摘要：為滿(mǎn)足燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機制水系統運行穩定性和自動(dòng)調節的 需求，根據系統特點(diǎn)，設計了一種基于DCS平臺的原水預處理系統全自動(dòng)控制技術(shù)，并根據系統用戶(hù)需求，搭建自動(dòng)統計數據平臺，實(shí)現了制 水系統電、水、藥能耗指標的自動(dòng)統計功能。試驗結果表明，通過(guò)上述改造和研究技術(shù)的應用，系統具備了全過(guò)程自動(dòng)啟停、報表自動(dòng)統計功 能。正常運行工況下，制水系統可實(shí)現全程自動(dòng)控制，大幅提升了系統運行的經(jīng)濟性和安全性。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合循環(huán)機組；原水預處理；全過(guò)程；智控運行；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

國內火電機組輔機控制系統主要包括化學(xué)制水系 統、輸煤系統和脫硫系統[1]。其中，化學(xué)制水系統包括原水預處理、離子除鹽等子系統。傳統制水系統采用獨立且分散的控制方式，子系統包含的設備多，手動(dòng)操作量大，整個(gè)系統的風(fēng)險控制能力低，需要大量人員操作和維護，且系統間單獨操作存在管理困難，導致制水設備的制水效率低，設備易損壞[2]。 相比燃煤機組，基于調峰運行方式的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，其化學(xué)制水系統需具備啟動(dòng)速度快、啟停頻繁的特點(diǎn)保障發(fā)電用水，因此對制水系統的制水效率、穩定性和系統自我調節能力要求更高。

目前，部分火電廠(chǎng)已經(jīng)克服傳統制水系統控制特 點(diǎn)，實(shí)現了FCS平臺制水系統一鍵制水控制[2]。我國自 20世紀90年代引進(jìn)DCS以來(lái)，DCS在電廠(chǎng)中得到了極大的應用，但由于諸多原因，DCS只在鍋爐、汽輪機和發(fā)電機等主機系統得到了完整的應用[3]，而火電廠(chǎng)重要輔助系統如制水系統的控制仍停留在PLC控制模式或PLC與DCS相結合的控制模式上，不具備協(xié)調控制和順序控制功能[4]。

為此，部分電廠(chǎng)開(kāi)展了針對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組制水系統的自動(dòng)控制方式研究，通過(guò)DCS系統平臺， 整合機組系統相關(guān)參數，實(shí)現聯(lián)合循環(huán)機組制水系統的全自動(dòng)控制。

2　課題研究背景

2.1　現狀介紹

某電廠(chǎng)建設有一套STAG209E燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，由2臺燃氣輪機發(fā)電機組、2臺余熱鍋爐、1臺抽 凝式蒸汽輪機發(fā)電機組和1臺背壓式蒸汽輪機發(fā)電機組組成。燃氣輪機發(fā)電機組和蒸汽輪機發(fā)電機組為2拖1分軸布置。

機組水源取自地表水，采用水泵吸水管直接取水形式，從河床內設的取水頭部取水。原水預處理系統配置2臺取水泵，1用1備。單臺取水泵額定流量700立方米/小時(shí)；原水升壓后送入兩座額定出力為350立方 米/小時(shí)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)水池補水；另一路經(jīng)空擦濾池砂濾后進(jìn)入工業(yè)水池，供全廠(chǎng)消防水和除鹽系統使用。原水預處理系統采用手動(dòng)遠方控制和就地操作方式。

投產(chǎn)以來(lái)，機組主要以日開(kāi)夜停調峰方式運行， 間斷性的運行方式對系統設備可靠性、自動(dòng)化水平、運行監控與統計分析等工作提出了極高的要求，且電廠(chǎng)計劃于2020年底前開(kāi)始除鹽水定制服務(wù)，日均供水量在機組發(fā)電、供熱基礎上增加至少1000噸。

2.2　問(wèn)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(shí)際出力遠小于額定出力。制水過(guò)程 中，因取水泵額定出力相對于混合絮凝沉淀池出力過(guò)大且取水泵采用工頻設計，只能通過(guò)混合絮凝沉淀池進(jìn)口手動(dòng)閥節流方式來(lái)控制進(jìn)水流量，造成取水母管節流損 失大，取水泵運行經(jīng)濟性不佳。由于機組運行補水需要，取水泵需不定時(shí)啟動(dòng)和停運，長(cháng)期短周期頻繁啟停 運行，對泵體機械和電器設備造成較大沖擊損害，從而降低設備使用壽命，增加設備故障率。

