（控制科学与工程专业论文）热电厂水处理控制系统的设计与实现.pdf

武汉理丁人学硕士学位论文 摘要 近年来，随着经济不断快速与稳定地发展，我国对各种资源的需求与日俱 增，其中电力资源尤为突出。我国的电力工业发展迅速，以火力发电为主。水 在火力发电厂的生产过程中担负着传递能龟和冷却介质的作用，水的品质是影 响发电厂热力设备( 锅炉、汽轮机等) 安全、经济运行的重要因素。我国大多 数热电厂的水处理工艺技术比较落后。同时，大多数水处理控制系统仍然采用 人工手动控制，自动化程度低，出水水质很难达到指定指标。因此，设计一种 能够连续稳定运行，自动化程度高的水处理控制系统是当务之急。 本文主要以热电厂水处理工艺为对象，以满足生产工艺要求，保证系统安 全、准确、可靠运行为准则，并通过科学的方法与现代化的手段，完成了对整 个水处理控制系统的设计与实现。 首先，根据现场设备的分布情况，确定了控制系统的类型。水处理的工艺 设备比较多，种类繁杂，而且地点比较分散，大部分设备都是远离控制室。因 此，我们确定本控制系统类型为远程i o 控制系统。 其次，根据工艺设备的数量、类型，完成了控制系统的硬件配置该控制系 统主要由工业计算机、p l c 主站、从站和现场工艺设备等组成。工业计算机与 p l c 控制器之间通过工业以太网通信接口实现数据的交换；p l c 主站与从站之 间的通信则遵循p r o f i b u s d p 现场总线协议。 然后，根据实际工艺控制要求，完成对p l c 程序的编写。水处理控制系统 要求可以实现对单个设备的操作、单个工艺步序的操作以及整个工艺流程的自 动运行操作。因此，p l c 程序由主要由以上三大部分的控制功能块组成。 最后，利用西门子公司开发的w i n c c 人机界面设计软件，完成了上位机人 机界面的设计与实现。人机界面由工艺流程画面和其他功能画面组成。工艺流 程画面主要实现对整个工艺流程的控制；其它功能画面包括报警画面、报表系 统和趋势图，它们主要实现对重要工艺参数的监视。 本论文所研究的水处理控制系统经过调试已投入使用，运行稳定地，达到 了预期的效果。 关键词：水处理；p l c ；控制系统；组态；w i n c c 武汉理i ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w h i l et h ee c o n o m yi sd e v e l o p i n ge x c e e d i n g l yf a s ta n ds t e a d i l y , m o r ev a r i a b l er e s o u r c e sa r en e e d e di no l l rc o u n t r y , e s p e c i a l l yt h ee l e c t r i cp o w e r o u r e l e c t r i ci n d u s t r yd e v e l o p sv e r yq u i c k l y , m a i n l yt h ep o w e ro ft h e r m a lp l a n t w a t e ri n p o w e rp l a n tc a nt r a n s f e rt h ep o w e ra n dc o o lt h em e d i u m ，a n dt h ew a t e rq u a l i t yi sa s i g n i f i c a n tf a c t o ro ft h e r m a le q u i p m e n t ( b o i l e r , t u r b i n ee t c ) s a f e t ya n de c o n o m i c a l o p e r a t i o n i no u rc o u n t r y , t h ew a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yu s e di nm o s tp o w e rp l a n t s i sr e l a t i v e l yb a c k w a r d m e a n w h i l e ，m o s tw a t e rt r e a t m e n ts y s t e m sa r es t i l lc o n t r o l l e d m a n u a l l y t h ea u t o m a t i cd e g r e ei sl o w , a n dw a t e rq u a l i t yi s d i f f i c u l tt oh i tt h e s p e c i f i e dt a r g e t t h e r e f o r e ，t od e s i g na l la u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o r w a t e rt r e a t m e n l w h i c hc a no p e r a t ec o n t i n u o u s l ya n ds t