张家口发电厂给水自动加氨探讨
1 引言
火力发电厂锅炉给水系统即给水和给水的组成部分。主要是指凝汽器出口至省煤器入口的水系统，包括凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵和高压加热器以及相连的管道。
在给水系统中流动的水，是由汽机凝结水、化学补给水、各种疏水和生产返回水等组成的，水质较纯，通常不会因为盐类析出而在管壁上结垢，可能发生的水质问题是金属的电化学腐蚀。这类腐蚀不仅会造成给水管道及相关设备的损坏，而且由于腐蚀产物随给水进入锅内，导致在锅炉蒸发面上发生金属腐蚀产物沉积，严重时造成锅炉管的损坏。由此可见，给水污染及给水系统金属的腐蚀，对于锅炉机组的安全运行具有重要影响。
在以除盐水为补充水的高参数、大容量汽包锅炉中，采用加氨调节给水pH值方法已成为我国火力发电厂汽包锅炉调节给水pH值最广泛使用的方法。在GB/T 12145--1999《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》中规定：汽包炉中，锅炉蒸汽压力12.7～18.3 MPa，要求给水氢电导率(氢离子交换后，25 ℃)≤0.3 μS/cm，pH值为8.8～9.3(25 ℃，有铜系统)，或pH值为9.0～9.5(25 ℃，无铜系统)。加氨的多少直接影响给水pH值的大小，用给水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）
汽包炉中，锅炉蒸汽压力为12.7～18.3 MPa，对于有铜合金的给水系统，要求控制给水的pH值在8.8～9.3(25 ℃)范围内。给水pH值控制范围为±0.5，在25 ℃时，测量电池只要产生5.916 mV的误差，在pH值控制范围内就会产生20%的误差，因而用给水pH值作为加氨控制信号尽管最直接、效果最好，但实际应用有一定的难度。
结合各种理论及实践经验，采用给水直接电导率调节加氨量来达到间接调节PH值的目的。
2 给水pH值自动控制加氨方案
目前张家口发电厂8台机组炉内分别以四个单元制进行加氨控制，2台机组配1套氨加药装置，共4套，每套装置为2箱5泵（4用1备），每台泵配变频器，能接受来自张家口发电厂辅控系统的4～20mA DC控制信号，并输出相应的4～20mA DC反馈信号，实现加药系统的开环或闭环控制。泵就地控制柜有泵的状态指示及启停按钮、故障等状态信号、手动调节及远方控制的功能以及低低液位停泵功能。一台泵故障时,可切换上备用泵,备用泵具备相同的功能。
下图为一单元炉内加氨系统辅控画面。
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图2.1：一单元炉内加氨系统辅控画面
含自动加氨的炉内加药系统是采用四方（电气）集团有限公司的远程I/O控制站[2]。将DCS分散控制单元和I/O控制卡件安装于远程就地位置（远程控制柜），并具有与辅控网络接入能力。DCS分散控制单元具有远程逻辑下装功能，在辅控网进行逻辑组态后，可直接远程下装到就地控制单元中，由就地控制单元实现自动控制运行[3]，能够有效代替现有运行人员的大部分就地操作，实现减员增效、安全生产的目的。各炉内子系统将具有就地手动控制、节点操作员站远程手动控制、辅控中心操作员站远程手动控制以及程序自动控制的多级监控方式。正常情况下采用程序自动控制，将自动控制逻辑下装在各远程站DPU中，通过各远程站实现工艺流程的控制。就地手动控制一般作为检修、调试之用，运行人员通过就地操作箱对各设备进行手动控制。
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图2.2： 1-4单元炉内加药系统辅控网络示意图
给水（精处理出口）加氨采用自动加氨软件实现的方法为：采用PID控制，过程值采用给水（精处理）pH值，在辅控操作员站上位机给定设定值SP，配置PID参数，经过自动计算给出输出值op，用于控制加氨泵的转速。此PID为正作用，即转速越高，加氨量越高，理论上在pH会逐步上升。
在工艺正常情况下，pH值能在SP限制值内跟踪。但当工艺条件发生了突变，例如突然补水量的增加，由于PID控制对惯性大、突变多的情况反应较慢，这时候会出现规程值越过sp的上下限。另外纯水PH测量受静电荷、温度、测量电极质量、液接电位等各种因素的影响较大，测量很不可靠。而且pH值的可值范围非常小，造成调节时常常不稳定，因此在炉内加氨上，采用检测pH值控制氨泵转速的方式不能完全实现自动控制。