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(gè)，每個(gè)容積3立方米，通過(guò)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)水與攪拌機運行方式配成溶液，供混凝沉淀池制水 用。機組發(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定性；若開(kāi)展除鹽水外供定制服務(wù)，每天需要投加固態(tài)聚合鋁達到400千克，人工工作量大幅增加，且由于人工控制精度低，系統運行經(jīng) 濟性低，加藥系統的可靠運行存在較大隱患[5]。

細分原水預處理系統子系統，統計涉及運行操作類(lèi)設備數量如下：

（1）取水系統：取水泵2臺（遠控），混合絮凝 沉淀池進(jìn)口閥2個(gè)（手動(dòng)）；

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

（3）出水系統：循環(huán)池進(jìn)水閥1個(gè)（遠控），空 擦池進(jìn)水閥組9個(gè)（順控）。

綜上統計操控設備37個(gè)，順控設備23個(gè)，遠控設 備5個(gè)，就地手動(dòng)設備9個(gè)。系統遠控及自動(dòng)化程度不 高，且未設計相關(guān)監督與能耗指標統計。

結合機組調峰運行以及除鹽水定制業(yè)務(wù)的開(kāi)展， 預計原水取用量將由年均45萬(wàn)噸增加至150萬(wàn)噸左右； 對提高原水預處理運行經(jīng)濟性，提升原水預處理系統自動(dòng)化水平，完善系統相關(guān)監督、統計數據自動(dòng)報表，進(jìn) 而實(shí)現系統全程智控運行有著(zhù)重要的意義。

2.3　研究意義

原水預處理系統作為火力發(fā)電廠(chǎng)用水的源頭系 統，運用全過(guò)程智控理念，實(shí)施技術(shù)研究與改造應用， 對其他系統的智控應用具有一定實(shí)踐與借鑒意義[6~7]。

項目的研究與應用工作從提升設備遠控、自動(dòng)化應用、完善監督與統計管理等方面著(zhù)手[8~10]，從而提升原水預處理系統的經(jīng)濟運行效益、設備健康狀況，減少運行人員操作工作量。

通過(guò)DCS系統平臺，整合機組系統相關(guān)參數，可進(jìn)一步深入數據的挖掘與分析利用，隨著(zhù)大數據與智控技術(shù)的應用發(fā)展，項目的研究與實(shí)施將有助于推進(jìn)智慧電廠(chǎng)建設。

3　研究與實(shí)施

3.1　項目研究范圍

通過(guò)對原水預處理系統現存的問(wèn)題與分析，研究 實(shí)現智控運行改造應用，主要范圍與內容有：（1）提升取水系統的經(jīng)濟運行；（2）實(shí)現混合絮凝沉淀加藥 系統遠控；（3）各系統用水需求信息的數據搭建； （4）系統涉及的電、水、藥等能耗數據統計；（5）系 統全過(guò)程自動(dòng)控制的設計與應用[11~12]。

3.2　方案研究與實(shí)施

3.2.1　取水泵變頻改造

單臺取水泵揚程51米，廠(chǎng)外管道為DN500，設計流速1米/秒，沿程輸水管道5.25公里，總損失14米，從取水口水面標高到電廠(chǎng)廠(chǎng)區混凝沉淀池液面的高差35.5 米，通過(guò)混合絮凝沉淀池進(jìn)口閥調節來(lái)實(shí)現恒壓與定流量供水；實(shí)施取水泵變頻改造，可降低取水管路節流損 失，實(shí)現電機的柔性啟停，并將電機電流限制在額定電 流內，降低泵的平均轉速，延長(cháng)電機和泵的使用壽命。

3.2.2　混合絮凝沉淀加藥系統改造

加藥系統的改造主要實(shí)現投加液態(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(gè)，增設原液泵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(gè)，3號加藥泵出口電磁閥2 個(gè)，增加溶液箱攪拌機遠控功能，該系統遠控與自控功能的實(shí)現，為原水預處理全程自動(dòng)控制奠定基礎。