a b l yw i t hh i g ha u t o m a t i o ni sa p r i o r i t y i nt h i st h e s i s ，t h ec o n t r o lo b j e c ti sw a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo ft h e r m a lp l a n t , t h ed e s i g nr u l ei st h a tt h es y s t e mc a no p e r a t es a f e l y , a c c u r a t e l ya n dr e l i a b l y b y m e a n so fs c i e n t i f i cm e t h o da n dm o d e mw a y , i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f p r o d u c i n gt e c h n o l o g y , t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fw h o l ew a t e rt r e a t m e n tc o n t r o l s y s t e r ai sa c h i e v e d f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no fl o c a le q u i p m e n t s ，t h et y p eo f c o n t r o ls y s t e m i sa s c e r t a i n e d t h ew a t e rt r e a t m e n te q u i p m e n t sa r ea b u n d a n ta n dv a r i a b l e b e s i d e s ， t h el o c a t i o n sa r es e p a r a t ea n dm o s to ft h ee q u i p m e n t sa r ef a ra w a yf r o mt h ec o n s o l e c a b i n e t t h e r e f o r e ，w ed e c i d et h a tt h i ss y s t e mi sar e m o t ei oc o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o ni sa c h i e v e db a s e do nq u a n t i t i e sa n dt y p e s o ft h ee q u i p m e n t s t h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do fi n d u s t r yc o m p u t e r 、p l c p r i m a r ys t a t i o n 、s l a v es t a t i o na n dl o c a le q u i p m e n t s t h ed a t ae x c h a n g e b e t w e e np l c c o n t r o l l e ra n di n d u s t r yc o m p u t e ri sa c h i e v e db yw a yo fi n d u s t r ye t h e m e t ；t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l cp r i m a r ys t a t i o na n ds l a v es t a t i o ni sa c h i e v e db a s e do n p r o f i b u s d pp r o t o c 0 1 t h e n ，a c c o r d i n gt oa c t u a lc o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，t h ep r o g r a mo fp l c i sf i n i s h e d t h eo p e r a t i o no fs i n g l ee q u i p m e n t 、s i n g l ew a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g ys t e pa n dt h e a u t o m a t i co p e r a t i o no ft h ew h o l et e c h n o l o g yc a nb ea c h i e v e di nt h ec o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r e ，t h ep l cp r o g r