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图2.3：变频泵的直接输入式调速面板
3 给水流量控制加氨方案
给水流量也是加氨控制的一个重要指标。锅炉给水流量增大，则补水量增加，为保持给水pH值在控制范围内，加氨量增大;反之流量减少，补水减量，加氨量减少。不同容量的机组、不同的系统给水流量的大小与加氨量的关系不同，但它们都有一定的对应关系。为了使给水pH值在控制范围内运行，可以用给水流量信号控制加氨量，这样就避免出现给水pH值测量不准确、控制范围小、误差大、不易实施的弊端。
通过以上分析可以看出，用给水pH值控制加氨量最直接，但是，给水pH值测量影响因素多、误差大，且pH值控制范围小，仅0.5，因此用给水pH值控制加氨量实施困难。目前国内通常用流量信号控制加氨，有的用给水流量作为主调节信号，给水电导率或pH值作为辅助信号控制加氨。由于给水流量大小随机组负荷变化和系统运行调节而变化，给水流量与pH值数学模型因机组不同而异，需要在运行中摸索确定，因此用流量信号控制加氨的精度、准确度不高。
4 给水电导率的测量及电导率换算pH值的方法
4.1给水电导率的测量
溶液导电是依靠离子在电场作用下定向迁移实现的。将被测溶液看作一个导体，在电极两端加一定的交流电压，产生的电流信号经放大处理，得到测量溶液的电导率。电导率表征被测溶液的导电能力时，是指水中各种正、负离子导电能力的总和。电导电极是2块金属板(在线仪表测量电极大多数为不锈钢筒套式结构)，比较稳定，也不受其他外界因素的干扰。另外，电导率是通过测量溶液阻抗，再转换为电流信号而得到的，因而基本不受纯水静电荷的影响，测量准确率大大提高。
4.2分布电容和温度的影响小
机组正常运行情况下，给水氢电导率≤0.3μS/cm(25 ℃)。加氨后，给水在pH8.8～9.3范围内，电导率通常在1～6μS/cm范围内变化，此时电导率较小，电极表面极化电阻的影响较小，分布电容影响较大，可以采用低频率的测量电流，减少分布电容的影响。
电导率在1～6 μS/cm范围内变化，电导率随温度的变化基本为直线，故温度补偿可以按式(3)进行补偿：X(25 ℃)=Xt /[1 +β(t-25)] （3）
式（3）中X(25 ℃)——水样换算为基准温度25 ℃下的电导率;
Xt——水样在t ℃时的电导率;
β——水样温度补偿系数。
水样电导率在1～6μS/cm范围内变化时，β可以取0.02/℃。
4.3给水电导率换算给水pH值
25 ℃给水氢电导率≤0.3μS/cm时，水中的杂质对电导率的影响非常小。给水加氨后，氨气溶于水成为弱碱性溶液，增强了溶液的导电能力，使给水电导率示值增大十倍甚至几十倍。因此给水电导率大小主要取决于水中氨的浓度。水中氨浓度与pH值和电导率之间存在确定的关系。
在25°C的纯水体系中，电导率的，pH值和加氨量符合以下公式的关系：
pH=lgk+8.57 （4）
A=(13.1k2+62.5k)*10-3 （5）
式（4）（5）中：pH为水样的pH值；K为水样的电导率，单位μs/cm； A为水样的加氨量，mg/L
德国VGB标准和欧洲标准都建议采用测量给水，凝结水的电导率来换算pH，以达到间接测量水样pH值的目的。
利用上述关系式，经理论分析并结合电厂的实际情况，得到用电导率换算给水pH值的使用范围及误差，结果见表4.1。
表4.1：给水全挥发处理（AVT）的电导率、pH值和加氨量的控制范围
| 给水处理方式 |
pH值 |
电导率/ μs/cm |
氨浓度/ mg/L | 误差 |
| AVT处理 | 8.8~9.3 | 1.720~5.430 | 0.146~0.726 | ≤0.01 |
为了检验电导率换算pH值这种方法在现场应用的可行性，国内一些研究机构利用这种方法并结合实践做了深入的动态模拟实验，得到数据和理论计算的比较如下表4.2所示：
表4.2 ：25 ℃给水不同加氨量时pH值、电导率理论和实测误差比较统计
| 加氨量/ mg/L | 理论pH值 | 实测pH值 | pH误差 | 理论电导率/μs/cm | 实测电导率/μs/cm | 误差/％ |