通過(guò)加藥系統的改造，實(shí)現DCS遠方操作與監 視，通過(guò)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)穩定；通過(guò)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。

3.2.3　各系統用水需求信息數據的搭建

原水預處理系統主要為循環(huán)水池與工業(yè)水池補水，數據搭建的基本原則是實(shí)現兩個(gè)水池液位的區間控制，即液位低工況觸發(fā)原水預處理系統投運，液位高停運系統。

因循環(huán)水池與工業(yè)水池用水量存在的不確定性， 為實(shí)現原水預處理系統投用后的連續運行，減少原水預處理系統啟停次數，可對兩個(gè)用戶(hù)的用水需求進(jìn)一步延展性分析，即通過(guò)對用戶(hù)當前與未來(lái)用水需求的預判， 從而動(dòng)態(tài)調整水池水位定值。

對循環(huán)水池用水需求，可分為機組啟停階段、連 續運行階段、停運階段；工業(yè)水池用水需求，主要是除鹽水制水需求；當兩個(gè)用戶(hù)同時(shí)有用水需求時(shí)，可設計供水方式互切的功能，減少原水預處理系統短時(shí)間的啟停次數。

3.2.4　系統數據統計

原水預處理系統數據統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)水池補水量、工業(yè)水池補水量、原液用量、總用電量、取水泵與加藥泵運行時(shí)間等；單耗包括出水單位電耗、藥耗、 產(chǎn)水率等指標。

3.2.5　系統全過(guò)程自動(dòng)設計與應用

根據原水預處理系統運行分析，自動(dòng)設計包含設備級聯(lián)鎖優(yōu)化與系統啟停順控，內容主要有：（1）取水泵與加藥泵全過(guò)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(dòng)運行；（4）循環(huán)水池與工業(yè)水池補水的自動(dòng)耦合。

3.3　應用效果

3.3.1　取水泵變頻改造效益

電廠(chǎng)2019年度累計取水量為45萬(wàn)噸，按照取水泵 正?？刂屏髁?00立方米/小時(shí)計算，取水泵2年運行時(shí)間約1124小時(shí)。取水泵運行電流經(jīng)DCS歷史曲線(xiàn)分析為220安培，按低于額定電流240安統計，取水泵年耗用電量14.16萬(wàn)千瓦時(shí)，取水噸水電耗為0.32千瓦時(shí)。

取水泵變頻改造后，按控制流量400立方米/小 時(shí)，實(shí)測電流108安培，按取水量45萬(wàn)噸測算，取水 泵年耗用電量6.95萬(wàn)千瓦時(shí)，取水噸水電耗為0.15千 瓦時(shí)。

取水泵變頻改造后年均節電量為7.21萬(wàn)千瓦時(shí)， 開(kāi)展除鹽水定制服務(wù)后，產(chǎn)生的效益將更加顯著(zhù)。

3.3.2　混合絮凝沉淀加藥系統改造成效

通過(guò)混合絮凝沉淀加藥系統改造的實(shí)施，實(shí)現了配藥、加藥系統的遠程監控功能；通過(guò)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；應用原液池液位變量、加藥泵運行時(shí)間統計、溶液箱液位變量的三重配藥運行監督程 序，可有效保證溶液配比濃度的可靠性與穩定性。

加藥泵變頻自動(dòng)，通過(guò)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(gè)信號，可實(shí)現原水加藥流量與濁度模式的自動(dòng)控制。

3.3.3　系統數據統計指標的建設

系統指標分為能源與設備兩類(lèi)。其中能源指標主要分為水、電、藥三項變動(dòng)成本要素，按日、月、年口徑分別進(jìn)行統計。設備類(lèi)指標的統計，主要為取水泵、加 藥泵、原液泵運行時(shí)間統計，統計時(shí)間可為主、備泵的選擇，設備的檢修周期提供依據。

水類(lèi)指標分為：取水量、混凝沉淀池排污量、循環(huán)水池補水量、工業(yè)水池補水量。系統設計有取水泵出口流量與2路混凝沉淀池進(jìn)口流量，通過(guò)歷史數據統計對比分析，將3個(gè)流量信號進(jìn)行優(yōu)選處理，并形成取水量 指標；混凝沉淀池排污量根據排污閥開(kāi)啟時(shí)間估算排污 量，并形成排污總量指標；循環(huán)水池與工業(yè)水池的補水 量遵循水平衡原則，根據補水的路徑劃分統計，對于循環(huán)水與工業(yè)水池兩路切換期間，各按50%的比例統計。