a mc a nb ec o m p o s e do ft h r e ek i n d so fc o n t r o lb l o c k s i i a b o v e f i n a l l v t h eh m io fi n d u s t r yc o m p u t e ri sa c h i e v e db yw a yo fw i n c ch m i d e s i g ns o f t w a r ed e v e l o p e db ys i e m e n sc o m p a n y t h e h m ii sc o m p o s e do f t e c h n o l o g yp i c t u r e sa n do t h e rf u n c t i o np i c t u r e s t h et e c h n o l o g yp i c t u r e sc a n b eu s e d t oc o n t r o lt h ew h o l el o c a lt e c h n o l o g yp r o c e d u r e ，b u ta l s ot h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s c a nb es u p e r v i s e d ；o t h e rf u n c t i o np i c t u r e si n c l u d i n ga l a r mp i c t u r e s 、r e p o r ts y s t e m a n dt e n d e n c yc h a r tc a l lb eu s e dt os u p e r v i s e dt h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s t h ew a t e rt r e a t m e n tc o n t r o ls y s t e mi n t h et h e s i si su s e di nr e a l i t ya f t e r d e b u g g i n gw o r k ，i tr u n ss t e a d i l y , a n dt h ea n t i c i p a t e dp u r p o s ei sa c h i e v e d k e y w o r d s ：w a t e rt r e a t m e n t ；p l c ；c o n t r o ls y s t e m ；c o n f i g u r a t i o n ；w i n c c i 玎 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致澍的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 l 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 狮：i 吲翮c 巍k 日期州7 武汉理工人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 工业控制系统概述 工业控制技术是一种运用计算机、控制理论、仪器仪表和其它信息技术， 对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、 提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术【l 】。电子信息技术、现代 系统控制技术、计算机技术等现代科学技术的快速发展推动着工业控制技术不 断向前发展，分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 和可编程控 制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 已经成为工业控制中并驾齐驱的 两大主流，现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 则是未来工业 自动化系统的发展方向。 1 1 1 工业控制技术的发展 随着现代科学技术的迅猛发展，工业控制技术也口新月异。到目前为止， 工业控制技术已经历了三次飞跃： ( 1 ) 2 0 世纪5 0 到6 0 年代，从传统的电气控制发展到以模拟信号为主的 电子装置和自动化仪表的控制系统，这次飞跃是以微电子技术的进步为基础。 ( 2 ) 2 0 世纪7 0 到8 0 年代，d c s 的出现把分散的、单回路的测控系统采 用计算机进行了统一的管理，用各种i p o ( i n p u t p r o c e s so u t p u t ) 功能模块代替 了控制室的仪表，利用计算机高速运算的强大功能，集中实现了回路的调节、 工况连锁、参数显示报警、历史数据存储、工艺流程动态显示等多种功能【2 】o 在大 型控制系统中往往还带有操作指导和专家系统等软件。d c s 对工业控制技术的 发展起到了极大的推动作用，这次飞跃是以计算机技术的飞速发展为基础的。 ( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代以后，现场总线技术的兴起和逐渐成熟，使其成为自 动化领域的主导技术。f c s 是在计算机网络技术飞速发展的推动下形成的，人 们称之为3 c ( c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nc o n t r 0 1 ) 技术。 1 1 2 工业控制系统现状与发展趋势 2 0 世纪7 0 年代中期，d c s 的诞生带来了工业控制系统的革命性变化，开辟 武汉理i j 人学硕士学位论文 了工业计算机系统应用的新纪元。二十多年来，d c s 己广泛应用于各工业领域 并趋于成熟，成为工业控制系统应用的主流。但d c s 并非工业控制系统发展的 终结，随着技术发展和用户对生产控制系统要求的提高，在电子技术特别是专 用集成电路和单片机技术应用取得重大进展的基础上，人们丌始研究和丌发现 场总线技术。从而促进了计算机进一步面向生产工艺及设备的现场总线技术的 研究，现场总线产品采用单一的通讯规程和协议，从根本上实现信息共享、设 备互换、互操作及现场仪表远程调整校验。基于现场总线产品的控制系统将具 有更多的优点，它是工业控制系统的发展方向。但f c s 尚处于产品开发和试制 阶段，统一的总线通讯协议尚未成熟，远程智能i o 的发展受到普遍重视，在 近几年己获得广泛应用，这是目前自动化工程设计选型和应用的趋势之一。 1 2 国内外现状，研究与发展趋势 1 2 1 国内外现状 水处理行业在国外出现较早，发展非常迅速。在工艺方面，采用的是以膜 分离法为主，其它方法为辅的综合水处理工艺，比如反渗透技术的广泛应用， 目前，在全球范围内的反渗透装置每天的处理能力已超过1 2 0 0 吨；在设备方面， 在原有设备的基础上开发了许多自动化程度更高的先进的水处理设备，比如以 色列的盘式过滤器，结构小，易于安装和控制，具有自清理功能，美国海德公 司生产的反渗透设备能够达到水处理控制的智能化和高效化【3 】。在控制方面， 由于水处理设备比较分散，国外基本上都是采用功能强大有p l c 控制系统以及 现场总线技术，已经实现水处理工艺网络化和智能化。 近年来，随着我国经济不断快速与稳定地发展，除了需要大量合格的生活 用水外，在工业领域对净化水的需求量也非常巨大。在这种形势下，水处理行 业在国内也得到了长足地发展。但是较国外而言，国内的水处理技术比较单一， 被认为最先进的反渗透水处理法还没有得到大力的推广与应用。同时，我国的 水处理设备大多是国外进口，自主研发产品的技术还不是很成熟。尤为突出的 是，国内大部分企业的水处理控制系统仍是采用传统的继电器控制，同时，化 学监测仍采用的是集控室表盘监测方式，自动化程度低，很难达到水处理工艺 地最优化。 电力工业是国民经济重要的基础工业，因此，水在电力行业的用途至关重 要。鉴于热电厂设备运行环境的特殊性，水处理控制系统的优劣直接影响到整 武汉理 人学硕十学位论文 个热电厂的运行状况。在1 9 9 5 年之前，国内热电厂水处理工艺大部分以离子交 换为主。离子交换用工多，工人劳动强度大，自动化程度低，设备占地面积大， 设备维修和更换频率高等劣势，近几年，从国外引进了a b c 法、s b r 法、生 物膜法、高压膜法等【3 】。但这些技术在不同程度上存在着基建造价和运行成本 较高、处理效率有待提高等问题。 随着工业技术的发展，热电厂不仅对净水的需求量f 1 益增加，而且对水质 的要求也越来越高，因此，近十几年来，我国热电厂的水处理控制系统将进行 大量的技术改造。 1 2 2 研究与发展趋势 从2 0 世纪6 0 年代以来，现代科学技术已经逐渐渗透到工业生产中，使传 统工业发生了天翻地覆的变化。工业控制系统是运用控制理论、仪器仪表、计 算机和其他科学技术，对生产过程的各种信息采集、分析、处理，并进行优化 控制和合理的调度、管理，以达到提高生产效率的一种先进的现代工业系统。 当今，现代化建设正在紧锣密鼓的进行，市场的需求驱使着我国工业控制系统 技术和应用水平的提高。进入2 0 世纪8 0 年代以来，工业控制系统逐渐从模拟 化向数字化发展：从连续流程自动化向继续流程自动化扩展；从单机控制向综合 控制发展；从集中控制向分布式控制发展；从大系统向小系统发展【4 】。d c s 和 p l c 已经成为工业控制中并驾齐驱的两大主流，同时d c s 和p l c 相互渗透， 相互融合共同提供适合工业生产现场的有效控制。 热电厂水处理控制系统作为工业控制技术在热电厂水处理工艺领域的应 用，必将顺应工业控制技术的潮流，不断向前发展。随着电子信息技术、现代 系统控制技术、计算机技术和通讯技术等现代科学技术的快速发展，集成化、 网络化、智能化将是热电厂水处理控制系统的发展趋势【5 】。 1 3 课题的研究背景和意义 热力系统中水的品质是影响发电厂热力设备( 锅炉、汽轮机等) 安全、经 济运行的重要因素。没有经过净化处理的天然水含有许多杂质，如进入水汽循 环系统，将会造成各种危害。因此，热电厂水处理工艺在整个电厂的生产运行 中起着至关重要的作用。传统的水处理工艺过程基本上是由人工手动控制，自 动化程度低，水质受人为因素干扰，运行状态及水质都不能达到最优化。