張家口發電廠給水自動加氨探討
1 引言
火力發電廠鍋爐給水系統即給水和給水的組成部分。主要是指凝汽器出口至省煤器入口的水系統，包括凝結水泵、低壓加熱器、除氧器、給水泵和高壓加熱器以及相連的管道。
在給水系統中流動的水，是由汽機凝結水、化學補給水、各種疏水和生產返回水等組成的，水質較純，通常不會因為鹽類析出而在管壁上結垢，可能發生的水質問題是金屬的電化學腐蝕。這類腐蝕不僅會造成給水管道及相關設備的損壞，而且由于腐蝕產物隨給水進入鍋內，導致在鍋爐蒸發面上發生金屬腐蝕產物沉積，嚴重時造成鍋爐管的損壞。由此可見，給水污染及給水系統金屬的腐蝕，對于鍋爐機組的安全運行具有重要影響。
在以除鹽水為補充水的高參數、大容量汽包鍋爐中，采用加氨調節給水pH值方法已成為我國火力發電廠汽包鍋爐調節給水pH值最廣泛使用的方法。在GB/T 12145--1999《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》中規定：汽包爐中，鍋爐蒸汽壓力12.7～18.3 MPa，要求給水氫電導率(氫離子交換后，25 ℃)≤0.3 μS/cm，pH值為8.8～9.3(25 ℃，有銅系統)，或pH值為9.0～9.5(25 ℃，無銅系統)。加氨的多少直接影響給水pH值的大小，用給水pH值控制加氨最直接、效果最好，原理如下[1][4]：
NH4OH+H2CO3= NH4HCO3+H2O （1）
NH4OH+NH4HCO3=(NH4)2CO3+H2O （2）
汽包爐中，鍋爐蒸汽壓力為12.7～18.3 MPa，對于有銅合金的給水系統，要求控制給水的pH值在8.8～9.3(25 ℃)范圍內。給水pH值控制范圍為±0.5，在25 ℃時，測量電池只要產生5.916 mV的誤差，在pH值控制范圍內就會產生20%的誤差，因而用給水pH值作為加氨控制信號盡管最直接、效果最好，但實際應用有一定的難度。
結合各種理論及實踐經驗，采用給水直接電導率調節加氨量來達到間接調節PH值的目的。
2 給水pH值自動控制加氨方案
目前張家口發電廠8臺機組爐內分別以四個單元制進行加氨控制，2臺機組配1套氨加藥裝置，共4套，每套裝置為2箱5泵（4用1備），每臺泵配變頻器，能接受來自張家口發電廠輔控系統的4～20mA DC控制信號，并輸出相應的4～20mA DC反饋信號，實現加藥系統的開環或閉環控制。泵就地控制柜有泵的狀態指示及啟停按鈕、故障等狀態信號、手動調節及遠方控制的功能以及低低液位停泵功能。一臺泵故障時,可切換上備用泵,備用泵具備相同的功能。
下圖為一單元爐內加氨系統輔控畫面。
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圖2.1：一單元爐內加氨系統輔控畫面
含自動加氨的爐內加藥系統是采用四方（電氣）集團有限公司的遠程I/O控制站[2]。將DCS分散控制單元和I/O控制卡件安裝于遠程就地位置（遠程控制柜），并具有與輔控網絡接入能力。DCS分散控制單元具有遠程邏輯下裝功能，在輔控網進行邏輯組態后，可直接遠程下裝到就地控制單元中，由就地控制單元實現自動控制運行[3]，能夠有效代替現有運行人員的大部分就地操作，實現減員增效、安全生產的目的。各爐內子系統將具有就地手動控制、節點操作員站遠程手動控制、輔控中心操作員站遠程手動控制以及程序自動控制的多級監控方式。正常情況下采用程序自動控制，將自動控制邏輯下裝在各遠程站DPU中，通過各遠程站實現工藝流程的控制。就地手動控制一般作為檢修、調試之用，運行人員通過就地操作箱對各設備進行手動控制。
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圖2.2： 1-4單元爐內加藥系統輔控網絡示意圖
給水（精處理出口）加氨采用自動加氨軟件實現的方法為：采用PID控制，過程值采用給水（精處理）pH值，在輔控操作員站上位機給定設定值SP，配置PID參數，經過自動計算給出輸出值op，用于控制加氨泵的轉速。此PID為正作用，即轉速越高，加氨量越高，理論上在pH會逐步上升。
在工藝正常情況下，pH值能在SP限制值內跟蹤。但當工藝條件發生了突變，例如突然補水量的增加，由于PID控制對慣性大、突變多的情況反應較慢，這時候會出現規程值越過sp的上下限。另外純水PH測量受靜電荷、溫度、測量電極質量、液接電位等各種因素的影響較大，測量很不可靠。而且pH值的可值范圍非常小，造成調節時常常不穩定，因此在爐內加氨上，采用檢測pH值控制氨泵轉速的方式不能完全實現自動控制。
