火力发电厂化学水处理DCS 控制系统的设计与实现∗

张 凯 刘敏层

（西安建筑科技大学信息与控制工程学院 西安 710055）

1 引言

在发电机组中［1］，水、汽起着电力生产能量传递介质的作用，是火电机组能量传输的“血液”，在电力生产过程中起着十分重要的作用。化学水处理的主要任务是为了保证锅炉的给水品质。给水品质好坏直接关系到火电机组的可靠高效、安全性能及锅炉、汽机等设备的使用寿命［2］。所以，对火电机组水处理控制系统的应用研究就显得意义重大。

2 项目概况

本课题来源于江苏沙洲电厂二期百万机组“上大压下”扩建工程，该电厂化学水处理系统主要负责#3、#4 百万机组的生产用水和生活用水等。化学水处理系统包括加药系统、净水站、综合水泵房系统、锅炉补给水系统、循环水系统、中水系统、污水处理系统和凝结水精处理系统。化学水处理系统如图1 所示。

3 化学水处理系统的设计与实现

本节将以化学水处理系统中的子系统凝结水精处理系统重点阐述具体的工程设计与实现［3］。

凝结水经前置过滤器、高速混床处理后到低压加热器，前置过滤器两套，混床四套（三用一备），可根据过滤器和混床投运情况调节相应旁路阀开度［4］。混床树脂失效后先把混床停运，再把失效树脂输送到分离罐，在分离罐中进行阴、阳树脂的分离，分离完成后把阴树脂输送到阴再生罐，阳树脂输送到阳再生罐，分别进行阴、阳树脂的再生，再生完成后，把阴罐的树脂输送到阳罐，进行树脂的混合漂洗，完成后观察树脂的混合情况，如果再生失败，需要将树脂重新输送到分离罐内，再次进行树脂的分离再生工艺［5］。流程如图2所示。

图1 化学水处理系统

图2 凝结水精处理工艺流程

4 网络架构

1）DCS网络架构

DCS 采用三级控制系统［6］，即过程管理级、过程控制Ⅰ级和过程控制Ⅱ级。过程管理级由工程师站、操作员站和打印机组成，其作用是完成整个生产过程的监控、操作和控制［7］。过程控制Ⅰ级作用是负责处理数据，接收来自上位机的操作命令向过程控制Ⅱ级输出信号完成控制功能。过程控制Ⅱ级是现场设备层，任务是完成现场数据的采集和操作命令的执行［8］。

图3 网络架构

2）FF总线网段连接方式

在艾默生过程控制有限公司的Ovation 分布式控制系统中，FF-H1 总线网段通过FF 接口模块与DCS 控制器连接，每个FF 模块可接两个FF-H1 总线网段，FF 模块下接电源调节器，通过电源调节器连接到现场的接线盒内，FF-H1总线网段的主干线上可串接多个接线盒，串接的最后一个接线盒要连接FF 终端器，采用树型结构连接到现场总线仪表［9～10］，如图4所示。

图4 FF网络架构

3）Profibus-DP总线网段连接方式

在Profibus-DP 总线网段通过DP 接口模块与DCS 控制器相连，每个DP 模块可接两个Profibus-DP 总线网段，Profibus-DP 总线网段通过DB9连接器与DP 模块相连，然后采用总线型网络拓扑结构连接现场总线设备，远距离传输可通过光电转换器接至就地总线箱，然后采用总线型网络拓扑结构连接现场总线设备，Profibus-DP 总线网段的最后一个现场总线设备要接到有源终端电阻上［11～13］，如图5所示。

图5 Profibus-DP网络架构

4）硬件I/O配置方式

凝结水精处理工程项目设计范围包括前置过滤器系统、混床系统、再生系统等。配置3 对冗余控制器［14］。设计时考虑到每个工艺段I/O卡件的备用点数，对I/O 硬点进行分布，选用16 点型开关量输入输出卡件，选用8 点型模拟量、热电阻输入卡件，选用8 点型模拟量输出卡件，每对控制器所控制的总I/O 硬件点数不超过400 点。现场设备分为总线设备和常规设备，常规设备采用硬接线方式连接到I/O 模块。现场的常规测点包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出［15］。具体统计如表1。

表1 硬件I/O配置表

5）机柜卡件配置

DROP1/DROP51 即表示一对冗余的DCS 控制器，凝结水精处理配备两个控制机柜。控制器机柜DROP1 和I/O 扩展柜EXT1-1，每对冗余的控制器可最多扩展16 个本地分支和4 个远程I/O。8 个本地分支分别为 DROP1 的 A1 到 A4、B1 到 B4、C1 到C5、D1 到 D8，EXT1-1 的 A1 到 A4、B1 到 B4、C1 到C3、D3到D4。每个本地分支可最多配置8个模块，比如 DROP1 的 A 分支，可最多分配 A1 到 A8 共 8 块模块［16］。机柜卡件配置表如表2所示。

表2 机柜卡件配置表

5 软件设计

1）前置过滤器系统控制要求［17］:精处理前置过滤器系统包含前置过滤器A 系统、前置过滤器B 系统及前置过滤器旁路系统，两套过滤器可以同时运行，但在同一时间内只允许一套进行反洗。当前置过滤器旁路压差大于120Kpa 时，并且旁路门全开状态时，关闭前置过滤器A进、出口门；当前置过滤器A 入口流量大于1200T/h 时，并且旁路门全开状态时，关闭前置过滤器A进、出口门；当前置过滤器A 进出口差压大于120Kpa 时，并且旁路门全开状态时，关闭前置过滤器A 进、出口门；前置过滤器A进水门、升压门、出水门任意一个不在关状态时，前置过滤器A反洗进水门、反洗排水门、进气门、排气门不允许开；前置过滤器A 反洗进水门、反洗排水门、进气门、排气门任意一个不在关状态时，前置过滤器A 进水门、升压门、出水门不允许开。前置过滤器解列步序程序如图6所示。

图6 前置过滤器解列步序启动

2）前置过滤器旁路［18］。当两套前置过滤器都运行时，旁路门关闭；当只有一套过滤器运行时，旁路门开50%；当两套均不运行时，旁路门开100%。当系统入口母管压力大于4.5Mpa 时，旁路门开100%；当系统入口母管温度大于70℃时，旁路门开100%；当前置过滤器旁路压差大于120Kpa 时，旁路门开100%；当前置过滤器入口流量大于1200T/h时，旁路门开100%；当前置过滤器进出口差压大于120Kpa 时，旁路门开100%。前置过滤器旁路门开度逻辑如图7和图8所示。

图7 前置过滤器旁路门开度逻辑

图8 前置过滤器旁路门开PID调节逻辑

3）通过凝结水精处理流程监控界面，能够反映整个控制系统的设备、管道、阀门的连接情况和运行状态，使操作员能直观、方便地操作控制现场没备。系统运行时，监控画面显示当前的设备运行状态［19～20］。人机监控界面如图9所示。

6 结语

基于上海西屋过程控制公司的Ovation DCS 系统和现场总线FF-H1和Profibus-DP标准设计的化学水控制系统，利用DCS强大的过程控制功能以及结合Ovation Developer Studio 组态软件实现了人机交互灵活、可靠的使用优点，使热工运行人员可以直接通过人机界面来监控系统的运行，简化操作流程，实现对设备的远程监控。该系统已在张家港沙洲电厂成功投产，目前运行状况良好。