设计 武汉理l ：人学硕士学位论文 以p l c 为控制器的水处理控制系统，大大提高了自动化程度，不仅可以使性能 达到了生产要求，出水水质稳定，还能降低生产成本。 本论文是以某热电厂水处理控制系统的设计，安装和调试为背景，论述了 热电厂水处理的自动控制系统的设计和基于工控组态软件人机界面的设计。 其意义在于将p l c 控制技术和组态软件技术应用到热电厂水处理工艺中 来，使热电厂水处理控制系统具有很强的实用性和相当长时间内的先进性。使 用工控组态软件来丌发上位监控系统，不仅传送的现场监控数据准确、直观、 可靠，而且提供了友好、丰富的全中文人机界面，灵活有效的报警方式以及强 大的报表统计和趋势分析功能，使得操作人员可以简单直观地进行全程实时监 控操作和管理。 1 4 本课题的工作和成果 本课题完成的主要工作包括：根据现场工艺的实际要求，规划整个控制系 统，包括硬件和软件设计，并参与现场调试工作。 在硬件设计中，主要采用工业控制计算机和可编程控制器( p l c ) 组成的 网络结构，其性能可靠，抗干扰能力强，可以完全满足实际控制的要求。 在软件开发中，本文采用的是西门子公司开发的5 4 版本的s t e p7 软件完 成对p l c 程序的编写。上位机人机界面采用的是w i n c c 软件来设计的，其中 包括工艺流程画面和其它功能画面的设计。 该p l c 控制系统不仅可以实现对热电厂水处理中各种设备的控制，还能完 成对重要的工艺参数的监视，从而使整个水处理工艺流程工作在最佳状态。 4 武汉理：j ：人学硕+ 学位论文 第2 章热电厂水处理工艺简介 2 1 我国热电厂用水的水源及水质特点 电厂用水的水源主要有两种，一种是地表水；另一种是地下水。 ( 1 ) 地表水 地表水是指流动或静止在陆地表面的水，主要是指江河、湖泊和水库水。 a ：江河水 江河水流域面积广阔，又是敞开流动的水体，所以水质易受自然条件影响， 是水源中最活跃的部分，这种水的化学组分具有多样性与易变性。通常江河水 中悬浮物和胶体杂质含量较多，浊度高于地下水。 江河水的含盐量及硬度较低，其含盐量一般在5 0 - - - - 5 0 0m g l ，硬度一般在 1 0 8 o m m o l l ，是电厂用水最合适的水源。 b ：湖泊及水库水 湖泊及水库水主要由江河水和大气水补给，水质与江河水类似。但由于水 流动性小，储存时间长，经过长期自然沉淀，因此浊度较低。水的流动性小， 透明度高，又给水中生物特别是藻类的繁殖创造了良好的条件。因而，湖泊及 水库水一般含藻类较低，使水产生色、嗅、味。又由于水的不断蒸发，帮含盐 量往往比江河水高。按其含盐量分，有淡水湖、微咸水湖和成水湖，前两种可 作为电厂用水的水源。 ( 2 ) 地下水 存在地球表面以下的土壤和岩层中的水称为地下水。 地下水是由雨水和地表水经过地层的渗流而形成的。水在地层渗透过程中， 通过土壤和砂砾的过滤作用，悬浮物已基本或大部分除去，所以地下水浊度普 遍低。又由于地下水流经岩层时，溶解了各种可溶性物质，因而水中含盐量通 常高于地表水【6 】。至于含盐量的多少及盐类的成分，则取决于地下水流经地层 的矿物质成分、地下水埋深和与岩石接触时间等。 2 2 热电厂中水处理的重要性 热力系统中水的品质是影响发电厂热力设备( 锅炉、汽轮机等) 安全、经 武汉理- j ：大学硕：t 二学位论文 济运行的重要因素之。没有经过净化处理的天然水含有许多杂质，这种水如 进入水汽循环系统，将会造成各种危害。 2 2 1 热力设备结垢 含有杂质的水进入锅炉或其他热交换器，运行一段时间后，由于水的蒸发 浓缩、某些盐类的热分解等，受热面上会结有水垢。结垢容易在热负荷较高部 位发生，由于水垢的传热能力只有金属的几百分之一，因而极易造成会属管壁 过热，促使金属强度下降，造成局部管道变形、鼓包、甚至爆管等严重事故【6 】。 另外，如结有铁垢，则还会引起垢下腐蚀。结垢还会造成燃料消耗的增加。当 凝汽器管结有水垢时，凝汽器真空下降，汽轮机出力降低，严重时被迫停机， 造成重大经济损失。 2 2 2 热力设备腐蚀 水质不良会引起热力设备的腐蚀。热力设备的金属和合金，由予本身的特 征，在与接触介质相互作用时，会产生金属腐蚀，金属腐蚀即金属与周围环境 ( 介质) 之间的化学或电化学作用所引起的破坏或变质。当热力设备遭受腐蚀 破坏，腐蚀产物被带入锅炉内，污染炉水，引起锅炉内部结垢和金属进一步腐 蚀，威胁设备的安全运行，缩短设备的使用年限。严重时将导致炉管的爆管事 故。水中某些杂质产物如蒸汽带到过热器和汽轮机中沉积下来，则将严重影响 过热器及汽轮机的安全运行。 2 2 3 过热器和汽轮机积盐 水质不良会导致蒸汽不纯。蒸汽带出的杂质会在过热器内沉积，引起管壁 过热而爆管；蒸汽从锅炉带出的盐分进入汽轮机后，由于盐类在蒸汽中的溶解 度随蒸汽压力的降低而下降，所以参数越低，蒸汽溶解带盐的能力越差。蒸汽 在汽轮机中将热能转换成动能，压力和温度不断下降，溶盐能力越来越低，如 果蒸汽带盐达到一定限度，超出相应压力、温度下蒸汽的溶盐能力，就会析出 并沉积在喷嘴和叶片上，使叶片通流截面减小，导致汽轮机效率降低，轴向推 力增加严重时还会影响转子的平衡而造成更大的事故【6 j 。 