用電量指標：主要為取水泵系統電耗；基于補水量 的劃分，可對循環(huán)水池、工業(yè)水池的補水區分統計。本系統除取水泵房以外的用電設備，均由化學(xué)低壓廠(chǎng)變提 供，納入除鹽水系統電類(lèi)指標。

用藥量指標：主要為液態(tài)聚合鋁用量的統計，根據溶液箱液位的變量，反推計算得出，該指標的設置，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(shí)際加藥量與理論加藥量的偏差監督。

3.3.4　全過(guò)程自動(dòng)控制的簡(jiǎn)述

系統全過(guò)程的應用基于循環(huán)水池與工業(yè)水池補水需求觸發(fā)。主系統包含三個(gè)順控投切功能，即循環(huán)水池補 水順控、工業(yè)水池補水順控、原水順控。具備原水預處理補水至循環(huán)水池、原水預處理補水至工業(yè)水池的一對一系統運行工況，與原水預處理補水至循環(huán)水池與工業(yè) 水池的一對二運行工況。當處于一對二運行工況時(shí)，根 據兩個(gè)水池的液位高度，自動(dòng)判斷優(yōu)先順序。

當滿(mǎn)足上述工況觸發(fā)條件后，先對系統通水管路閥門(mén)狀態(tài)位置進(jìn)行判斷，并順控執行開(kāi)閥，滿(mǎn)足管路通 暢；再對系統加藥管路閥門(mén)進(jìn)行判斷并開(kāi)啟溶液箱出藥電磁閥；然后依次順控啟動(dòng)預選原水泵、加藥泵，完成順控啟動(dòng)預處理制水流程。在一對二工況運行期間，先開(kāi)啟后需求進(jìn)水池系統的管路閥門(mén)，開(kāi)啟后再關(guān)閉先需求進(jìn)水池系統的閥門(mén)。

補水順控啟動(dòng)觸發(fā)后，優(yōu)先選用高液位溶液箱， 即開(kāi)啟該溶液箱出口閥，然后觸發(fā)低液位溶液箱自動(dòng)配藥順控；當出藥的溶液箱液位低于設置值，開(kāi)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(dòng)自動(dòng)配藥順控。

當補水量滿(mǎn)足需求后，觸發(fā)停運系統順控，依次停運取水泵、加藥泵，關(guān)閉溶液箱出藥閥、進(jìn)水池系統閥門(mén)，完成順控停運預處理制水流程。

混凝沉淀池排污閥根據沉淀池累計進(jìn)水量，觸發(fā)排污順控，累計進(jìn)水量的設定，需要根據沉淀池實(shí)際運行情況進(jìn)行設定，定期調整。

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

圖1 預處理系統畫(huà)面

圖2 部分控制邏輯組態(tài)

3.4　應用效果

綜上所述，原水預處理系統全過(guò)程智控運行的改造，主要包括取水泵變頻改造、混合絮凝沉淀加藥系統改造兩項系統改造，以及全系統的設備監督統計與自動(dòng)化改造。

通過(guò)上述改造的應用，大幅提升原水預處理系統運行的經(jīng)濟性和可靠性。本項目改造投入約30萬(wàn)元， 按原水年取用150萬(wàn)噸計算，年節省費用至少10萬(wàn)元， 預計3年可回收成本。正常運行工況下，可實(shí)現就地無(wú)人操作，系統具備全過(guò)程自動(dòng)啟停、報表自動(dòng)統計功能，后續可根據長(cháng)周期的運行指標統計，應用指標偏差自動(dòng)報警功能。統計指標監督表如圖3所示。

圖3 統計指標監督表

4　結束語(yǔ)

本項目是基于水處理系統前端的智控研究與應 用，對其他電廠(chǎng)化學(xué)專(zhuān)業(yè)相關(guān)的制水系統、加藥系統的 提升具有一定的借鑒意義；項目的應用，對機組安全經(jīng)濟運行有較大的提升與保障，并起到了一定的節能降耗 作用。

作者簡(jiǎn)介：

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

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摘自《自動(dòng)化博覽》2021年5月刊