作交流会暨专业技术论坛论文集,2022:1587-15g2.

[6] 高忠仁,姜文波,刘平岳.锅炉给水三冲量控制系统的改进[J].燃料与化工,2024,55(6):30-32.

《机电信息》2025年第18期第12篇