总之，热力设备的结垢、腐蚀、积盐，会导致热力设备的使用年限降低、 年利用时间( h ) 减少，检修工作量和检修费用增大。因此，为了保证热力系统 6 武汉理一r 人学硕十学位论文 中有良好的水质，必须对水进行净化处理。 2 3 热电厂水处理工艺现状 通常情况下，热电厂的水处理工艺流程大致由以下几大部分组成：预处理、 预脱盐系统、深度脱盐系统、加药系统等。某热电厂水处理工艺流程如图2 。1 所示： 加药系统( 杀毒剂) 净化站来水卜_ 啪化水箱卜- 泵水增压泵卜- 叫阪芄换执器 _ 刮多介质过滤器卜_ 加药系统( 酸喊) l 加药系统( 还原剂，碱) - h 管式过滤器忡滤装置卜叫超滤水箱卜剐反渗透增压泵卜一砷呆安过滤器卜 i i加药系统( 酸) l 叫高压泵 - i 反渗透装置卜叫中间水箱卜叫中间水泵 - 剖阳床卜_ l 除碳器卜 i 跏药系统( 碱)加药系统( 氧) 卑i 阴床卜- 晰盐水箱h 除盐水用户 2 3 1 预处理 图2 1 水处理工艺流程图 预处理是以除去水中悬浮物、胶体物质和部分有机物为目的的。预处理的 工艺流程通常为：原水一混凝一沉淀澄清一过滤。 悬浮物颗粒越小，在水中沉降越困难，而水中的胶体基本上不会因重力作 用而自然沉降。因此，用自然沉降法不能除尽水中的悬浮物，更不能除去水中 的胶体杂质。混凝处理就是在水中投加适当的化学药剂，使水中微小的悬浮物 以及胶体结合成大的絮凝体，并在重力作用下沉淀出来。投加的化学药剂称为 混凝剂。 将水中的固体颗粒借助重力下沉从水中分离出来的过程称为水的沉淀或沉 降处理。如果将混凝和沉淀两个过程在同一个设备中完成，那么这种设备称为 7 武汉理i 。火学硕士学位论文 澄清池，这种处理工艺就是常说的水的澄清处理，它是电厂水处理中常见的处 理工艺 7 1 。 水通过过滤料层除去其中悬浮物的工艺称为过滤，按滤料类别分为粒状滤 料过滤、膜状滤料过滤、线状滤料过滤。 水经混凝沉淀( 澄清) 处理后，浊度可降至2 0 f t u 以下，能满足工业用水 的水质要求。若该水再经过过滤处理，浊度可进一步降至5 f t u 以下，能满足 后续除盐处理对进水的水质要求。 1 ) 多介质过滤器 多介质过滤器是利用石英砂、无烟煤等粒状滤料层截留水中的悬浮杂质， 从而使水获得澄清。它的特点是能够有效地去除沉淀技术不能去除的微小粒子 和细菌等，对b o d 5 和c o d 等也有一定的去除效果。 多介质过滤器主要由咀下部分构成：( 1 ) 过滤器；( 2 ) 配套管线和阀门。 其中过滤器又包括：简体、靠水组件、支撑组件、反沈气管、滤料他排气阀( 外 置) 等。如图2 - 2 所示： 醛甜 l j | i t ! 1 。一 图2 - 2 多介质过滤器 反冲洗的原理：水流逆向通过滤料层，使滤层膨胀、悬浮，借水流剪切力 和颗粒碰撞摩擦力清洗滤料层并将滤层内污物排出。 ( 2 ) 反冲洗参数的控制和确定 a ：膨胀高度：反冲洗时，为了保证滤料颗粒有足够的f b j 隙使污物迅速随水 排出滤层，滤层膨胀率应大些。但膨胀率过大时，单位体积中滤料的颗粒数 变少，颗粒碰撞的机会也减少，所以对清洗不利。双层滤料，膨胀率为4 0 鹣；1q_ 武汉理1 ：入学硕士学位论文 5 0 。 b ：反洗水量和压力：一般设计要求，反洗水的强度4 0 m 3 ( m 2 h ) ，反洗水 的压力 o 15 m p a 。 c ：反洗空气量和压力：反洗空气的强度为1 5 m 3 ( m 2 h ) ，反洗空气的压力 郢15 m p a 9 1 。 2 3 2 预脱盐系统 一级除盐系统，主要是指利用膜处理法对经过预处理的原水进行进一步的 处理，从而除去水中的细小颗粒和杂质以及大分子有机物等。膜法液体分离技 术一般可分为四类：微滤、超滤、纳滤和反渗透，它们的过滤精度按照以上顺 序越来越高。 由于超滤反渗透出水品质好、自动化程度高，在各行种业的给水和废水处 理中扮演着越来越重要的作用。自2 0 世纪8 0 年代以来，以中空纤维超滤和反 渗透为代表的膜处理技术作为一种新兴的高科技技术，得到了广泛的应用。膜 法分离装置操作容易，便于维修且分享效率高，与常规水处理方法相比，具有 出水品质好、能耗低、自动化程度高等特点，因而在大规模的水处理领域发挥 着极其重要的作用。 1 ) 超滤 图2 3 为超滤装置，超滤是一种加压膜分离技术，即在一定的压力下，使 小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜，从而使大分子溶质不能透过， 留在膜的一边【。 在超滤过程中，水在压力推动下，流经膜表面，小于膜孔的深剂( 水) 及 小分子溶质透水膜，成为净化液( 滤清液) ，比膜孔大的溶质及溶质团被截留， 随水流排出，成为深缩液。在过滤过程中，水中的固体悬浮物沉降在膜的表面， 膜过滤压降( t m p ) 将随着过滤过程的进行不断升高，为保证膜的产水量保持 不变，膜过滤压力需不断增加。隔断时间需要对膜进行反冲洗，使膜表面的固 体悬浮物被冲洗出来，来控制t m p 的升高。同时，间歇地加入次氯酸钠等消毒 剂来控制细菌的增长，有助于减少t m p 的增加，此过程称化学加强反洗。 ( 1 ) 反洗 如果不及时除去保留在毛细管膜表面的颗粒物，将堵塞膜孔，从而使t m p 增加。