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圖2.3：變頻泵的直接輸入式調速面板
3 給水流量控制加氨方案
給水流量也是加氨控制的一個重要指標。鍋爐給水流量增大，則補水量增加，為保持給水pH值在控制范圍內，加氨量增大;反之流量減少，補水減量，加氨量減少。不同容量的機組、不同的系統給水流量的大小與加氨量的關系不同，但它們都有一定的對應關系。為了使給水pH值在控制范圍內運行，可以用給水流量信號控制加氨量，這樣就避免出現給水pH值測量不準確、控制范圍小、誤差大、不易實施的弊端。
通過以上分析可以看出，用給水pH值控制加氨量最直接，但是，給水pH值測量影響因素多、誤差大，且pH值控制范圍小，僅0.5，因此用給水pH值控制加氨量實施困難。目前國內通常用流量信號控制加氨，有的用給水流量作為主調節信號，給水電導率或pH值作為輔助信號控制加氨。由于給水流量大小隨機組負荷變化和系統運行調節而變化，給水流量與pH值數學模型因機組不同而異，需要在運行中摸索確定，因此用流量信號控制加氨的精度、準確度不高。
4 給水電導率的測量及電導率換算pH值的方法
4.1給水電導率的測量
溶液導電是依靠離子在電場作用下定向遷移實現的。將被測溶液看作一個導體，在電極兩端加一定的交流電壓，產生的電流信號經放大處理，得到測量溶液的電導率。電導率表征被測溶液的導電能力時，是指水中各種正、負離子導電能力的總和。電導電極是2塊金屬板(在線儀表測量電極大多數為不銹鋼筒套式結構)，比較穩定，也不受其他外界因素的干擾。另外，電導率是通過測量溶液阻抗，再轉換為電流信號而得到的，因而基本不受純水靜電荷的影響，測量準確率大大提高。
4.2分布電容和溫度的影響小
機組正常運行情況下，給水氫電導率≤0.3μS/cm(25 ℃)。加氨后，給水在pH8.8～9.3范圍內，電導率通常在1～6μS/cm范圍內變化，此時電導率較小，電極表面極化電阻的影響較小，分布電容影響較大，可以采用低頻率的測量電流，減少分布電容的影響。
電導率在1～6 μS/cm范圍內變化，電導率隨溫度的變化基本為直線，故溫度補償可以按式(3)進行補償：X(25 ℃)=Xt /[1 +β(t-25)] （3）
式（3）中X(25 ℃)——水樣換算為基準溫度25 ℃下的電導率;
Xt——水樣在t ℃時的電導率;
β——水樣溫度補償系數。
水樣電導率在1～6μS/cm范圍內變化時，β可以取0.02/℃。
4.3給水電導率換算給水pH值
25 ℃給水氫電導率≤0.3μS/cm時，水中的雜質對電導率的影響非常小。給水加氨后，氨氣溶于水成為弱堿性溶液，增強了溶液的導電能力，使給水電導率示值增大十倍甚至幾十倍。因此給水電導率大小主要取決于水中氨的濃度。水中氨濃度與pH值和電導率之間存在確定的關系。
在25°C的純水體系中，電導率的，pH值和加氨量符合以下公式的關系：
pH=lgk+8.57 （4）
A=(13.1k2+62.5k)*10-3 （5）
式（4）（5）中：pH為水樣的pH值；K為水樣的電導率，單位μs/cm； A為水樣的加氨量，mg/L
德國VGB標準和歐洲標準都建議采用測量給水，凝結水的電導率來換算pH，以達到間接測量水樣pH值的目的。
利用上述關系式，經理論分析并結合電廠的實際情況，得到用電導率換算給水pH值的使用范圍及誤差，結果見表4.1。
表4.1：給水全揮發處理（AVT）的電導率、pH值和加氨量的控制范圍
| 給水處理方式 |
pH值 |
電導率/ μs/cm |
氨濃度/ mg/L | 誤差 |
| AVT處理 | 8.8~9.3 | 1.720~5.430 | 0.146~0.726 | ≤0.01 |
為了檢驗電導率換算pH值這種方法在現場應用的可行性，國內一些研究機構利用這種方法并結合實踐做了深入的動態模擬實驗，得到數據和理論計算的比較如下表4.2所示：
表4.2 ：25 ℃給水不同加氨量時pH值、電導率理論和實測誤差比較統計
| 加氨量/ mg/L | 理論pH值 | 實測pH值 | pH誤差 | 理論電導率/μs/cm | 實測電導率/μs/cm | 誤差/％ |
| 0.194 | 8.9 | 8.89 | 0.01 | 2.14 | 2.15 | 0.47% |
| 0.264 | 9.0 | 9.00 | 0 | 2.69 | 2.69 | 0 |