| 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 电导率测量值换算pH值时的注意事项
（1）电导率表必须经过检验，以确保电导率测量的准确性。
（2）水样氢电导率应小于0.3μS/cm。
（3）该方法适用于给谁、凝结水的pH值测量, pH值应大于8.5。
5自动加氨控制的解决方案
5.1给水电导率测量精度高，控制范围大
目前有一种多功能分析仪表，它可以直接测量给水的电导率，在25 ℃、水样稳定、保证电导率测量结果准确的前提下，具有把电导率换算成pH值的功能。在仪表表头上可以同时显示给水电导率值和pH值，这样用给水电导率作为控制信号的同时，还可以监测给水pH值。由表4.1可以看出，对于有铜合金的给水系统，电导率一般控制在1.7～5.3 μS/cm范围内，25 ℃给水pH值控制在8.8～9.3范围内，相对于pH值而言，电导率比pH值控制范围要宽。另外，给水电导率的测量较pH值测量影响因素要少，测量准确度高，利用给水电导率和pH值的对应关系，通过测量给水电导率并用其信号控制加氨，使pH值控制在8.8～9.3范围内，控制加药会更及时、准确，其精度和准确度也会大大提高。
5.2 给水氨自动加药系统控制策略
锅炉给水加氨处理的目的是提高给水的pH值, 防止给水管道的CO2 酸性腐蚀。其控制框图见图5.1。
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图5.1：给水自动加氨控制框图
氨加药点设置在凝结水精处理出口和除氧器下降管。给水取样点设置在给水系统省煤器入口, 用一块电导率表监测加药后的给水电导率, 间接测定氨的含量。这里之所以采用电导率表而不是pH表, 主要是因为电导率表灵敏度较高, 校准后仪表的维护量也较小, 完全能达到除氧器下降管氨加药点自动加氨的要求。
在自动调节系统中, 电导率表输出的电流信号送到辅控网中, 并与设定值比较, 再由控制器输出调节信号至计量泵冲程调节器, 以调节计量泵的冲程。另外, 凝给水的流量信号也送至辅控网控制器中, 根据给水的流量值控制变频器的输出频率。给水的流量信号作为调节加氨量的主要手段, 而给水的电导率信号则作为微调的依据, 从而达到改变给水加氨量,稳定给水pH 值的目的。其等效控制原理图见图5.2。
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图5.2： 自动加氨等效控制原理图
另外加药系统的工艺过程和特征可以看出，加药装置是一个复杂的工业对象，其具有大惯性、纯滞后等特点，而且难于建立加药系统的数学模型，这就无法采用传统的PID控制来实现精确的控制。因此我们必须寻求一种更好的控制方式，将给水流量和给水电导率信号作为参调量，建立在模糊集合理论上的模糊控制器，从而使炉内加氨系统等一些不确定的数学模型控制对象具有较好的控制效果，为加药自动控制系统提供了良好的发展前景。对于加药系统的纯滞后问题，则可以采用预估模糊控制[5]的方式来进行校正，从而保证系统的控制精度。
5.2 在机组运行中应注意的问题
(1) 在机组稳定运行时尽可能采用自动加药,而在机组启停阶段, 应加强人工监视。
(2) 自动加药系统能够稳定可靠运行的前提是化学表指示准确、控制器正常工作。
(3) 加药系统在自动状态运行时, 若凝结水精处理系统投运或撤出, 为了保持水质的稳定性, 可先将氨计量泵切换至手动状态, 并将冲程预置于某个经验值, 然后再切换至自动状态。
6 结束语
本文是根据张家口发电厂炉内给水加氨过程中的加药系统采用常规控制难以达到理想的控制效果，提出了采用给水流量为主调量，给水电导率作为微调量的预估模糊的控制方法。对于改进火电厂自动加氨控制系统的设计有重要的参考价值，值得实际推广和应用。
参考文献
[1]李本高等:工业水处理技术，中国石化出版社，2002年
[2]马国华:监控组态软件及其应用，清华大学出版社，2001年
[3]郑文波:控制网络技术，清华大学出版社，2001年
[4]周本省:工业水处理技术，化学工业出版社，2002年
[5]李士勇:模糊控制神经控制和智能控制论哈尔滨工业大学出版社1998年
作者简介：王鎏(1980—),男,工程师,张家口发电厂设备部化学高级点检员。
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