因此需要进行问断性的反洗。在反洗时，水流的方向与过滤时相反。干 9 武祝理j j 人学硕士学位论文 净的过滤出水在压力作用下，从毛细管膜的外部向内部冲洗，从而将污垢带出 毛细管膜。在反洗过程中控制t m p 同样重要。反洗最大t m p 为3 b a r 另外，反 洗时问要保证能够将所有污物清洗除去，通常所采用的反沈为3 0 4 0 秒。 ( 2 ) 化学加强反洗( c e b ) 在反沈时加入化学药剂可以加强反洗的效果，即进行化学加强反沈。c e b 过程包括一个正常的反沈过程、采用化学剂反洗、浸泡过程、将化学药剂冲出 的反洗。 在c e b 过程中，非常重要的一点是在加入化学药剂前的反冲洗时，要保证 将绝大部分污垢去除。这样能够保证化学药剂可以直接作用到那些“难以去除 的”污垢上。同样重要的是保证整个压力容器中要充满化学药剂，即保证合理 的加入量和浸泡时间。药剂浸泡后，要保证将所有的化学药剂反冲出整个系统。 整个过程中，t m p 不能超过3 b 盯。 图2 3 超滤装置图 2 ) 反渗透 在各种膜技术中，反渗透技术是近年来国内应用最成功、发展最快、普及 鼹广的一种。图2 4 为反渗透装簧。 叠蕾强且、 鲤埋理! 大学硕士学位论文 党一i 鳓洋 i ，翊 i 警t 图2 _ 4 反渗透装置 反渗透叉称为逆渗透。它是用一定使溶液中的溶剂通过反渗透膜( 或半透 膜) 分离出来。因为反渗透与自然渗透的方向相反，故称反渗透。根据各种物 料的不同渗透压，可以使大于渗透压的反渗透达到分离、提取、纯化和浓缩的 目的叫。 每套反渗透本体包括独立的保安过滤器、高压泵、r o 膜组件。与共用的 化学清洗系统、加药系统、检测仪表等设备组成完整的反渗透水处理系统。 ( 1 ) 膜组件 反渗透系统用于水脱盐的基本单元就是膜组件。其外部的压力容器为玻璃 钢材料制成，其直径有2 5 ”、4 ”、8 ”。大型反渗透系统选用较长的容器，较小 的系统则选用较短的压力容器。其内部起脱盐作用的膜元件可采用螺旋卷式膜。 卷式膜的生产速度快，经济效益好，但卷式膜元件容易堵塞，不易清洗。因此， 反渗透装置对进水水质的要求很严格。 ( 2 ) 管路系统 反渗透系统等供水配水系统中的管路、容器一般使用耐腐蚀材料。如f r p 、 p v c 或不锈钢材料，这是因为反渗透对进水中铁的含量要求低于0 0 5 p p m ，否 则管路或容器中的铁会污染r o 膜嘲。 高压泵是反渗透系统的主要组成部分，它向膜组件提供连续、平稳的流量 和合适的压力。运行中，可根据入口水温度含盐量变化，利用变速装置柬控制 高压泵的转速，改变泵的转矩，达到反渗透所需的入口水质的技术要求。 保安过滤器的主要目的是为了保证反渗透进水不损坏膜组件一般选用滤 瓣融魁 善煳 武汉理- t 大学硕：卜学位论文 芯( p p ，尼龙等材质) ，过滤孔径为5 微米，根据前后压差来确定调换滤芯，压 差控制在5 8 8 k p a 。 2 3 3 离子交换深度脱盐 水经过混凝和预脱盐处理后，虽然可除去其中的悬浮物和胶体物质，但硬 度和碱度一般仍然较高，水中的溶解盐类并没有改变，所以这样的水不能用作 锅炉的补给水，必须进一步处理。特别是随着现代科技的发展，火力发电厂装 机容量的不断提高，高温高压锅炉基本普及，超高压、亚临界锅炉和直流锅炉 的迅速增加，使得对锅炉补给水的水质的要求更加严格，需要将其中的盐类物 质几乎全部除尽，做到深度净化。迄今为止，离子交换法仍然是最主要的水处 理技术。无论是软化水、脱碱软化水、除盐水或纯水、超纯水都主要采用离子 交换法来制取。 1 ) 离子交换树脂概述 离子交换是指离子交换剂将本身具有的某种与水中同符号电荷的离子发生 相互交换的现剩引。离子子交换剂是一类能发生离子交换的物质，其各类繁多，有 机离子交换剂又称为离子交换树脂。离子交换树脂的内部结构可以分为三部分： ( 1 ) 高分子骨架。由单体经交联聚合成不溶性的三维空间网状骨架，它支 撑着整个化合物，是离子交换树脂的主要成分。 ( 2 ) 离子交换基团。它连接在高分子骨架上，带有可交换的离子型官能团 ( 如s 0 3 、c o o h 、- n ( c h 3 ) 3 c l 等) 或带有极性的非离子型官能团。 ( 3 ) 空穴。它是在干态和湿态的离子交换树脂中都存在的高分子结构的孔 ( 凝胶孔) 和高分子结构之间的孔( 毛细孔) 。 按活性基团的性质分类，离子交换树脂可以分为阳离子交换树脂和阴离子 交换树脂。带有酸性活性基团，能与水中阳离子进行交换的称阳离子交换树脂； 带有碱性活性基团，能与水中阴离子进行交换的称阴离子交换树脂。 2 ) 离子交换原理 树脂的离子交换是一种可逆反应，反应式可表示为 r a + b r b + a( 2 1 ) 与任何化学平衡一样，上述反应遵循质量作用定律，其逆反应就是a 型树 脂的再生。 【r b b 4 】 k ：；【翩】吲( 2 2 ) 1 2 武汉理工人学硕十学何论文 根据上述方程，如果将a 型树脂放入含有b 离子的水中，相互静态接触， 当溶液与树脂间各离子浓度达到上述平衡时反应就相对停止，水中还有许多要 除去的b 离子。因此，为了使交换进行得比较完全，即水中的b 离子被基本除 去，必须使水连续经过一段有a 型树脂组成的交换柱，随着水与新的a 型树脂 接触，交换反应不断向正反应方向移动，即水中的b 离子不断被树脂所吸收， 直到完全除去。 