| 0.364 | 9.1 | 9.1 | 0 | 3.39 | 3.39 | 0 |
| 0.508 | 9.2 | 9.19 | 0.01 | 4.27 | 4.25 | 0.47％ |
4.4 電導率測量值換算pH值時的注意事項
（1）電導率表必須經過檢驗，以確保電導率測量的準確性。
（2）水樣氫電導率應小于0.3μS/cm。
（3）該方法適用于給誰、凝結水的pH值測量, pH值應大于8.5。
5自動加氨控制的解決方案
5.1給水電導率測量精度高，控制范圍大
目前有一種多功能分析儀表，它可以直接測量給水的電導率，在25 ℃、水樣穩定、保證電導率測量結果準確的前提下，具有把電導率換算成pH值的功能。在儀表表頭上可以同時顯示給水電導率值和pH值，這樣用給水電導率作為控制信號的同時，還可以監測給水pH值。由表4.1可以看出，對于有銅合金的給水系統，電導率一般控制在1.7～5.3 μS/cm范圍內，25 ℃給水pH值控制在8.8～9.3范圍內，相對于pH值而言，電導率比pH值控制范圍要寬。另外，給水電導率的測量較pH值測量影響因素要少，測量準確度高，利用給水電導率和pH值的對應關系，通過測量給水電導率并用其信號控制加氨，使pH值控制在8.8～9.3范圍內，控制加藥會更及時、準確，其精度和準確度也會大大提高。
5.2 給水氨自動加藥系統控制策略
鍋爐給水加氨處理的目的是提高給水的pH值, 防止給水管道的CO2 酸性腐蝕。其控制框圖見圖5.1。
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圖5.1：給水自動加氨控制框圖
氨加藥點設置在凝結水精處理出口和除氧器下降管。給水取樣點設置在給水系統省煤器入口, 用一塊電導率表監測加藥后的給水電導率, 間接測定氨的含量。這里之所以采用電導率表而不是pH表, 主要是因為電導率表靈敏度較高, 校準后儀表的維護量也較小, 完全能達到除氧器下降管氨加藥點自動加氨的要求。
在自動調節系統中, 電導率表輸出的電流信號送到輔控網中, 并與設定值比較, 再由控制器輸出調節信號至計量泵沖程調節器, 以調節計量泵的沖程。另外, 凝給水的流量信號也送至輔控網控制器中, 根據給水的流量值控制變頻器的輸出頻率。給水的流量信號作為調節加氨量的主要手段, 而給水的電導率信號則作為微調的依據, 從而達到改變給水加氨量,穩定給水pH 值的目的。其等效控制原理圖見圖5.2。
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圖5.2： 自動加氨等效控制原理圖
另外加藥系統的工藝過程和特征可以看出，加藥裝置是一個復雜的工業對象，其具有大慣性、純滯后等特點，而且難于建立加藥系統的數學模型，這就無法采用傳統的PID控制來實現精確的控制。因此我們必須尋求一種更好的控制方式，將給水流量和給水電導率信號作為參調量，建立在模糊集合理論上的模糊控制器，從而使爐內加氨系統等一些不確定的數學模型控制對象具有較好的控制效果，為加藥自動控制系統提供了良好的發展前景。對于加藥系統的純滯后問題，則可以采用預估模糊控制[5]的方式來進行校正，從而保證系統的控制精度。
5.2 在機組運行中應注意的問題
(1) 在機組穩定運行時盡可能采用自動加藥,而在機組啟停階段, 應加強人工監視。
(2) 自動加藥系統能夠穩定可靠運行的前提是化學表指示準確、控制器正常工作。
(3) 加藥系統在自動狀態運行時, 若凝結水精處理系統投運或撤出, 為了保持水質的穩定性, 可先將氨計量泵切換至手動狀態, 并將沖程預置于某個經驗值, 然后再切換至自動狀態。
6 結束語
本文是根據張家口發電廠爐內給水加氨過程中的加藥系統采用常規控制難以達到理想的控制效果，提出了采用給水流量為主調量，給水電導率作為微調量的預估模糊的控制方法。對于改進火電廠自動加氨控制系統的設計有重要的參考價值，值得實際推廣和應用。
參考文獻
[1]李本高等:工業水處理技術，中國石化出版社，2002年
[2]馬國華:監控組態軟件及其應用，清華大學出版社，2001年
[3]鄭文波:控制網絡技術，清華大學出版社，2001年
[4]周本省:工業水處理技術，化學工業出版社，2002年
[5]李士勇:模糊控制神經控制和智能控制論哈爾濱工業大學出版社1998年
作者簡介：王鎏(1980—),男,工程師,張家口發電廠設備部化學高級點檢員。
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