3 ) 离子交换器及运行 生产实践中，水的离子交换处理是在离子交换器的装置中进行的。离子交 换装置的种类很多，按水和再生液的流动方向可分为：顺流再生式、对流再生 式、( 包括逆流式和浮床式) 和分流再生式；按设备的功能可分为：阳离子交换 器( 简称阳床) 、阴离子交换器( 简称阴床) 和混合离子交换器( 简称混床) 。 顺流再生式离子交换器实物如图2 5 所示，我们以此为例来简单介绍离子 交换器的结构及运行。 ( 1 ) 交换器的结构 该交换器内设有进水装置、排水装置和再生液分配装置。交换器中装有一 定高度的树脂，树脂层上面留有一定的反洗空间。树脂层上方的空间是为了在 反洗时树脂膨胀，并防止树脂颗粒被反洗水带走，其高度一般相当于树脂层高 度的8 0 - 1 0 0 。 ( 2 ) 离子交换器的运行 髭 ( ) 内鲻绦纷；b ) 鬻黪系缝 卜一遗承装麓；卜再生液分就装鬟；3 一锐髓缓；和一撵糸装囊 图2 5 顺流再生式离子交换器 武汉理r = 大学硕七学位论文 顺流再生离子交换器的运行通常分为五步，从交换器失效后算起为：反洗、 进再生液、置换、正洗和制水。这五个步骤，组成交换器的一个运行循环，称 运行周期。 a ：反洗 交换器中的树脂失效后，在进再生液之前，先用水自下而上对树脂层进行 短时间的强烈反洗。反洗的目的一是松动树脂层，二是清除树脂层中运行时截 留的悬浮物。 b ：进再生液 将一定浓度的再生液以一定流速自上而下流过树脂层。再生是离子交换器 运行操作中很重要的一环。 c ：置换 当全部再生液送完后，树脂层中仍有正在反应的再生液，树脂层与再生液 分配装置之间的再生液则尚未进入树脂层。为了使这些再生液全部通过树脂层， 进水需要按再生液通过树脂层的流量及流速通过交换器，这一过程称为置换。 d ：正洗 置换结束后，为了清除交换器内残留的再生产物，需要用进水自上而下清 洗树脂层，流速约为1 0 - 1 5 m h j 下洗一直进行到出水水质合格为止。 e ：制水 正洗合格后即可投入运行制水，运行流速为2 0 - 3 0 r n h 。 2 3 4 加药系统 根据水处理工艺要求，为了能得到热电厂所需的合格的用水，需要给水处 理控制系统中的工艺设备加入各种化学药剂。例如，由于流进多介质过滤器的 原水是净化站来水，水里面含有大量的细菌，这对多介质过滤器的性能影响很 大，因此在原水进入过滤器之前需要给它加入适量的杀菌剂。实现这一类功能 的系统就称为加药系统。 加药系统由加药装置、计量泵和化学药剂组成。根据所加的化学药剂来分， 本水处理系统的加药装置可以分为：酸、碱、杀菌剂、阻垢剂、还原剂和氨水 加药装置。碱加药系统实物如图2 - 6 所示。 1 4 武汉理。1 - 人学硕t 学位论文 图2 _ 6 加药系统图 加药系统工作原理： 以上图加碱装置为例，说明加药系统的工作原理。具体如下： ( 1 ) 碱加药装置早装有由除盐水( 来自于除盐水箱) 和碱液( 来自于碱运 输槽车) 按一定比例混合而成的具体合格要求浓度的碱化学药剂。 ( 2 ) d n 2 0 、d n l 5 和d n 3 2 为电动阀门，d n 2 5 手柄蝶阀。 ( 3 ) 超滤装置运行一段时间后，需要对其进行反洗操作，首先打开阀门 d n i5 ，然后启动超滤反洗加碱泵实现加碱反洗操作。 ( 4 ) 与超滤反沈操作不同的是，反渗透进水加碱操作应该是长期进行的， 因此d n l5 阀门和计量泵开启后应该是常开的。 2 4 本章小结 本章对热电厂水处理工艺作了详细的介绍与阐述。首先，简单介绍了我国 热电厂水源的特点；然后，对水处理的重要性作了说明；紧接着，按预处理、 预脱盐系统、离子交换深度除盐的水处理工艺流程顺序详细介绍了水处理工艺 的现状。详细的工艺介绍，为后续的章节的书写打下了坚实的理论基础。 1 5 武汉理ji j 人学硕十学位论文 第3 章p l c 控制系统的设计 3 1 系统设计原则与步骤 p l c 控制技术是一种用于工程实际的应用技术，系统设计的水平将直接影 响控制系统、设备的运行可靠性。根据不同的控制要求，设计运行稳定、动作 可靠、安全实用、操作简单、调试方便、维护容易的控制系统，是我们的最终 目的【1 0 1 。 与绝大多数计算机控制系统设计一样，p l c 控制系统设计可以分为系统规 则、硬件设计、软件设计等基本步骤，每一部分的设计都有不同的原则和要求。 3 1 1 系统设计原则 电气控制系统是实现生产自动化的保证，控制系统的设计必须以满足生产 工艺要求，保证系统安全、准确、可靠运行为准则，并通过科学的方法与现代 化的手段，进行合理的规划设计。 在p l c 控制系统的设计中应遵循如下基本原则： ( 1 ) 实现设备、生产机械、生产工艺的全部动作； ( 2 ) 满足设备、生产机械对产品的加工质量以及生产效率的要求； ( 3 ) 确保系统安全、稳定、可靠地工作； ( 4 ) 尽可能地简化控制系统的结构，降低生产、制造成本； ( 5 ) 充分提高自动化程度，减轻劳动强度； 在上述系统设计原则中，最为重要的是要满足控制要求、系统的安全可靠 性、简化系统结构三方面。 、 1 ) 满足控制要求 作为一种工业控制系统，p l c 控制系统是为了满足控制对象的